（农业电气化与自动化专业论文）基于智能鸡舍的太阳能沼气工程的技术研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得塑皇堡盔些盘堂或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：熬抛2 6 ；7签字日期：矽7 年6 月上日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塑皇堡盔些盘鲎有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权塑皇垦盛些盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：压批蚴导师签名：疑 签字日期：l 年6 月步 e 1 签字日期：切年占月上 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 摘要 蛋鸡养殖业是中国农村经济的优势产业，规模化蛋鸡养殖场已成为我国蛋鸡产蛋 的主体。然而，规模化蛋鸡养殖在实现集约经济优势的同时，也带来了严重的环境 染问题。为防治蛋鸡养殖污染，保护环境，保障人体健康，国家制定了相关的管理 法。因此，实现对蛋鸡粪便的治理利用，加强蛋鸡养殖污染防治工作，走可持续生 农业发展道路是是全面落实科学发展观、建设社会主义新农村、实现和谐社会目标 必然要求。经过不断研究和摸索，沼气工程是蛋鸡养殖场废弃物污染治理的最主要 决办法。通过发展沼气工程，规模化蛋鸡养殖场不但可以治理污染，还可以取得一 的经济效益，沼气工程所产生的副产品，沼气、沼液和沼渣都具有很好的经济用途。 然而，在实践中我国规模化蛋鸡养殖场沼气工程的发展程度却很低。 本课题将设计一种沼气工程一太阳能辅助加热式沼气工程，该工程主要包括太阳 能辅助加热式蛋鸡粪便沼气发酵系统、太阳能沼气工程发电系统。力图用该系统解决 上述制约蛋鸡养殖业发展的一系列生态环境恶化问题。 太阳能辅助加热式蛋鸡粪便沼气发酵系统由太阳能集热循环装置、软体沼气发生 器、温室增温系统3 部分组成。太阳能辅助加热式沼气工程是利用太阳能集热系统 和太阳能热水器对沼气工程中的反应池加热，可为生物发酵提供适宜的温度环境，提 高产气量。同时给沼气发生器增温，使其温度达到沼气充分发酵的恒温状态，从而获 得最大的产气率与最稳定的气源。 沼气发电是一个系统工程，它包括沼气预处理系统、沼气发电系统、静音系统、 电力上网系统以及系统配套设施等多项单元技术的组合而成。沼气发电具有创效、节 能、安全和环保等综合效益。沼气发电是一项利国利民的工作，它在一定程度上改善 能源结构，缓解区域性电力短缺，提高企业生产效益。沼气经过燃烧发电以后，不但 降低了直接排放给环境带来的污染，而且也消除了直接排放带来的安全隐患。 本文仅就太阳能辅助加热式沼气工程在蛋鸡养殖场的具体应用进行初步探讨研究， 以期为智能化鸡舍中太阳能沼气工程的工艺设计提供参考。为蛋鸡养殖场畜禽粪便作 为可再生能源在替代其他燃料、农药、肥料等方面探索新的途径。 关键词：蛋鸡；太阳能；沼气工程；发电系统 et e c h n o l o g yr e s e a r c ho fs o l a rb i o g a sp r o j e c tb a s e do ni n t e l l i g e n tc h i c k e ns h e d s a u t h o r ：z t m om e ij u a n m a j o r ：a g r i c u l t u r a le l e c t r i f i c a t i o na n da u t o m a t i o n a d v i s o r ：j i al a n y i n g a b s t r a c t e g g - l a y i n gc h i c k e n sb r e e d i n gi so n eo ft h ea d v a n t a g ei n d u s t r yi nc h i n a sr u r a le c o n o m y ，l a r g e s c a l ee g g - l a y i n gc h i c k e n sb r e e d i n gf a r m sh a v eb e c o m em a i nb o d yo fc h i n a se g gp r o d u c t i o n s c a l e f a r m i n gh a st o o kt h ea d v a n t a g eo fi n t e n s i v ee c o n o m i c ，h o w e v e r i th a sa l s ob r i n g st h es e r i o u sp r o b l e m s o