畜禽养殖场污染防治技术

中图分类号:X503.22文献标识码:B文章编号:1007-273X(2010)07-0004-02

第三讲沼气利用技术

近年来,规模化畜禽养殖业产生的粪尿污水集中排放,给社会环境带来了极大压力。沼气开发及综合利用技术,就是以畜禽粪便的资源化和无害化利用为目的,以沼气生产为纽带,集能源、养殖和种植为一体的生产模式。沼气可用于生产生活用能;沼液可用于作物的叶面喷施、土地灌溉;沼渣清运到干粪贮存场所,无害化处理后还田或制作有机肥料。沼气工程技术为发展现代循环型农业提供了一条有效的技术途径,是我国政府投入专项资金重点推广的技术模式。

1沼气的概念及主要成分

在自然界中,几乎所有的有机质都可以作为沼气的发酵原料,1776年意大利科学家沃尔塔在沼泽地里发现从水底冒出一连串的气泡,收集分析其主要成分为甲烷和二氧化碳等气体,是由腐烂的生物质发酵产生的,由于这种混合气体最早发现于沼泽地,故俗称“沼气”。

沼气是发酵微生物在厌氧环境下,将农作物秸秆、畜禽粪便、生活污水、工业和生活有机废物等等可降解的物质经过厌氧消化生成可燃的气体。沼气的主要成分是甲烷(CH4)和二氧化碳(CO2),这两种成分约占沼气体积的95%(其中甲烷约占60%~70%,二氧化碳约占40%~60%),此外沼气中还含有大约5%的其他气体(硫化氢、氮气、氨气、一氧化碳、氢气等),经过净化的沼气完全燃烧后只生成二氧化碳和水,不会对环境造成污染。因为沼气是细菌在厌氧条件下分解有机质的产物,畜禽粪便、污水处理后的污泥、有机垃圾、农作物秸秆等皆可作为生产沼气的原料,所以沼气发酵在农业和生态方面的综合利用具有很大的经济价值和社会效益。

2利用畜禽粪便生产沼气技术

2.1沼气发酵原理

厌氧发酵畜禽粪便产生沼气就是在无氧的条件下,利用兼性厌氧菌和专性厌氧菌的分解作用联合降解畜禽粪便中的有机物,最终生成二氧化碳和甲烷等气体的过程。人们对于沼气发酵过程的划分仍存在争议,目前普遍认为沼气发酵厌氧消化过程分为三个阶段,即:水解液化、酸化和甲烷化三个阶段。第一阶段为水解液化阶段,这一阶段兼性厌氧菌和发酵性细菌将原料中非水溶性大分子碳水化合物、脂肪、蛋白质水解成可溶于水的有机酸和醇类等。第二阶段为酸化阶段,产氢产乙酸菌将第一阶段生成的有机酸和醇继续分解成简单的有机酸,同时生成氢气和二氧化碳。第三阶段为甲烷化阶段,产甲烷菌将第二阶段生成的小分子物质转化为甲烷和二氧化碳气体,即发酵的最终产物沼气。

沼气发酵分解过程是多种细菌共同作用的结果,产生甲烷的细菌是厌氧菌,少量的氧会严重影响其生长繁殖,需要一个密闭消化池提供沼气发酵中各种微生物所需的生活条件,保证沼气发酵的正常进行。产甲烷菌能在0～80℃的温度范围内生存,最适宜的繁殖温度分为三段:8~30℃称为常温发酵;31~45℃为中温发酵;46~75℃为高温发酵,在此范围内,温度每升高10℃,产气量增加1~2倍。保持沼气发酵池合适的酸碱度也是很重要的影响因素,产甲烷菌生长繁殖最适宜的pH值为6.8～7.2,超出此范围厌氧消化的效率就会降低。

2.2沼气发酵的影响因素

影响畜禽粪便生产沼气的因素有:发酵环境、碳氮比、发酵温度、pH值、进料浓度等。可采取以下措施提高沼气产气效率:①建造四壁不透气的沼气池或沼气罐来实现厌氧环境。②有机物中碳氮比要适当,在发酵原料中,碳氮比一般以25∶1时产气系数较高。③研究发现在10～60℃环境下都可以进行沼气发酵,发酵温度对沼气发酵微生物的活性有很大影响,发酵温度越高,发酵周期越短,产气效率越高。发酵过程中发酵温度的变化幅度也对发酵有很大影响,反应温度突然下降或升高5℃以上都会严重抑制产甲烷菌的活性而抑制沼气的产生,但温度恢复后又可正常进行发酵产气。④沼气发生时合适的pH值为6.8～7.2,pH值高于8或者低于6时沼气产气菌将受到抑制。⑤进料浓度即发酵原料干物质占发酵总量的比例。一般来说,进料浓度在5%～10%比较适宜,发酵浓度过低则产气量小,发酵设备利用率低;发酵浓度过大会造成发酵系统酸化影响发酵正常进行。

2.3沼气发酵工艺流程

我国的厌氧消化处理技术包括预处理系统、固液分离系统、厌氧发酵处理系统和沼液综合利用系统4个部分(如图1)。

3沼气利用注意事项

3.1人身安全

沼气池旁边必须有明显的标识牌,警示安全范围,保障人畜安全。沼气池日常检修维护工作必须由2人以上操作,沼气池内严禁明火,如需照明可用手电筒,万一发生安全事故,要及时救护并上报。

3.2沼气池安全

经常检查管道接头处密封情况,防止出现漏气;检查安全阀、气压表、自动减压阀、自动排气阀是否正常;废弃旧沼气池及管道要及时拆除或回填。

3.3冬季保温

有资料表明,当气温在6℃左右时,地下1.5m处温度12～13℃左右,对于大多数地下式或半地下式沼气池仅可以进行常温发酵,一般产沼气0.08～0.10m3/m3·d-1,远远低于7～8月份的0.20～0.30 m3/m3·d-1。为了提高沼气产气率,建议将沼气池建于背风向阳处,沼气池进、出料口和水箱都要加盖农作物秸秆等保温,补料时可适当添加热性原料,如酒糟、马粪等,有条件的地方,可以在补料时加一些热水以提高池内温度。

4沼气利用技术展望

2009年2月,“湖北省恩施州生态家园户用沼气池”项目获联合国批准,成为农村户用沼气国内首个清洁发展机制(CDM)项目,通过实施以户用沼气池建设为重点的“一池三改”模式,把沼气池建设同改厨、改圈、改厕结合起来,改变农村现有开放式厌氧猪粪便及污水管理方式,减少农户猪粪便及污水的甲烷排放。预计该项目10年可为3.3万农户带来6 000万元的直接经济效益。

沼气是一种高热值的清洁燃料,并且可以提纯甲烷作为高纯度燃料使用,厌氧发酵可以消解一些对环境污染严重的有机物质,同时在厌氧发酵过程中可以杀灭一些有害的细菌和害虫虫卵,减少生物质直接丢弃引发农作物病虫害的危险。利用厌氧发酵处理畜禽粪便生产沼气,解决了因畜禽养殖规模扩大带来的环境恶化问题,极大地改善了农业的生态环境,提高了人们的生活质量,促进了农业的可持续性发展,因此,该项技术应用前景广阔,经济和社会效益显著。

(未完待续)