沼气发酵产物的综合利用.doc

农业环境科学学报2007，26(增刊)：176180Journal ofAgro-Environment Science沼气发酵产物的综合利用朱磊，卢剑波(浙江大学生命科学学院农业生态研究所，浙江杭州310058)摘要：随着畜禽养殖业的集约化，畜禽粪便的排放越来越集中，大大超过了当地环境的承载能力，对于当地居民的健康和养殖场本身的可持续发展都带来了巨大的压力。为此以对浙江省海宁市同仁养殖场和三联养殖场的调查分析为基础，同时引用其他方面的实例，介绍将畜禽粪便的发酵产物包括沼气、沼液和沼渣综合利用的方式：利用沼气作为燃料，利用其来保鲜水果和发电；利用沼液作为有机肥直接灌溉到农田中，或用作叶面肥，还可以利用沼液来浸种；利用沼渣直接作为有机肥，用来栽种蘑菇或将其加上添加剂制作成有机肥出售。总之，通过对畜禽粪便的发酵，以及对于发酵产物的综合利用，实现了物质和能量的多级利用，有利于可持续发展。关键词：沼气；沼液；沼渣；综合利用；可持续发展中图分类号：X713 文献标识码：A 文章编号：16722043(2007)增刊一017605Integrated Utilization of Fermentation Products from Biogas GeneratorZHU Lei，LU Jian-bo(Agroecology Institute of Life Science Academy，Zhiang University，Hangzhou 310058，China)Abstract：Along with the animal husbandry pattern has been changed from extensive breeding to intensive breeding，wastesfrom the farming industry has receiving more and more attention，as the pollution may overrun carrying environmental capacity，causing heavy pressure to local peopleS health and sustainable development of environmentTaking Tongren Farm of HainingCity and Sanlian Farm of Haining City and other cases as examples this paper，we introduced several utilization ways of biogasrmentation productsFermentation products include biogas，biogas liquid and biogas residueBiogas is used as fuel to cooking，to keep fruits flesh and to generate electricityHowever，biogas liquid was used to irrigate to farm land as the manure，tospray to over crop leaves as leaf manure and to presoak crop seedIn addition，biogas residue was used as organic manure，tofeed the animal or be produced as organic manure for marketIn a simple word，ferm entation products from animal dung，mayhave multilevel utilizations in an aid of sustainable developmentKeywords：biogas ；biogas liquid；residue；integrated utilization；sustainable development随着我国人民生活水平的不断提高，对肉类食品的需求也在急剧地增加，传统的分散型养殖越来越不能满足人们对肉类的需要，集约化的大型养殖场应运而生。