fe n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n i no r d e rt o p r e v e n ta n dc o n t r o le g gl a y e rb r e e d i n gf a r mp o l l u t i o na n d p r o t e c tt h ee n v i r o n m e n t ，s a f e g u a r d i n gh u m a nh e a l t h ，o u rc o u n t r yh a sf o r m u l a t e sr e l e v a n tm a n a g e m e n t m e a s u r 髓t h e r e f o r e ，t h er e a l i z a t i o no fc h i c k e nm a n u r et r e a t m e n ta n du t i l i z a t i o n ，s t r e n g t h e nt h ew o r ko f l a y i n gh e n sb r e e d i n gp o l l u t i o np r e v e n t i o n , a n dt a k et h er o a do fs u s t a i n a b l ee c o - a g r i c u l t u r a l d e v e l o p m e n ti st h er e q u i r e so fc o m p r e h e n s i v ei m p l e m e n t a t i o no ft h es c i e n t i f i cd e v e l o p m e n tc o n c e p t a n db u i l d i n gan e ws o c i a l i s tc o u n t r y s i d e ，t h ei n e v i t a b l eg o a lo f a c h i e v i n gah a r m o n i o u ss o c i e t y t h r o u g h c o n t i n u o u sr e s e a r c ha n de x p l o r a t i o n , f a r mb i o g a sp r o j e c ti so n eo ft h ei m p o r t a n ts o l u t i o n st oc o n t r o l l a y i n gh e n sf a r mw a s t ep o l l u t i o n d e v e l o p i n gb i o g a sp r o j e c t s ，l a r g e s c a l eh e n sb r e e d i n gf a r m sc a l ln o t o n l yc a nc o n t r o lp o l l u t i o nb u ta l s oc a l lo b t a i nc e r t a i ne c o n o m i cb e n e f i t s ，b y p r o d u c t sp r o d u c e db y b i o g a s ，b i o g a s ，b i o g a ss l u r r ya n dr e s i d u eh a sag o o de c o n o m i cu s e h o w e v e r i np r a c t i c e ，t h el e v e lo f l a r g e - s c a l eb i o g a sp r o j e c td e v e l o p m e n ti sv e r yl o wi no u rc o u n t r y t h i st o p i cw i l ld e s i g nab i o g a sp r o j e c t s o l a ra s s i s t e dh e a t i n gg a sp r o j e c t , t h ep r o j e c tm a i n l y i n c l u d es o l a ra s s i s t e dh e a t i n gl a y e rm a n u r eb i o g a ss y s t e m s ，s o l a rb i o g a sp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m t h e s y s t e mt r yt o u s et h i ss y s t e ms o l v et h ee n v i