大型沼气工程能量与物质循环过程的关键环节

大型沼气工程能量与物质循环过程的关键环节

近年来，随着农村和农业结构的优化调整，规模养殖场的数量显著增加，小型养殖场的发展迅速。例如，山东省2003年，大型养殖业发展到100多万户（户），规模禽饲养量占饲料总蓄积量的65%以上。再就是发展的区域化明显,目前已基本形成以大中城市郊区为中心的养殖区。目前存在着养殖场粪便污染和处理利用情况堪忧的问题。据测算,山东全省各类畜禽年排放粪便约为7.07亿t,处理利用率不到20%,不仅造成严重的资源浪费,且污染周围环境,影响附近居民的身体健康。试验表明,采用大型沼气工程处理农牧业废弃物,开发新型沼肥品种,可实现经济与环境的协调发展。首先,生物质能源得以充分利用,实现农业系统内能量的多级利用与良性循环,在一定程度上缓解了农村能源瓶颈的制约。其次,可全面提升养分资源配置与综合利用水平,促进种植业、养殖业等相关产业的发展。第三,新型沼肥的大面积推广应用表明,施沼肥比等价格化肥增产8%～15%,比等养分化肥增产11%～20%,并可显著改善土壤性状及作物品质,农用潜力很大。大型沼气工程指单体沼气发酵容积在250m3以上沼气发酵系统,包括料液前处理、沼气发酵、发酵排出液后处理以及沼气的输配、储用系统等。大型沼气工程工艺从不同的角度分为不同的类型。按工程目的分为能源生态型(沼液不排放)和能源环保型(沼液达标排放),按处理原料分处理生活有机废物型、处理畜禽粪污工程型和处理工业有机废水型。绝大多数沼气工程是处理畜禽粪污工程型,且主要处理养猪场的废水。由于能源环保型不符合现代循环农业的理念,因此本文推介能源生态型沼气工程作为标准模式。由于大型沼气工程绝大部分是建在大型养猪场,本文以大型养猪场的大型沼气工程作为标准。从生态应用角度看,一个完整大型沼气工程的能量与物质循环过程包括从发酵原料产生到沼渣与沼液的应用与处理。以规模化养猪场的大型沼气工程为例,整个能量与物质循环过程包含猪的饲养、猪产生粪尿、猪粪尿与其他原料配制、厌氧消化、好氧水处理、沼气产生、沼气利用、沼渣生产固体有机肥料及其在农作物上的施用、沼液无害化处理及其在农作物上的施用等。1材料和方法1.1实验材料和设备沼气发酵原料培植及条件研究、沼肥的应用及沼液的应用实验在山东省青岛市的城阳、莱西、平度3区市进行,由山东省青岛市农业环保能源工作站实施。猪、鸡、牛粪便排泄量实验由辽宁省农业科学院在辽宁沈阳实施。1.2复混肥在花生上的应用效果试验与管理为探索研究沼气发酵原料的适宜碳氮比,在平度市崔家集镇坊头村进行鲜牛粪,鲜牛粪和猪粪,鲜牛粪、猪粪和玉米秸秆,鲜猪粪做沼气发酵原料对比试验,试验时间为2005年4月中旬。沼气发酵适宜料液浓度和酸碱度(pH)的研究采用日常观察方法,总结分析观察结果。原料预处理、厌氧消化以及沼气的净化、储存和输配采用前人实验结果的总结分析和经验总结。沼肥在蔬菜上的对比试验:试验于2005年9月下旬～2006年4月下旬在崔家集镇坊头村进行。供试作物为大棚番茄,品种为“吉朗达”。试验设施用沼肥(沼液、沼渣冲施)和对照即常规施肥2个处理(分2个大棚重复2次,各半个棚对比进行试验)。沼肥冲施,苗期适量少施(用量75～150kg·hm-2·次-1),生长盛期每15d冲施1次(用量225～300kg·hm-2·次-1)。沼肥有机复混肥在花生上的效果试验:沼肥有机复混肥是青岛双丰生物技术有限公司生产加工的产品,沼渣用量为30%。试验于2006年4月在张戈庄镇前沙村进行,设置沼肥有机复混肥1650kg·hm-2和常规复合肥1125kg·hm-2(对照)2个处理(2个处理肥料价值相同),重复3次,随机排列,常规管理,小区面积为30m2,花生品种为“鲁花11号”,小区单种单收,以干重计产。沼液浸种试验:试验在崔家集坊头村进行,作物为小麦、玉米;浸种前晒种1～2d,以提高种子吸收性能和杀灭大部分病菌;选择正常产气3个月以上的沼气池,清除水压间杂物备用;选用透水性较好的编织袋装种,每袋15～20kg,留一定袋容;将包装好的种子放入沼气池出料间中下部,小麦种浸泡6～8h,玉米种浸泡12～14h,取出种子袋将其外部冲洗干净,种子晾干后播种。