沼氣的技術(shù)與應(yīng)用

郭春暉（黑龍江省畜牧研究所161005）馬萬(wàn)國(guó)（黑龍江省雞西市雞冠區(qū)畜牧局158100）羅新義（黑龍江省畜牧研究所161005）

　　摘要：我國(guó)資源嚴(yán)重短缺，同時(shí)常規(guī)農(nóng)業(yè)資源浪費(fèi)卻十分嚴(yán)重，并造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染，只有發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)才是我國(guó)農(nóng)業(yè)的根本出路。生態(tài)農(nóng)業(yè)強(qiáng)調(diào)循環(huán)、再生和可持續(xù)發(fā)展，而沼氣發(fā)酵是實(shí)現(xiàn)生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換、物質(zhì)循環(huán)及農(nóng)業(yè)廢棄物綜合利用的最佳途徑和中心環(huán)節(jié)，是聯(lián)系生態(tài)系統(tǒng)中生產(chǎn)者、消費(fèi)者和分解者的紐帶。

　　由于發(fā)酵產(chǎn)物沼氣、沼液和沼渣等能在農(nóng)業(yè)生態(tài)農(nóng)業(yè)工程的建設(shè)中發(fā)揮作用，所以近年來(lái)以沼氣為紐帶的各種農(nóng)業(yè)生態(tài)工程技術(shù)模式得到快速發(fā)展，尤其在減少畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放等方面產(chǎn)生了良好的效果。

　　1沼氣的產(chǎn)生原理

　　1.1沼氣成分及性質(zhì)

　　沼氣是一種可燃性氣體混合物，主要成分是55～70%甲烷、25～40%CO2、少量H2、H2S、CO、N等。

　　沼氣的主要成分是甲烷。甲烷是無(wú)色、無(wú)臭的氣體，分子式CH4，分子量為16.04，在0℃101325Pa標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，甲烷對(duì)空氣的相對(duì)密度為0.5548，沼氣約為0.94；甲烷的熱值為35.9MJ/m3，沼氣低熱值2025MJ/m3[1]。

　　1.2沼氣發(fā)酵的基本原理

　　沼氣發(fā)酵的實(shí)質(zhì)是微生物自身物質(zhì)代謝和能量代謝的一個(gè)生理過(guò)程。

　　沼氣發(fā)酵過(guò)程中，微生物在厭氧情況下為了取得進(jìn)行自身的生活和繁殖所要的能量，而將一些高能量的有機(jī)物分解，有機(jī)物質(zhì)在轉(zhuǎn)變?yōu)楹?jiǎn)單的低能量成分的同時(shí)釋放能量以供微生物代謝之用[2]。

　　沼氣的發(fā)酵過(guò)程

　　1.2.1第一階段是液化階段。由微生物的包外酶（如纖維素酶、淀粉酶和蛋白酶等）對(duì)有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行體外酶解，將多糖水解成單糖或二糖、蛋白質(zhì)分解成多肽和氨基酸。通過(guò)體外酶解將固體物質(zhì)轉(zhuǎn)變成可溶于水的物質(zhì)，這些物質(zhì)進(jìn)入微生物細(xì)胞，參與細(xì)胞內(nèi)的生物化學(xué)反應(yīng)。

　　1.2.2第二階段是產(chǎn)酸階段。上述的水解產(chǎn)物可以進(jìn)入微生物細(xì)胞，在胞內(nèi)酶的作用下，進(jìn)一步分解成小分子化合物，例如低級(jí)揮發(fā)性脂肪酸、醇、醛、酮、脂類、中性化合物、氫氣、二氧化碳、游離態(tài)氨。其中主要的揮發(fā)性酸乙酸最大，約占80%，參與這一階段的細(xì)菌統(tǒng)稱為產(chǎn)酸菌。

　　1.2.3第三階段是產(chǎn)甲烷階段。在這一階段中，產(chǎn)氨細(xì)菌大量繁殖和活動(dòng)，氨態(tài)氮濃度增高，揮發(fā)酸濃度下降，為產(chǎn)甲烷菌創(chuàng)造了適宜的生活環(huán)境，產(chǎn)甲烷菌大量繁殖。

　　a．由醇和二氧化碳形成甲烷

　　2CH3CH2OH＋CO2→2CH3COOH＋CH4

　　4CH3OH→3CH4＋CO2＋2H2O

　　b．由揮發(fā)酸形成甲烷

　　2CH3CH2CH2COOH＋2H2O＋CO2→4CH3COOH＋CH4

　　c．二氧化碳被氫還原形成的甲烷

　　CO2＋4H2→CH4＋2H2O[3]