r o n m e n t a ld e g r a d a t i o np r o b l e m sw h i c hc o n s t r a i n st h e d e v e l o p m e n to fl a y i n g - e g gh e n sb r e e d i n gi n d u s t r y s o l a ra s s i s t e dh e a t i n gs y s t e ml a y e rm a n u r em e t h a n ef e r m e n t a t i o nc y c l eb yt h es o l a rc o l l e c t o r d e v i c e ，s o f t w a r eg a sg e n e r a t o r s ，g r e e n h o u s ew a r m i n gs y s t e m3p a r t s s o l a ra s s i s t e dh e a t i n gi st h eu s eo f b i o g a sa n ds o l a rw a t e rh e a t e rs o l a rc o l l e c t o rs y s t e mo nt h eb i o g a sr e a c t o ri nt h eh e a t , c a np r o v i d et h e r i g h tt e m p e r a t u r ef e r m e n t a t i o ne n v i r o n m e n t ，i m p r o v i n gg a sp r o d u c t i o n a tt h es a m et i m et ot h eg a s g e n e r a t o rt e m p e r a t u r e ，s ot e m p e r a t u r em e t h a n ef e r m e n t a t i o nt e m p e r a t u r es u f f i c i e n tc o n d i t i o nf o r m a x i m u m g a sp r o d u c t i o nr a t ea n dt h em o s ts t a b l eg a ss u p p l y b i o g a sp o w e rg e n e r a t i o ni s as y s t e m a t i cp r o j e c t ，w h i c hi n c l u d e sg a sp r e t r e a t m e n t s y s t e m ，b i o g a sp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m ，m u t es y s t e m ，p o w e rs y s t e m sf a c i l i t i e sa n dm a n y t e c h n o l o g ys y s t e m s b i o g a sp o w e rg e n e r a t i o nh a st h eb e n e f i to fe n e r g ys a v i n g ，h i g hs a f e t y a n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o ne f f e c t s b i o g a sp o w e rg e n e r a t i o ni saw o r kw h i c hb e n e f i t s t h ec o u n t r y ，a n dt os o m ee x t e n t ，i m p r o v e se n e r g ys t r u c t u r e ，e a s e st h er e g i o n a lp o w e r s h o r t a g e ，i m p r o v esp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y a f t e rt h eb i o g a sg e n e r a t ep o w e rt h r o u g h c o m b u s t i o n , i th a sn o to n l yr e d u c e dt h ed i r e c td i s c h a r g eo fp o l l u t i o nt ot h ee n v i r o n m e n t ， b u ta l s oe l i m i n a t e dt h es e c u r i t yr i s