虽然集约化的养殖可以有效降低养殖的成本，更好地对畜禽进行防疫，但是由于畜禽养殖的过于集中，粪便的排放也相对集中，大大超过了当地环境的承受能力，给当地的环境造成了巨大的压力_1 J。畜禽粪便对土地总体负荷警戒安全值以04为宜，而全收稿日期：20061228基金项目：联合国粮农组织(FAO)资助项目(TCPCPR2904(A)作者简介：朱磊(1983一)，男，安徽凤阳人，硕士研究生，主要研究方向为生态工程(农业废弃物的综合利用)。E-mail：zhuleizju126coal国总体平均水平已经达到049，对生态环境构成了明显的威胁态势 J，同时也给当地居民的健康带来影响，制约了养殖场本身的可持续发展。由于畜禽粪便中含有丰富的生物质能，将其转化利用不但可以在一定程度上解决上述问题，而且可以获得能量，发酵产生的沼液、沼渣也可以作为很好的有机肥料 胡J。于是，以畜禽粪便为原料的许多大型沼气发酵工程纷纷亮相，但不同沼气工程对于发酵产物沼气、沼液、沼渣等的利用是不一样的，本文以浙江省海宁市的两项沼气工程(海宁同仁沼气发电工程和海宁市三联养殖场沼气工程)及其他一些沼气工程为例，综述发酵产物的各种不同的利用方式。维普资讯 第26卷增刊 农业环境科学学报浙江省海宁市同仁养殖场是海宁市重要肉猪生产基地。现存栏生猪3 680头。根据同仁养殖场的养殖规模和废弃物排放，结合实际情况：一头生猪每天产粪量高达2 kg左右，产尿约35 kg，加上猪舍冲洗水每头每天1O kg，养殖场日粪便污水排放量为65t_9 J。养殖场建有厌氧发酵池1 000 nl。及相关的配套设施，同时还有两台功率分别为5O和150 kW的发电机。海宁市三联养殖场，常年存栏生猪3 500头，年出栏商品猪1万头以上。养殖过程中产生了大量的猪粪尿和污水，日均在545 t左右。三联养殖场建有沼气池510 m。及相关的配套设施，铺设沼气管道约2 000 m，直接接到居民家中作为炊事使用。1 沼气的综合利用沼气是有机物经厌氧发酵产生的混合性气体，主要成分甲烷(CH )约占沼气总量的5570 ，另外还有二氧化碳(CO )、硫化氢(H：S)、一氧化碳(CO)、氢气(H：)等H。沼气具有很高的热值，可以作为燃烧燃料，同时也可将沼气充入水果储藏室，置换出里面的空气，减少氧气的含量，降低水果等的呼吸速率从而达到保鲜的目的等H 。11沼气作为居民炊事的燃料在我国的广大农村地区长期以来一直使用麦秸、稻草、木柴等来用作炊事和取暖的材料，这样不但会造成对森林等的破坏，而且也会造成农村居民生活的不便，同时，大量的麦秸、稻草堆在房前屋后也会影响农村环境的整洁。海宁市三联养殖场沼气工程发酵产生的沼气经凝水、脱硫等净化处理后进人储气柜，再通过输气管道将沼气输送至农户家中作为炊事的燃料使用，现已有60余户农户常年使用该沼气工程输送的清洁能源沼气。为了使本工程在经济上能够产生一定的效益保证工程的持续运行，所以在农户家中都装有沼气计量表，农户按照实际用的沼气的量交纳费用，每个月沼气使用量5 In。时，价格为03元m；使用量5 m。时，价格为06元m。由于目前的液化气价格比较高，这些使用沼气的村民每年的燃料费用仅相当于使用液化气的110，为农户节省了大笔的开支。另外，沼气的使用还显著地改善了周边农村的环境。12沼气发电沼气具有很高的燃烧值，仅用来作为炊事等的燃料，其利用范围就很窄，若将其转化为电能以后就大大扩大了它的利用范围。在浙江省海宁市同仁养殖场沼气发电工程有两台功率分别为50kW 和150 kW的发电机，发酵产生的沼气经过凝水器和脱硫器分别除去沼气里面含有的水汽和硫化物以后，再经过阻火器进入发电机中与一定比例的柴油混合后进行发电。50 kW发电机发出的电能供养殖场本身和附近的农户使用，150 kW发电机发出的电能供附近的一家砖瓦厂使用 。经过一段时间的统计，参考相应的农户用电量，50 kW发电机平均每小时的发电量为3246kwh，每小时的平均用气量为2O58 m。，用油量为15kg，按照024 kg柴油发一度电计算，15 kg柴油可以发电625 kWh，所以柴油对发电的贡献为199 ，沼气对发电的贡献为801 ，即1 m。