　　沼氣發(fā)酵的三個(gè)階段是相互連接、交替進(jìn)行的，它們之間保持動(dòng)態(tài)平衡。在正常情況下，有機(jī)物質(zhì)的分解消化速度和產(chǎn)氣速度相對(duì)穩(wěn)定。如果平衡被破壞，就會(huì)影響產(chǎn)氣。若液化階段和產(chǎn)酸的發(fā)酵速度過(guò)慢，產(chǎn)氣率就會(huì)很低，發(fā)酵周期就變長(zhǎng)，原料分解不完全，料渣就多。但如果前兩個(gè)階段的發(fā)酸速度過(guò)快而超過(guò)產(chǎn)甲烷的速度，則會(huì)有大量的有機(jī)酸積累起來(lái)，出現(xiàn)酸阻抑，也會(huì)影響產(chǎn)氣，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)“酸中毒”，而不能產(chǎn)生沼氣。

　　2沼氣發(fā)酵原料及預(yù)處理

　　2.1發(fā)酵原料的選用

　　日常生活中的農(nóng)作物秸稈、雜草、樹(shù)葉等，豬、牛、羊、雞等畜禽的糞便,農(nóng)業(yè)、工業(yè)產(chǎn)品的廢水廢物（如豆制品的廢水、酒糟）等。為了方便進(jìn)料和出料，達(dá)到管理方便，產(chǎn)氣率高的目的，須認(rèn)真選擇好沼氣發(fā)酵原料。

　　為了確切表示固體或液體中有機(jī)物質(zhì)的含量，一般采用如下方法：

　　總固體（Totalsolid,TS），又稱干物質(zhì)，是指發(fā)酵原料除去水分以后剩下的物質(zhì)。測(cè)定方法為；把樣品放在105℃的烘箱中烘干至恒重，此時(shí)的質(zhì)量就是該樣品的總固體質(zhì)量。

　　揮發(fā)性固體（Volatilesolid,VS）,是指原料總固體中除去灰分以后剩下的物質(zhì)。測(cè)定方法為：將原料總固體樣品在500～550℃溫度下灼燒1小時(shí)，其減輕的質(zhì)量就是該樣品的揮發(fā)性固體質(zhì)量，余下的物質(zhì)是樣品的灰分，其質(zhì)量是該樣品灰分的質(zhì)量[4]。

　　為了保證沼氣池啟動(dòng)和發(fā)酵有充

　　足而穩(wěn)定的發(fā)酵原料，在投料前，需要選擇有營(yíng)養(yǎng)適合的牛糞、豬糞、或馬糞作啟動(dòng)的發(fā)酵原料。因?yàn)檫@些糞便原料顆粒較細(xì)，含有較多的低分子化合物，氮素的含量高，其C：N都小于25：1，都在適宜發(fā)酵碳、氮比之內(nèi)[5]。所以，選擇以上糞便做發(fā)酵原料啟動(dòng)快，產(chǎn)氣好。不要單獨(dú)用雞糞、人糞和紅薯渣啟動(dòng)，因?yàn)檫@類原料在沼氣細(xì)菌少的情況下，料液容易酸化，使發(fā)酵不能正常進(jìn)行。

　　2.2發(fā)酵物的預(yù)處理

　　當(dāng)接種物用量小于10％，或原料為風(fēng)干糞、鮮人糞、鮮禽糞、羊糞時(shí)，在入池前必須進(jìn)行堆漚預(yù)處理，使發(fā)酵細(xì)菌大量生長(zhǎng)繁殖，減緩酸化作用，還能防止料液入池后干糞漂浮于上層而結(jié)殼，或產(chǎn)酸過(guò)多使發(fā)酵受阻。其方法是采用池外堆漚：將干糞、鮮雞糞等加水或沼液、老漚塘水等拌勻。

　　加水量以料堆下部不出水為宜，料堆上加蓋塑料膜，以便聚集熱量和菌種的繁殖[6]。一般夏秋季堆漚2～4天，冬季堆漚7天以上。但不要在溫室大棚內(nèi)堆漚發(fā)酵原料，以免產(chǎn)生氨氣，使農(nóng)作物受害。

　　3沼液和沼渣的利用

　　清除出料間的浮渣和雜物，并從出料間取中層沼液，經(jīng)過(guò)濾后加入飼料中。添加沼液喂養(yǎng)前，應(yīng)對(duì)豬進(jìn)行驅(qū)蟲(chóng)、健胃和防疫，并把喂熟食改為喂生食。按生豬體重確定每餐投喂的沼液量，每日喂食3～4餐。觀察生豬飼喂沼液后有無(wú)異?，F(xiàn)象，以便及時(shí)處置[7]。

　　沼渣是沼氣發(fā)酵后殘留在沼氣發(fā)酵后殘留在沼氣池底部的半固體物質(zhì)，含有豐富的有機(jī)質(zhì)，腐質(zhì)酸、粗蛋白、氮、磷、鉀和多種微量元素等，是一種緩速兼?zhèn)涞膬?yōu)質(zhì)有機(jī)肥。