k sc a u s e db yd i r e c te m i s s i o n s t h i sa r t i c l eo n l yi nr e s p e c to fs o l a ra s s i s t e dh e a t i n gi nt h el a y e rf a r m sb i o g a sp r o j e e t sp r e l i m i n a r y d i s c u s s i o no ft h es p e c i f i ca p p l i c a t i o nt oi n t e l l i g e n tc h i c k e nc o o pf o rt h eb i o g a st e c h n o l o g yi nt h ed e s i g n o fs o l a re n e r g yt op r o v i d er e f e r e n e e f o rt h el a y e rf a r ma n i m a lm a n u l 屯a sas u b s t i t u t e f o ro t h e r r e n e w a b l ee n e r g yf u e l s ，p e s t i c i d e s ，f e r t i l i z e r s ，e t e t oe x p l o r en e w w a y s k e yw o r d s ：e g gl a y i n gh e n s ；s o l a re n e r g y ；b i o g a sp r o j e c t ：p o w e rs y s t e m 目录 1 绪论1 1 1 课题的意义：2 1 2 沼气工程概述2 1 2 1 沼气简介2 1 2 2 国外研究现状5 1 2 3 国内研究现状6 1 2 4 沼气工程简介7 1 3 太阳能沼气工程概述1 l 1 4 研究思路及研究内容1 2 2 太阳能沼气工程标准设计1 3 2 1 太阳能温室1 3 2 1 1 太阳能温室类型1 3 2 1 2 太阳能温室设计1 5 2 2 辅助加热设备1 6 2 2 1 生物质辅助加热系统1 6 2 2 2 加热炉的设计1 7 2 3 预加热发酵池1 7 2 4 进料口1 7 2 5 出料间及水压间1 8 2 6 发酵间1 8 2 6 1 池体。1 8 2 6 2 上盖1 8 2 6 3 发酵间压力1 9 2 7 储气罐1 9 2 8 气水分离器、脱硫器、阻火器2 0 2 8 1 气水分离器2 0 2 8 2 脱硫器2 l 2 8 3 阻火器2 1 2 9 配套蛋鸡养殖场规模与设计2 2 2 9 1 蛋鸡养殖场设计2 2 2 9 2 蛋鸡养殖场规模j 2 3 3 太阳能沼气工程规划设计2 7 3 1 太阳能沼气工程规划建设内容2 7 3 2 沼气工程建设规模分类2 8 3 3 沼气工程设计工艺参数的选择2 9 3 3 1 沼气发酵工艺类型2 9 3 3 2 沼气发酵工艺条件3 0 3 3 3 沼气发酵装置的选择3 3 3 3 4 沼气的净化3 4 3 3 5 沼气储存3 5 3 4 沼气、沼肥、沼液综合利用3 5 3 4 1 沼气发电3 5 3 4 2 沼液、沼肥的综合利用3 5 4 太阳能沼气工程发电系统设计3 7 4 1 工艺流程介绍3 7 4 2 沼气预处理系统3 8 4 3 沼气发电系统3 9 4 3 1 沼气内燃机3 9 4 3 2 发电机4 0 4 3 3 热回收装置4 l 4 4 静音系统4 l 4 5 电力上网系统4 2 4 6 系统经济性分析4 2 4 7 环境效益分析4 2 5 研究结论与建议4 4 5 1 结论4 4 5 2 建议4 4 参考文献4 6 攻读学位期间公开发表的论文4 8 作者简历4 9 致谢5 0 基于智能鸡舍的太阳能沼气工程的技术研究 1 绪论 改革开放以来，我们国家出台了一系列鼓励畜牧业发展的方针、政策，畜禽养殖 业得到了前所未有的高速发展，并一跃成为世界畜牧业生产大国。养殖业的发展不仅 表现在畜禽数量的增加，还表现在迅速由庭院式、分散式向规模化、集约化方向发展 n 】 o 我国畜禽养殖业的迅猛发展带来的环境污染问题已引起越来越多的关注和重视。 为防治畜禽养殖污染，保护环境，保障人体健康，国家制定了相关的管理办法。在国 家加强畜禽养殖业环境管理的同时，提供必要的技术和信息服务，以推动管理办法的 实施，协调环境保护与经济发展的关系，引导畜禽养殖业走可持续发展道路，也是政 府和相关科技单位关注的内容口，。 畜禽养殖业污染主要来源于畜禽排泄物，畜禽养殖场中高浓度、未经处理的污水 和固体粪污以及恶臭气体等对水体、大气、土壤、人体健康及生态系统造成直接或间 接的影响。畜禽粪污被降水淋洗冲刷进入自然水体后，使水中的固体悬浮物、有机物 和微生物含量升高，改变水体的物理、化学和生物群落组成，使水质变坏。 