沼气可发电158kWh，优于通常情况下的1215 kWh 。日产沼气500 m。，用于发电，按每年正常产气320 d计算，年产气16万m。，每立方沼气可发电158 kwh，电价为0656元kwh，每度电消耗的柴油为0046 kg，柴油的价格按5元kg 计算，每度电的固定资本转移为0156元，所以每度电的成本为0386元，每度电净利润约为03元，每年可创收758万元。养殖场的粪便经过发酵产生沼气，再将沼气中的能量转化为电能又重新被养殖场所使用，很好的实现了能量的多级利用。13利用沼气保鲜水果沼气除作为能源利用之外，还可作为一种保鲜气体，用于粮食、种子的灭虫贮藏和果品、蔬菜的保鲜贮藏，使被储藏物的呼吸强度降低从而达到保鲜的目的。在海宁市同仁养殖场，我们进行沼气保鲜葡萄的试验结果表明，沼气的加入可以使葡萄的腐烂速度减慢从而延长了葡萄的储存期。加入沼气的和没有加入沼气的葡萄在腐烂程度上的变化很明显：没有加入沼气的葡萄在放置15 d以后就开始腐烂，而加入沼气的葡萄至少保存20 d以后才开始腐烂，结果如表1所示。利用沼气来保鲜水果，要注意以下几点：首先，果品在采摘和储存的时候要尽量避免损坏，因为损坏的水果很容易腐烂，在储存时如果发现损坏的水果也要及时将其去除；其次，要控制好储存时的湿度，如果湿度过大也很容易造成水果的腐烂；最后，在沼气加入之前要将沼气进行脱硫，因为硫化物的存在会氧化水果表面，造成水果颜色的改变而影响色泽。2 沼液的综合利用沼液的营养成分很高，但因投料量和加水量的不同，其养分含量都会有所不同m 。一般情况下，人畜维普资讯 178 朱磊等：沼气发酵产物的综合利用 2007年3月表1 沼气通入与葡萄腐烂的关系Table 1 Relationship between biogas inputand decaying degrees of grape粪便通过沼气池的厌氧发酵形成的沼液中，全c平均含量203 mgmL，全N平均含量039 mgmL，全P平均含量037 mgmL，全K平均含量206 mgmL，铵态N平均含量0296 mgmL，速效P平均含量0073 mgmL，速效K平均含量176 mgmL，同时，还有l0多种金属离子 。因此，可以直接将沼液作为有机肥灌溉到农田中，或者是把它作为叶面肥直接喷施均能达到很好的效果。还可以利用沼液来浸种，提高种子的出芽率和以后的生长能力 ，或者将沼液作为一种无毒、无残留的农药来防治农业病虫害 。21沼液作为有机肥直接灌溉在浙江省海宁市三联养殖场沼气工程和同仁养殖场沼气发电工程分别铺设了2 600 m和1 000 m的管道，将发酵产生的沼液作为有机肥直接灌溉到附近的农田里。调查发现，经过沼液灌溉以后可以减少农田化肥的使用量，每年可以为当地农民节省13的化肥投入。同时，沼液的灌溉还可以改良土壤，改善农田土壤结构，增加土壤中有机质的含量，有利于土壤的可持续开发利用。在浙江省杭州市浮山综合生态场的研究表明，如表2所示，连续4 a施用沼液的农田土壤有机质、全N、速效N、速效P和速效K的含量分别比施用化肥的高160 、0116 、12210一、17110 和4310，土壤密度下降了018 gcm，而孔隙度提高了97 。表2 连续4年施用沼液和化肥对农田土壤肥力和结构状况的比较Table 2 Comparison of soil fertility and structure for treated plotswith biogas liquid and chemical fertilizer applied onto fields for 4 successive years22沼液作为叶面肥沼液除了作为有机肥直接施用以外，还可以作为植物的叶面肥进行使用 。为了探讨沼液对幼龄茶树生长状况、茶叶产量等的影响，福建省农科院土肥所通过对比试验发现，沼液能够促进茶树株高的增长，平均每周比对照增高006 cm，增长率为102 ；增加茶叶的百芽重和单叶重，平均增高率分别为19和301；促进茶叶增产，增产率为90l】 。从而，可知沼液是一种很好的叶面肥。23沼液的病虫害防治有资料表明 ，沼气发酵残留物对农田普遍发生的近30种病害具有防治作用，至少有20多种病害的防治效果达到或超过了现行使用的农药效果；在虫害方面，沼气发酵残留物对l9种虫害取得明显的防治效果。