　　4沼氣為紐帶的生態(tài)農(nóng)業(yè)模式

　　以沼氣為紐帶的生態(tài)農(nóng)業(yè)模式依據(jù)生態(tài)學(xué)原理，以沼氣建設(shè)為紐帶，將養(yǎng)殖業(yè)、種植業(yè)等有機(jī)地結(jié)合在一起，通過(guò)模式各單元之間的合理布置和匹配，使得物質(zhì)和能量實(shí)現(xiàn)梯級(jí)利用，從而使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)達(dá)到高產(chǎn)、高效、優(yōu)質(zhì)、低耗的目的，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的生態(tài)化和可持續(xù)化。

　　4.1以沼氣為紐帶的生態(tài)溫室模式

　　以沼氣為紐帶的生態(tài)溫室模式的主要組成要件包括：沼氣池，日光溫室，畜禽舍。在此基礎(chǔ)上，還可以增加廁所、蚯蚓養(yǎng)殖槽等內(nèi)容。這種類型的生態(tài)農(nóng)業(yè)模式較典型的有北方“四位一體”模式和中部“生態(tài)溫室”模式。其中北方“四位一體”生態(tài)農(nóng)業(yè)模式是遼寧省在20世紀(jì)90年代研究探索出來(lái)的一種農(nóng)業(yè)模式，目前已在我國(guó)北方農(nóng)村得到了大范圍的推廣，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)、能源和生態(tài)效益。

　　這種模式的特點(diǎn)可以歸結(jié)為以下6點(diǎn)

　　a多業(yè)結(jié)合，集約經(jīng)營(yíng)；

　　b合理利用資源，增值資源；

　　c物質(zhì)循環(huán)，相互轉(zhuǎn)化，多級(jí)利用；

　　d保護(hù)和改善自然環(huán)境與衛(wèi)生條件；

　　e有利于開(kāi)發(fā)農(nóng)村智力資源，提高農(nóng)民素質(zhì)；

　　f社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益提高[8]。

　　4.2以沼氣為紐帶的生態(tài)農(nóng)場(chǎng)模式

　　隨著畜牧業(yè)的快速發(fā)展，畜禽糞便的產(chǎn)量也在不斷增加。據(jù)有關(guān)部門研究，1999年中國(guó)規(guī)模化養(yǎng)殖場(chǎng)的糞便的排放量不足17億噸，而實(shí)際排放的糞便污水總量卻超過(guò)200億噸，其數(shù)量是糞便量的10多倍[9]。為了控制養(yǎng)殖業(yè)帶來(lái)的日益嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題，國(guó)家環(huán)?？偩?001年12月發(fā)布了“畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)”（GB18596—2001），該指標(biāo)2003年1月1日開(kāi)始實(shí)施。對(duì)規(guī)模化養(yǎng)殖場(chǎng)廢氣物的處理，目前多采用以生物處理為主的方法加以處理，其中以沼氣處理技術(shù)為核心處理養(yǎng)殖糞便污水的能源與環(huán)境工程，由于其所具有的處理技術(shù)過(guò)程符合生態(tài)學(xué)規(guī)律，運(yùn)行成本相對(duì)較低，且能使廢氣物實(shí)現(xiàn)資源化利用等特點(diǎn)日益受到了重視，成為很多規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)處理污染物的首選工藝。

　　5沼氣的利用價(jià)值及前景展望

　　沼氣等可再生能源作為清潔能源，是未來(lái)可持續(xù)能源系統(tǒng)的重要組成部分。發(fā)展農(nóng)村沼氣等可再生能源是全面建設(shè)小康社會(huì)和建設(shè)社會(huì)主義新農(nóng)村的重要內(nèi)容，是發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有效措施，對(duì)改善能源結(jié)構(gòu)、保障國(guó)家能源安全、保持經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[9]。近年來(lái)，各地認(rèn)真貫徹“因地制宜、多能互補(bǔ)、綜合利用、講求效益”和“開(kāi)發(fā)與節(jié)約并舉”的農(nóng)村能源建設(shè)方針，大力發(fā)展以農(nóng)村沼氣為重點(diǎn)的可再生能源建設(shè)，取得了明顯成效。但我省農(nóng)村沼氣等可再生能源還存在發(fā)展不平衡、投入少、服務(wù)體系不完善、產(chǎn)業(yè)化運(yùn)作水平低等問(wèn)題。

　　各級(jí)、各部門要從落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀，建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)，大力推進(jìn)社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)的高度，充分認(rèn)識(shí)加快發(fā)展農(nóng)村沼氣等可再生能源的重要意義，切實(shí)抓緊、抓好農(nóng)村沼氣等可再生能源建設(shè)。

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