畜禽排泄物目前主要有两种：一是自然堆沤处理方式，占9 0 9 6 以上。即经人工分 离将粪便中干污物进行自然堆沤，发酵后作肥料返田，分离后的污水集中储存、自然 发酵后，部分用作农田，其余外排。这种方式造成恶臭熏天、蚊蝇满地、病菌滋生； 同时由于农业用肥的季节性，每年有8 - 9 个月污水直接外排。二是厌氧生物处理，即 通过建设沼气工程处理污水。这种方式是将固定在生物质内的能量转化为甲烷气能的 一种技术，特别适应于畜禽粪便、污水、有机垃圾的处理，因此是一种既具有环保作 用，又能开发生物质能的技术手段。这种方式处理后可实现粪污的综合利用，变害为 利。每处理i k g 畜禽粪污可获得一定的沼气( 可发电0 4 度) ：沼液、沼渣可用于生 产绿色食品的优质肥，部分还可作饲料养鱼等口1 。 大型养殖场沼气工程日渐成为利用厌氧消化技术开发利用畜禽养殖粪便的热点 和重点，是消除畜禽养殖废弃物污染和开发生物质能的重要手段之一。厌氧消化新工 艺的采用推动了前后处理技术的日趋完善。 厌氧消化是一种普遍存在于自然界的生物学过程，是一个复杂的过程h 。厌氧消 化是指在没有游离氧的情况下，以厌氧微生物为主对复杂的有机化合物降解，转化为 简单、稳定的化合物，同时释放一种可燃烧和可回收利用的甲烷形态出现的能量，一 种无害化处理方法瞄1 。其发生和发展是多种微生物按照各自的营养需要( 食物链) ，并 由不同物质转化作用的生命活动的结果，是一种极其复杂的微生物和化学反应过程。 在这个过程中，有机物不断被几种微生物分解，最后将其中的碳以甲烷和二氧化碳的 形式释放出来。工业化的厌氧消化工艺是指人工的控制厌氧消化所需要的环境条件和 营养条件，使整个发酵过程快速、高效、稳态的进行。这可使自然厌氧发酵的时间降 低几十倍。 河北农业大学硕士毕业论文 1 1 课题的意义 蛋鸡养殖业是中国农村经济的优势产业，规模化蛋鸡养殖场已成为我国蛋鸡产蛋 区的主体。然而，规模化蛋鸡养殖在实现集约经济优势的同时，也带来了严重的环境 污染问题。太阳能沼气工程是蛋鸡养殖场废弃物污染治理的最主要解决办法。通过发 展太阳能沼气工程，规模化蛋鸡养殖场不但可以治理污染，还可以取得一定的经济效 益，太阳能沼气工程所产生的副产品，沼气、沼液和沼渣都具有很好的经济用途。然 而，在实践中我国规模化蛋鸡养殖场太阳能沼气工程的发展程度却很低。通过对规模 化蛋鸡养殖场太阳能沼气工程的可行性技术研究和实践所得出的结论，不仅可以为政 府部门制定沼气工程发展政策和寻找蛋鸡养殖污染治理策略提供决策基础，而且对社 会主义新农村建设和蛋鸡养殖业健康持续发展都具有重要的现实意义。 1 2 沼气工程概述 1 2 1 沼气简介 沼气是由意大利物理学家a 沃尔塔于1 7 7 6 年在沼泽地发现的。1 9 1 6 年俄国人b 奥梅良斯基分离出了第一株甲烷菌( 但不是纯种) 。中国于1 9 8 0 年首次分离甲烷 八叠球菌成功。目前世界上已分离出的甲烷菌种近2 0 株。 在日常生活中，特别是在气温较高的夏、秋季节，人们经常可以看到从死水塘、 污水沟、储粪池中，咕嘟咕嘟地向表面冒出许多小气泡，如果把这些小气泡收集起来 用火去点，便可产生蓝色的火苗，这种可以燃烧的气体就是沼气。 沼气是可再生能源中的一种生物质能源，是人畜粪尿、生活污水和植物茎叶等各 种有机物质在隔绝空气( 还原条件) ，并在适宜的温度、湿度、酸碱度和厌氧条件下， 经过凼气微生物等多种厌氧微生物分解转化而产生的一种方便、清洁、优质的可燃烧 气体，是一种高品位的清洁能源，可以直接炊事和照明，也可以供热、烘干、贮粮。 沼气是一种混合气体，它的主要成分是甲烷( c h 4 ，约占6 0 - 7 0 ) 和二氧化碳( c d ， 约占3 0 一3 5 ) ，另外还有少量的氢气( 鼠) 、一氧化碳( c o ) 、硫化氢( h s ) 、 氮气( ，) 和氨气( n h s ) 等成分，不同组分沼气的主要特性参数如表1 1 所示。甲烷是 一种理想的气体燃料，它无色无味，与适量空气混合后即能燃烧。每立方米纯甲烷的 发热值为3 4 0 0 0 焦耳，每立方米沼气的发热量约为2 0 8 0 0 焦耳- 2 3 6 0 0 焦耳。即1 立 方米沼气完全燃烧后，能产生相当于0 7 千克无烟煤提供的热量。与其它燃气相比， 其抗爆性能较好，是一种很好的清洁燃料。沼气除直接燃烧用于炊事、烘干农副产品、 供暖、照明和气焊等外，还可作内燃机的燃料以及生产甲醇、福尔马林、四氯化碳等 化工原料。 2 基于智能鸡舍的太阳能沼气工程的技术研究 裹1 1 不同组分沼气的主要特性参数 t a b l 1t h em a i nc h a r a c t e r i s t i c so f t h ed i f f e r e n tp a r a m e t e r so f b i o g a sc o m p o n e n t s 沼气是一种无公害气体，有轻微臭鸡蛋味，燃烧后，臭鸡蛋味消除。