试验设2个处理3次重复,以清水浸种为对照。沼液叶面施肥试验:果树(苹果)沼液叶面施肥试验。选择正常产气3个月以上的沼气池,提取新鲜纯净沼液过滤后兑水2～5倍进行叶面喷施试验,设兑水2倍、3倍、4倍、5倍沼液和等量清水作对照,共5个处理,重复3次,每重复选5株果树,从4月下旬到6月中旬每隔15d叶面喷施1次。在果实采收前,随机摘取30片位于枝条基部第8～9节上的叶片,测量其鲜重、厚度、面积。试验地点旧店镇九里夼村,苹果品种为“红富士”,试验时间为2006年4～7月。蔬菜沼液叶面施肥试验。蔬菜种类为黄瓜,实验地点为崔家集坊头村。实验设喷“沼液”肥和喷同数量的清水(对照)2个处理,小区面积50m2,随机排列,重复3次。喷施方法为沼液兑水5倍,分别于2005年12月1日、12月15日、2006年1月1日、1月15日对大棚黄瓜进行叶面喷施,生育期按常规进行管理。沼液防治病虫害对比试验:试验于2006年4～6月在兰底镇刘家西埠村进行,供试作物为白菜,设施用沼液(浓度为兑水2倍)和同等数量清水(对照)2个处理,随机排列,3次重复。喷施方法为在白菜团棵期开始每半月喷施1次,连喷3次,结束后7d调查虫口密度,收获期测定产量。2结果与分析2.1小鼠粪便总固体ts猪、鸡、牛日排粪量分别为4.0kg、0.1kg和20.0kg,其粪便总固体(Ts)分别为18.0%、30.0%和17.0%。根据沼气发酵所必需的发酵原料、碳氮比(C/N)、发酵温度、酸碱度(pH)以及料液浓度等条件进行相关的调试试验,研究总结出高效生产“沼气”的技术规程。2.1.1发酵原料碳氮比例根据有关资料介绍沼气发酵原料分为富氮原料和富碳原料,发酵原料的适宜碳氮比例为20～30∶1,最佳碳氮比为25∶1。以畜禽粪便为主要沼气发酵原料其碳氮比例均较低,多数为富氮原料。要配制适宜的发酵原料碳氮比例,需要加适量的作物秸秆(玉米秆、麦草等),但作物秸秆添加太多则会影响出料(用出料泵提出沼渣)。经试验,碳氮比例大于20∶1即可确保沼气的正常发酵。表1表明,用牛粪做沼气发酵原料效果最好,牛粪、猪粪加秸秆与纯牛粪产气效果差别不大,纯猪粪产气效果最差,猪养殖区可适量加牛粪和秸秆以确保沼气正常产生、运转。2.1.2料液浓度对沼气发酵的影响沼气发酵需要适宜的料液浓度,其浓度的确定主要根据气温的变化而变化。经试验沼气发酵适宜的料液浓度为6%～12%,其浓度过高或过低都会影响产气量。春秋季适宜料液浓度为8%～10%,夏季为6%～8%,冬季为10%～12%。料液浓度主要根据不同畜禽粪便干物质含量进行配制。2.1.3料液预处理沼气发酵适宜的酸碱度(pH)为6.5～7.5,基本为中性,低于6.4、高于7.6对沼气发酵都产生抵制作用。沼气发酵过程分两个阶段,即产酸阶段和产气(产甲烷)阶段,在产酸阶段若控制不当,易使料液酸化影响产气,严重的甚至不产气,对此可采用两种方法进行调制,一是在投料前将新鲜畜禽粪便堆沤10～15d再投入沼气池,使其酸化阶段在堆沤过程中基本完成,二是对已酸化的料液利用草木灰上清液或2%的石灰水进行调制使料液酸碱度保持为中性。温度是制约沼气产量的重要因素,在10～60℃范围内均能产气。目前青岛市所建沼气池型为常温发酵,适宜的温度为15～30℃。春、夏、秋3个季节的气温都比较适宜沼气发酵,进行正常产气,冬季气温低于-5℃,不能正常产气使用,必须采取保温或料液增温措施才能确保冬季的正常产气使用。2.2无机碱废水的预处理原料常混杂有生产作业中的各种杂物,为便于用泵输送及防止发酵过程中出现故障,或为减少原料中的悬浮固体含量,有的在进入消化器前还要进行升温或降温等,因而要对原料进行预处理。在预处理时,对于原料中的长草等纤维要切短,对于原料中的壳粉和砂砾等杂物必须进行沉淀清除,否则会很快大量沉积于消化器底部,不仅难以排除,且会影响沼气池容积。