在抑制病原菌的研究方面，沼气发酵残留物对大肠杆菌、副伤寒杆菌和猪丹毒杆菌等致病菌有显著抑制作用，对l0株青霉和曲霉有不同的抑制效果，对l7种农作物病原菌有不同程度的抑制作用。长期使用沼气发酵残留物作为农药不会对环境带来污染，也不会产生病虫害的抗性等问题。同时，因为沼液中含有许多植物需要的营养物质，在利用沼液防治病虫害的同时也能够起到施肥的作用。因此，沼液是一种很好的农田农药。24沼液浸种因为沼液中含有丰富的可溶性无机盐类，同时还含有多种沼气发酵的产物，如：酶、激素类物质、微量元素等，所以沼液可以作为一种很好的浸种剂。浸种时，随水分进入种子内促进种苗的生长，沼液还具有抑菌作用，能够抑制病虫害的发生，如利用沼液浸种来防治姜瘟病取得很好的效果。1999年，在江苏省进行的用沼液浸水稻种的试验表明，沼液浸种可以明显提高单位面积产量5。与对照处理相比，沼液浸种其秧苗素质表现为齐苗期短，分蘖早、分蘖多，秧苗壮 。3 沼渣的综合利用沼渣是发酵后的沉渣，含有较全面的养分和丰富维普资讯 第26卷增刊 农业环境科学学报 179的有机物，其中有机质36499 ；腐植酸l01一246 ；全N 08一15 ；全P 039一071 ，全K061一13 ，还含有对作物生长起重要作用的B、cu、Fe、Mn、Zn等微量元素，是优质有机肥料 。31沼渣制作有机肥在浙江省海宁市同仁沼气发电工程建有有机肥厂，年产有机肥480 t。将发酵产生的沼渣与猪粪混合以后加入含有多种有效微生物菌群的菌剂或菌粉与畜禽粪便均匀混合，控制一定的温度和温度等条件，从而创造一个良好的适合微生物生长繁殖的环境，加速有机物分解，放出并聚集热量，提高混合物温度，杀灭各种病原微生物和寄生虫卵，去除猪粪的臭味、富集营养成分，制成农用高效绿色生态型的有机肥料 。32沼渣种植蘑菇沼渣中含有的营养成分较为全面，同时它的酸碱度适中，质地也较为疏松，是人工栽培蘑菇的上好培养料 。利用沼渣种植蘑菇的技术有很多文献，有的是直接将沼渣作为栽培的底物来进行栽培 J，有的是将沼渣与作物的秸秆混合以后作为栽培蘑菇的培养料 ，但是都得保证沼渣是发酵池正常产气3个月后的沼渣 。沼渣栽培蘑菇具有成本低、效益高、省料等优点。33沼渣作为养殖的饲料利用沼渣代替部分饲料来养猪，可以显著地降低饲料的成本，提高养猪者的经济效益 。在浙江省建德市做的用沼渣喂猪的研究表明，喂养商品猪5 760头，降低饲料成本，平均每头增加利润3523元，共计增加经济效益约203万元。经过沼渣干物质的比重占饲料10、15和203个试验组的对比试验，沼渣占饲料比重15 的效果最好，如表3所示 。另外，利用沼渣喂猪，可以节约种植饲料的土地资源，从而防止土地资源的过度利用 。还可以利用沼渣来养鱼，沼渣养鱼的优点在于：首先，沼渣的pH值接近中性，可以使鱼塘中的水体接近中性，适合鱼的生长；其次，沼渣是经过厌氧发酵产生的，其中的病原菌和寄生虫等均已被杀死，并且沼渣的耗氧量比较低，投入鱼塘中鱼不易染病；再次，利用沼渣养鱼的成本比较低，而经济效益比较高 J。另外，沼渣还可以被用来饲养蚯蚓 引，虽然蚯蚓对人类没有直接的价值，但蚯蚓体内含有大量的蛋白质(粗蛋白15一17)，可以作为一些动物如鱼、狗和家禽的饲料，通过蚯蚓来饲养家禽、家畜，可以提高禽畜的生产量和产蛋率，为人们提供更多的肉、蛋产品，降低饲料成本，提高效益。据了解，每天给仔猪加喂150 g蚯蚓，15 d后可比对照增重903 ；用以喂蛋鸡，每只鸡年产蛋量增加15 kg 。表3 不同沼渣比例与全饲料喂养效果对比Table 3 Comparison of swine weight gain fed by feedstufwith diferent biogas residues注：中猪价格为95元kg ；商品猪出栏价为70元kg。4 效益分析沼气、沼液和沼渣的综合利用，有效的实现了物质的循环利用以及能量的多级流动，极大的改善了养殖场周围的环境，取得了良好了社会效益、生态效益和经济效益，实现了有机废物变废为宝和保护环境的目的，促进了农业的可持续发展。