沼气的性质： l 、热值：甲烷是一种发热相当高的的优质气体燃料。 2 、比重：与空气相比，甲烷的比重为0 5 5 ，沼气较轻，分布在上层；二氧化碳 较重，分布于下层。 3 、溶解度：甲烷在水中的溶解度很小。 4 、临界温度和压力i 平均临界温度为_ 3 7 0 c ，平均临界压力为5 6 6 4 x 1 0 5 帕，所 以沼气只能以管道输气。 5 、燃烧特性：一一个体积的沼气需要6 - 7 个体积的空气才能充分燃烧。可分为天 然沼气和人工沼气两大类，人工沼气和天然沼气的差异见表1 2 。 表1 2 人工沼气和天然沼气的差异 t a b l 2d i f f e r e n c e sb e t 、嗍ia r t i f i c i a lg a sa n dn a t u r a lg a s 人工沼气是在人为创造厌氧微生物所需要的营养条件和环境条件下，在特定的设 施里，积累高浓度厌氧微生物，分解发酵配制好的有机物质而产生的沼气。我们现在 所说的沼气一般指的都是人工沼气。沼气的组成成分不仅随生产沼气原料的种类和比 例的不同而有所变化，也会因发酵条件及发酵阶段的不同而有所差异。 沼气发酵是由多种发酵微生物参加完成的，沼气发酵微生物是一个统称，包括发 酵性细菌、产氢产乙酸菌、耗氢产乙酸菌、食氢产甲烷菌、食乙酸产甲烷菌五大类群。 五大类群细菌构成一条食物链，从各群细菌的生理代谢产物或它们的活动对发酵液 p h 值的影响来看，沼气发酵过程可分为水解、产酸和产甲烷阶段。前三类群细菌的 活动可使有机物形成各种有机酸，因此，将其统称为不产甲烷菌。后二类群细菌的活 动可使各种有机酸转化成甲烷，因此，将其统称为产甲烷菌。 ( 1 ) 不产甲烷菌 3 河北农业大学硕士毕业论文 不产甲烷菌能将复杂的大分子有机物变成简单的小分子量的物质。作为甲烷菌转 化沼气的前体，为产甲烷菌提供营养并清除有毒物质。它们的种类繁多，是不产甲烷 阶段起主要作用的菌群。根据作用基质来分，有纤维分解菌、半纤维分解菌、淀粉分 解菌、蛋白质分解菌、脂肪分解菌和一些特殊的细菌，如产氢菌、产乙酸菌等。 ( 2 ) 产甲烷菌 产甲烷菌是沼气发酵的主要成分甲烷的产生者，产甲烷菌能将小分子量化合物 转化成沼气，是沼气发酵微生物的核心，产甲烷菌要求严格的厌氧环境，对氧和氧化 剂非常敏感，最适宜的p h 值范围为中性或微碱性。它们依靠二氧化碳和氢生长，并 以废物的形式排出甲烷，是要求生长物质最简单的微生物。 产甲烷菌和不产甲烷菌按照各自的营养需要，起着不同的物质转化作用。从复杂 有机物的降解到甲烷的形成，是沼气微生物菌群分工合作和相互作用而共同完成的。 生物的活动以新陈代谢为基础。沼气发酵微生物的生长和代谢过程可分为以下4 个时期。 适应期。菌种刚刚接入培养液中，生物菌的生理机能需要有个适应过程，细胞 内各种酶系统要经过一番调整，在这一时期生物菌并不马上进行繁殖 对数生长期细胞经过一段时间的适应后，逐步以最快速度进行繁殖，即按 l ，2 ，4 ，8 ，1 6 的级数上升。这段时间内发酵产物的增长速度随细胞数量的增加而上 升。 平衡期。微生物细胞经过一定时期高速繁殖后，由于营养的消耗、代谢产物的 积累，以及酸碱度和氧化还原势等诸多环境条件的变化，使得细胞繁殖速度减慢少数 细胞开始死亡，在一定时期内繁殖速度与死亡速度相对平衡。 衰亡期。由于培养基中营养物质的显著减少，环境条件越来越不适宜微生物的 生长繁殖，细胞死亡速度加快，以至细胞死亡数目大大超过新生数目，活性菌总数明 显下降。 在生长期内，微生物生理活性最强，生长速度较快。采用这一时期的微生物进行 接种，可以缩短适应期。如果采用连续投料发酵方法，可以使微生物始终在适宜的条 件下旺盛生长可提高产气量。 这些微生物在沼气池中进行新陈代谢和生长繁殖的过程中，需要一定的生存条件， 利用人工为其创造适宜的生长条件，可以使大量的微生物迅速繁殖，加快沼气池内的 有机物分解。而且，控制沼气池内发酵过程的正常运行，也需要一定的条件。沼气发 酵是一种复杂的生化反应过程，沼气发酵的基本历程示意如图1 3 所示。这个过程分 三个阶段： 第一阶段是液化阶段，即微生物通过分解菌的作用使固体物质转化成可溶于水的 物质。 第二阶段是产酸阶段，可溶性物质在分解菌的作用下继续分解转化成低分子物 质，如甲醇、乙醇、甲酸、乙酸等，在这个阶段，主要产物是乙酸，占7 0 以上，所 以称为产酸阶段。 第三阶段是产甲烷阶段，在这个阶段中严格厌氧的产甲烷菌把产酸阶段形成的小 4 基于智能鸡舍的太阳能沼气工程的技术研究 分子化合物通过一步或几步的还原作用，最终形成甲烷和二氧化碳。 单糖 低聚塘 丁酸 叫以+ c 0 2l 多糖液化 产酸 脂肪酸 丙酸 产甲烷 脂类 乙酸 氨基酸 叫c h ：c o o hi 蛋白 璺醋 图1 3 沼气发酵的基本历程示意 f i 9 1 3t h ei n d i c a t eo f b a s i cp r o c e s so f m e t h a n ef e r m e n t a t i o n 沼气发酵液的温度，对沼气的产生量影响很大，这是因为微生物对温度变化十分 敏感，温度突升或突降，都会影响微生物的生命活动，影响产气状况。 