酒精和丙酮丁醇废醪因加热蒸馏,排出温度高达100℃,因此需要降温后才能进入消化器。有些高强度的无机酸碱废水在进料前还应进行中和,最好采用酸性和碱性废水混合处理,如将酸性的味精废水和碱性的造纸废水加以混合可收到良好效果。目前采用的固液分离方式有格栅机、搅龙除草机、卧螺式离心机、水力筛、板柜压滤机、带式压滤机和螺旋挤压式固液分离机。其中,螺旋挤压式固液分离机主要用于SS含量高、且宜分离的污水,如新鲜猪粪污水;卧螺式离心机用于酒精厂废醪效果较好;搅龙除草机主要用于纤维较长的废水的预处理;板柜压滤机和带式压滤机主要用于加凝絮剂后凝絮效果的废水,用于好氧污泥的处理效果极好;水力筛一般均采用不锈钢制成,用于杂物较多、纤维长中等的污水,如猪粪污水、鸡粪污水等,且其分离效果好,安装方便,易于管理。2.3不同发酵工艺中的环保设计厌氧消化器是大中型沼气工程的核心设备。微生物的繁殖、有机物的分解转化、沼气的生成都在消化器内进行,因此,消化器的结构和运行情况是沼气工程设计的重点之一。首先要根据发酵原料或处理污水的性质以及发酵条件选择适宜的工艺类型和消化器结构。目前,应用较多的工艺类型及消化器结构为常规型消化器;第2类为污泥滞留型消化器,使用较多的有适用于处理可溶性废水的UASB及适用于处理高悬浮固体的USR,另外,内循环厌氧消化器(IC)是目前效率较高的工艺类型,主要用于处理中低浓度、SS含量低、pH偏中性的污水;第3类为附着膜型消化器,目前使用的主要是填料过滤器,适用于可溶性有机废水处理,有启动快、运行容易的优点。2.4沼气的脱除和输配沼气发酵时会有水分蒸发进入沼气,由于微生物对蛋白质的分解或硫酸盐的还原作用也会有一定量H2S气体生成并进入沼气。大型沼气工程,特别是用来集中供气的工程必须设法脱除沼气中的水和H2S。脱水通常采用脱水装置进行。硫化氢的脱除通常采用脱硫塔,内装脱硫剂进行脱硫。沼气的输配是指将沼气输送分配至各用气户(点),输送距离可达数千米。输送管道通常采用金属管,近年来工程也采用高奈聚乙烯塑料管、PE管、PPR管等作为输气干管。气体输送所需的压力通常依靠沼气产生池或储气柜所提供的压力即可满足,远距离输送可采用增压措施。2.5沼泽肥料的利用2.5.1耕作效益分析表2表明,施用沼肥能促进蔬菜(番茄)健壮生长,表现叶色浓绿,有光泽,长势旺盛不衰,提早上市约3d左右,延后拉秧10d左右,增产显著,可增产14.4%,增加产值3705元·667m-2,同时减少化肥用量730kg·667m-2(约2/3),减少化肥投入1314.5元·667m-2,增加效益5019元·667m-2。同时增强了蔬菜抗病性(减少用药),提高了品质(果型整齐,口感好)。实践证明沼肥是理想的生产绿色食品的肥料。2.5.2在花期间，有机混合肥料的影响试验表3表明,花生施用沼肥有机复混肥后,长势健壮,叶色深绿,有光泽,抗病性强,产量及品质比施用常规复合肥都有提高。平均增产23%以上。2.6沼泽使用2.6.1出苗生长情况表4表明,采取沼液浸种可以使小麦、玉米提早出苗1d,出苗率分别提高3%、3.7%,通过浸种的小麦、玉米表现生长健壮,基本无病害,小麦平均增产8.1%,玉米增产6.6%。2.6.2施“沼液”肥,提高果实品质果树沼液叶面施肥试验:表5表明,果树叶面喷施不同浓度的“沼液”肥对果树叶片鲜重、百叶片厚度及叶面积都有不同程度的增加,以2倍浓度“沼液”肥效果最明显,分别增加23.6%、20.2%、8.9%。同时发现施用“沼液”肥果树叶色浓绿光亮,有利于光合产物的形成积累,促进了花芽分化及果品产量、质量的提高。蔬菜沼液叶面施肥试验:表6、表7表明,“沼液”肥有增强抗性、促进健壮生长的效能,使黄瓜表现茎粗,叶面积增大,提早开花结果,增强抗病性,提高品质。喷施“沼液”肥能提高黄瓜产量,增产率达15.7%。沼液防治病虫害对比试验:蔬菜喷施沼液,可明显减少蚜虫危害,其防治效果为90%以上,同时