41社会效益通过对畜禽粪便的发酵处理，以及对发酵产物的综合利用，解决了畜禽养殖业发展中的阻碍，有利于畜禽养殖业规模的不断扩大，可以为社会提供更多的肉类食品，满足人们对肉类食品的需要，提高人民的生活水平。同时，养殖规模的扩大，可以促使相关工作岗位的增加，在一定程度上可以缓解当地的就业压力。畜禽粪便的发酵处理，杀灭了其中绝大部分的病原微生物，有力地保障了当地居民的身体健康。42生态效益养殖场周围的环境得到了很好的改善，减少了由于畜禽污染物的排放所带来的土壤和地下水的污染。沼气的使用，也使农村居民的生活环境得到改善；利用沼液来进行病虫害的防治，不会产生农药的残留等问题，有利于绿色农业的发展；有机肥的使用，有效地降低了土壤的板结，增加了土壤中的有机质含量，有利于土地的可持续利用 。43经济效益利用沼气作为炊事燃料，对于村民来说，虽然收取一定的使用费，但是比液化气的费用要低，仅相当维普资讯 180 朱磊等：沼气发酵产物的综合利用 2007年3月于液化气费用的110，对于沼气工程来说，收取费用可以带来一定的经济效益，有利于沼气工程的持续运行。将沼气与一定比例的柴油混合后发电，可以降低发电的成本 J，沼气发电每年可创收758万元；沼气保鲜水果，更可以使水果因为错开销售季节，而产生更高的经济效益，同时沼气保鲜的成本相对于其他保鲜方式来说也是较低的。沼液可以作为有机肥和叶面肥来使用以及利用沼液浸种，因为沼液本身的成本比较低，却使农作物产生很好的收益，所以给农民带来了更高的经济效益。将沼渣制作成有机肥来出售，因为本身的成本较低，所以能够产生更高的效益；用沼渣来养殖，可以减少养殖所需饲料的投人，有效的节约了养殖的成本等。对于沼气发酵产物的利用，由于其成本低廉，均能够获得一定的经济效益。参考文献：1Pizarro C，MulbryW，Blersch D，eta1An economic assessment ofalgal turf scrubber technology for treatment of dairy manure effluentJEcological Engineering，2006，26：3213272姚向君，郝先荣，郭宪章畜禽养殖场能源环保工程的发展及其商业化运作模式的探讨J农业工程学报，2002，18(1)：1811843陈同斌，郑玉琪，高定，等猪粪好氧堆制不同阶段氧气含量变化特征J应用生态学报，2004，15(11)：217921834翁伯琦防治畜禽养殖污染刻不容缓J农业环境保护，2002，21(3)：2885Xinshan Qi，Shuping Zhang，Yuzhi Wang，et a1Advantages ofthe integatpigbiogasvegetable greenhouse system in ChinaJEcological Engineering，2005，24：1771856Junichi Fujino，Akihiro Morita，Yasunari Matsuoka，et a1Vision forutilization of livestock residue as bioenergy resource in JapanJBionzos& Bioenergy，2005，29：3673747MohdYumf HjOthman，Baharudin Yatim，Muhammad Mat SallehChicken dung biogas power generating system in MalaysiaJRenewable Energy，1996，9(14)：9309338John KangwaAgro ecological analysis and simulation model of the Pear BiogasPig production farming systemDoctor of philosophy(Sustainable farming systems analysis)，CoHege of life science，Zhiang University，June 2003,9朱磊，胡国梁，邹技锋，等浙江省海宁市同仁养殖场沼气发电综合利用工程及效益分析J中国沼气，2006，24(3)：464910沼气的知识中国沼气网，2005-12-17http：wwwbiog