在适宜的温度范围内，温度越高，沼气细菌的生长、繁殖就越快、产沼气就越多； 如果温度不适宜，沼气细菌生长发育就慢、产气就少或不产气。所以，温度是沼气产 生的重要条件之一。 沼气发酵可分为三个发酵区，即常温发酵区1 0 0 c - 2 6 0 c ，中温发酵区2 8 0 c - 3 8 0 c ( 最适温度为3 5o c ) ；高温发酵区4 6 0 c - 6 0 0 c 。一般情况下，沼气细菌在8 0 c - 6 0 0 c 范围内都能进行发酵。在这一温度范围内，一般温度愈高，微生物活动愈旺盛，产气 量愈高1 。 。有资料表明：当发酵温度从3 5o c 降为2 5 0 c 时，仍可获得3 5 0 c 时产气量的8 5 ； 当降至1 5o c 时，也还有6 3 的沼气产生。在我国绝大部分地区，如果要使沼气发酵 常年稳定运行，必须采取增温保温措施，使沼气发酵温度保持恒定，不受外界气温变 化影响，以保证充足的产气量。 1 2 2 国外研究现状 世界上第一个沼气发生器( 又称自动净化器) 是由法国l 穆拉于1 8 6 0 年将简易 沉淀池改进而成的。1 9 2 5 年在德国、1 9 2 6 年在美国分别建造了备有加热设施及集气 装置的消化池，这是现代大、中型沼气发生装置的原型。第二次世界大战后，沼气发 酵技术曾在西欧一些国家得到发展，但由于廉价的石油大量涌入市场而受到影响。后 随着世界能源危机的出现，沼气又重新引起人们重视。1 9 5 5 年新的沼气发酵工艺流 程高速率厌氧消化工艺产生。它突破了传统的工艺流程，使单位池容积产气量( 即 产气率) 在中温下由每天l 立方米容积产生0 7 立方米一1 5 立方米沼气，提高到4 立 方米一8 立方米沼气，滞留时间由1 5 天或更长的时间缩短到几天甚至几个小时。 由于能源问题愈演愈烈，世界各国都已经意识到沼气的重要作用，开始大力扶持 沼气开发项目。目前，世界各国已经开始将沼气用作燃料和用于照明。用沼气代替汽 油、柴油，发动机器的效果也很好。将它作为农村的能源，具有许多优点。例如，修 5 河北农业大学硕士毕业论文 建一个平均每人l 平方米一1 5 平方米的发酵池，就可以基本解决一年四季的燃柴和 照明问题。人、畜的粪便以及各种作物秸秆、杂草等，通过发酵后，既产生了沼气， 还可作为肥料，而且由于腐蚀程度很高使的肥效也很高。粪便等沼气原料经过发酵后， 绝大部分寄生虫卵被杀死，可以改善农村卫生条件，减少疾病的传染。现在，沼气的 应用正在各国广大农村推广，沼气能源的开发利用的普及等方面，已经取得了较好的 成绩。 世界上一些发达国家，也正在进行利用微生物厌氧消化农场废物、生产甲烷的较 大规模试验。英国建立了甲烷的自动化工厂。据估计，在英国，利用人和动物的各种 有机废物，通过微生物厌氧消化所产生的甲烷，可以替代整个英国2 5 的煤气消耗 量。苏格兰已设计出一种小型甲烷发动机，可供村庄、农场或家庭使用。美国一牧场 兴建了一座工厂，主体是一个宽3 0 米、长2 1 3 米的密封池组成的中烷发酵结构，它 的任务是把牧场厩肥和其他有机废物，由微生物转变成甲烷、二氧化碳和干燥肥料。 这座工厂每天可处理1 6 5 0 吨厩肥，每日可为牧场提供1 1 3 万立方米的甲烷，足够1 万户家庭使用。目前美国已拥有2 4 处利用微生物发酵的能量转化工程。从世界范围 看，利用各种微生物协同作用生产甲烷的研究和应用，正处于方兴未艾的阶段。 1 。2 3 国内研究现状 近年来，中国沼气事业获得了迅速的发展，沼气池总数已达到1 0 0 0 多万个。我 国的沼气最初主要为农村户用沼气池，2 0 世纪7 0 年代初，为解决的秸秆焚烧和燃料 供应不足的问题，我国政府在农村推广沼气事业，沼气池产生的沼气用于农村家庭的 炊事来逐渐发展到照明和取暖。目前，户用沼气在我国农村仍在广泛使用。我国的大 中型沼气工程始于1 9 3 6 年，此后，大中型废水、养殖业污水、村镇生物质废弃物、 城市垃圾沼气的建立拓宽了沼气的生产和使用范围。随着我国经济发人民生活水平的 提高，工业、农业、养殖业的发展，大废弃物发酵沼气工程仍将是我国可再生能源利 用和环护的切实有效的方法口】。 自8 0 年代以来建立起的沼气发酵综合利用沼气技术为纽带，物质多层次利用、 能量合理流动的高效农业产模式，巳逐渐成为我国农村地区利用沼气技术促进可持续 发展的有效方法。通过沼气发酵综合利用技术沼气用于农户生活用能和农副产品生 产、加工，沼液用料、饲料、生物农药、培养料液的生产，沼渣用于肥料的生产，我 国北方推广的塑料大棚、沼气池、禽畜舍和相结合的“四位一体沼气生态农业模 式、中部地区的以沼气为纽带的生态果园模式、南方建立的“猪一果”模式、以及其 他地区因地制宜建立的“养殖一沼气一植”、“猪一沼一鱼 和“草一牛一沼，等模 式都是以业为龙头，以沼气为纽带，对沼气、沼液、沼渣的多层次利用的生态农业模 式，沼气发酵综合利用生态农业模式的建立使农村沼气和农业生态紧密结合起来，是 改善农村环境卫生的有效措施，是发展绿色种植业、养殖业的有效途径，已成为农村 经济新的增长点。 6 基于智能鸡舍的太阳能沼气工程的技术研究 在四川、浙江、江苏、广东、上海等省市农村，有些地方除用沼气煮饭、点灯外， 还办起了小型沼气发电站，利用沼气能源作动力进行脱粒、加工食料、饲料和制茶等， 闯出了用“土”办法解决农村电力问题的新路子。专家们认为，2 1 世纪沼气在农村 之所以能够成为主要能源之一，是因为它具有不可比拟的特点，特别是在中国的广大 农村，这些特点就更为显著了。 首先，沼气能源在中国农村分布广泛，潜力很大，凡是有生物的地方都有可能获 得制取沼气的原料，所以沼气是一种取之不尽，用之不竭的再生能源。其次，可以就 地取材，节省开支。沼气电站建在农村，发酵原料一般不必外求。兴办一个小型沼气 动力站和发电站，设备和技术都比较简单，管理和维修也很方便，大多数农村都能办 到。据调查对比，小型沼气电站每千瓦投资只要4 0 0 元左右，仅为小型水力电站的 1 2 1 3 ，比风力、潮汐和太阳能发电低得多。小型沼气电站的建设周期短，只要几 个月时问就能投产使用，基本上不受自然条件变化的影响。采用沼气与柴油混合燃烧， 还可以节省1 7 的柴油。中国地广人多，生物能资源丰富。研究表明，在2 l 世纪无 论在农村还是城镇，都可以根据本地的实际情况，就地利用粪便、秸秆、杂草、废渣、 废料等生产的沼气来发电。 1 2 4 沼气工程简介 沼气工程是十九世纪中期才提出的一项全新的、多学科相互渗透的工程技术。它 是属于一个正在逐步形成过程中的新学科。 沼气工程( b i o g a s e n g i n e e r i n g ) 是指采用厌氧消化技术处理各类有机废弃物 ( 水) ，并制取沼气的系统工程设施( 农业部，2 0 0 7 ) 。根据农业部2 0 0 6 年1 2 月发布的 规模化畜禽养殖场沼气工程设计规范 ( n y t 1 2 2 2 2 0 0 6 ) ，规模化畜禽养殖场沼气 工程指的是以规模化畜禽养殖场粪便污水的厌氧消化为主要技术环节，集污水处理、 沼气生产、资源化利用为一体的系统工程嘲。 按应用领域分类，沼气工程可分为工业沼气工程和农业沼气工程。 工业沼气工程多数是处理食品工业排放的有机废水，例如酒精醪液、淀粉废水、 柠檬酸废水和屠宰废水等。多数工业沼气工程是与工厂的污水处理相结合，是采用厌 氧好氧生物法处理食品工业有机废水的一部分。 农业沼气工程主要是用于处理畜禽粪污或农业有机废弃物，或者是为炊事集中供 气。按厌氧消化器的容积、沼气的日产量和系统的配置等，农业沼气工程可分为大型、 中型和小型。沼气工程规模分类宜按沼气工程的厌氧消化装置容积，日产沼气量，以 及配套系统的配置等综合评定。表1 4 列出了大型、中型、小型沼气工程的主要指标。 7 河北农业大学硕士毕业论文 注：沼气日产量指标是厌氧消化温厦1 2 5 1 2 条件f ，总体装置趵滑气最低日产量 厌氧消化装置是指在厌氧状态下，利用微生物分解有机物并产生沼气的装置。 单体装置容积指一个厌氧消化装置的容积。 总体装置容积指两个或两个以上的厌氧消化装置容积的总和。 配套系统指发酵原料的预处理( 沉淀、调节、计量、进出料、搅拌等) 系统；沼 渣、沼液综合利用或进一步处理系统；沼气的净化、储存、输配和利用系统。 沼气工程是一个系统工程，要比户用水压式沼气池复杂得许多。沼气工程需要配 套必要的原料前处理设施，比较适合的高效厌氧消化器，沼渣、沼液暂存及后处理设 施，沼气净化、储存、输配、利用系统和运行参数监测系统等。以厌氧消化器为核心 的全套设施优化组合的工艺设计构成了沼气工程技术。目前我国沼气工程技术的主要 工艺模式有以下4 种。 ( 1 ) 常规厌氧消化反应器 常规厌氧消化反应器是一种结构简单，应用广泛的工艺类型。该消化器无搅拌装 置，原料在消化器内呈自然沉淀状态，一般分为4 层，从上到下依次为浮渣层、上 清液层、活性层和沉渣层，其中厌氧消化活动旺盛场所只限于活性层内，因此效率较 低。该种消化反应器多在常温条件下运行，我国农村常用的水压式沼气池即属此类。 ( 2 ) 全混式反应器 全混式厌氧消化反应器( c s t r ) 是在常规消化器内安装了搅拌装置，其结构比较 复杂。与常规消化器相比，发酵原料和微生物处于完全混合状态，活性区遍布整个消 化器，比常规消化器的效率明显提高。该消化器常采用恒温连续投料或半连续投料运 8 基于智能鸡舍的太阳能沼气工程的技术研究 行，适用于浓度高、含有大量悬浮固体原料的污水处理厂，好氧活性污泥的厌氧消化 多采用此工艺。由于搅拌器作用，新进入的原料在消化器内很快与发酵器内的发酵液 混合，使发酵底物浓度始终保持相对较低状态，而排出的料液又与发酵液的底物浓度 相等