基于動物糞便的沼氣利用技術(shù)

文│鄧紅梅 龔英（重慶工商大學(xué)）

基于動物糞便的沼氣利用技術(shù)

文│鄧紅梅 龔英（重慶工商大學(xué)）

重慶市教委重點項目“重慶喀斯特地區(qū)典型產(chǎn)業(yè)生態(tài)模式和承載力提升研究”階段性成果（14KSH03）

當(dāng)前，能源和環(huán)境問題已成為國際性熱點問題，引起人們的廣泛關(guān)注。開發(fā)新能源，替代原油、天然氣和煤炭這三種常規(guī)能源，已經(jīng)成為人類發(fā)展的緊迫課題。綠色理念是我國五大發(fā)展理念之一，農(nóng)村沼氣利用是農(nóng)村綠色發(fā)展的突破口。沼氣，是各種有機物質(zhì)在隔絕空氣（還原條件）和適宜的溫度、濕度下，經(jīng)過微生物的發(fā)酵作用產(chǎn)生的一種可燃燒氣體，1立方米沼氣完全燃燒后，能產(chǎn)生相當(dāng)于0.7千克無煙煤提供的熱量。與其他燃?xì)庀啾?，沼氣抗爆性能較好，是一種很好的清潔燃料。

一、沼氣利用現(xiàn)狀

周鵬等在其對三峽庫區(qū)奉節(jié)縣的沼氣應(yīng)用調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，沼氣在農(nóng)村的利用情況和普及率都不太樂觀，農(nóng)村沼氣用戶數(shù)僅占農(nóng)村總戶數(shù)的22.4%，且在這些沼氣建設(shè)的農(nóng)戶中，達(dá)到適宜建設(shè)的只有32.28%。柳樹國等在對騰沖縣的調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，截至2013年年底，農(nóng)村的沼氣池只有20%～30%在正常使用，其他的沼氣池均處于閑置或荒廢狀態(tài)。龍宗權(quán)在貴州省納雍縣的調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，農(nóng)民對沼氣的綜合利用很不到位。陳超等在保山市隆陽區(qū)荒田村的調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，農(nóng)戶沼氣池建成后，只有30%的沼氣池在正常使用，斷斷續(xù)續(xù)使用的占5%，從未使用的占65%。陜西日報記者在2015年的下鄉(xiāng)統(tǒng)計調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，延安志丹縣11個村戶的沼氣有效利用率僅為28%。

從查閱的文獻(xiàn)和報紙的數(shù)據(jù)綜合看來，農(nóng)村沼氣正常使用的使用率大多為30%～40%，半停半用的占到20%～25%，其余的是自沼氣池建成后就幾乎沒有用過，許多農(nóng)戶已將沼氣輸氣管和灶具收放起來，毫無使用之意。

沼氣作為一種清潔能源，應(yīng)積極推廣其使用及相關(guān)的沼氣池建設(shè)。原因有下：一是可用本地資源代替進(jìn)口能源，減少國家對進(jìn)口能源的依賴性；二是使我國燃料利用多樣化，減少對單純一種或幾種能源的依賴；三是沼氣是一種相對清潔的能源，用沼氣代替礦物燃料是減少二氧化碳（CO2）排放的理想方式（沼氣中主要成分是甲烷，它的溫室效應(yīng)是二氧化碳的21倍）；四是沼氣資源分布廣泛，到處可以獲得，是能源分散供給體系的一種極佳能源；五是在某些方面，沼氣發(fā)電可以抵消運營成本，同時減少碳排放，降低溫室效應(yīng)；六是沼氣生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)不僅可以降低污染，還可以聯(lián)動其他相關(guān)產(chǎn)業(yè)如種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)等的發(fā)展。

二、沼氣利用技術(shù)

1.雞糞沼氣發(fā)電技術(shù)。我國養(yǎng)雞場的規(guī)模和數(shù)量都比較大，利用雞糞進(jìn)行沼氣發(fā)電有較好的原材料基礎(chǔ)，沼氣發(fā)電設(shè)備也不成問題。

（1）雞糞發(fā)酵沼氣。具體發(fā)酵過程如下：首先是一級處理，將雞糞、污水投放進(jìn)一級處理池，一級處理池中的攪拌器會通過它的漏盤在攪拌雞糞和污水的過程中將雞毛等雜物清理出去。其次是二級處理，在二級處理池中分離雞糞和沙子，二級處理池中含有水解產(chǎn)酸菌，它將難以溶解的大顆粒物質(zhì)分解成小顆粒物質(zhì)，雞糞和污水在二級處理池的反應(yīng)時間為6個小時左右。最后是三級處理，把原料送入三級厭氧發(fā)酵罐中，產(chǎn)生的沼氣通過發(fā)酵罐頂部的管道收集起來輸送到氣體凈化區(qū)，不能發(fā)酵的沼渣和泥沙則通過罐底的排渣管排出。未完全發(fā)酵的漿液通過溢流管從一級發(fā)酵罐進(jìn)入到二級發(fā)酵罐，再到三級發(fā)酵罐，直到漿液里的有效成分被完全發(fā)酵。

由于沼氣中含有硫化氫（H2S）氣體，而H2S具有很強的腐蝕性。雞糞發(fā)酵中H2S含量會達(dá)到5000毫升/立方米，因此在發(fā)點之前必須先進(jìn)行沼氣脫硫。雞糞沼氣脫硫主要是用生物脫硫方法，生物脫硫器中有脫硫微生物菌群，它們將H2S作為自己的營養(yǎng)物質(zhì)吸收利用，從而減少H2S含量，當(dāng)沼氣中的H2S含量低于300毫升/立方米時，就被輸送到儲氣罐中儲存?zhèn)溆谩?/p>

（2）雞糞沼氣發(fā)電。沼氣燃?xì)獍l(fā)電機大致分為四個部分，分別是底盤、發(fā)動機、發(fā)電機和控制器。沼氣燃燒產(chǎn)生很高的熱值，在發(fā)電機組的發(fā)動機部分的缸體里邊燃燒做功，推動發(fā)動機里缸體活塞的運動，活塞的運動帶動發(fā)動機曲軸的運動，曲軸再帶動發(fā)電機的連桿切割磁力線進(jìn)行發(fā)電機組的發(fā)電。

2.豬糞沼氣發(fā)電技術(shù)。

（1）豬糞發(fā)酵沼氣。養(yǎng)豬在農(nóng)村是較為常見的，一般的農(nóng)戶養(yǎng)有2～3頭豬，自建6～8立方米的沼氣池（沼氣池規(guī)格隨養(yǎng)豬數(shù)量的變化而適當(dāng)變化），將豬糞鏟入沼氣池，并將清洗豬圈的污水一同倒入沼氣池，即完成進(jìn)料，進(jìn)料后同時從出料間（水壓間）內(nèi)留3～5擔(dān)沼液從進(jìn)料口沖入池內(nèi)即可起到攪拌作用，攪拌使原料與沼液微生物充分混合，達(dá)到較為徹底的沼池厭氧發(fā)酵，促進(jìn)營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化。

對于大規(guī)模的生豬養(yǎng)殖場，則可按以下流程進(jìn)行豬糞發(fā)酵沼氣：首先將養(yǎng)殖場的水通過排污系統(tǒng)排到調(diào)節(jié)池中，充分?jǐn)嚢瑁瑪嚢韬蟮奈鬯拓i糞流入計量池，并定時送進(jìn)厭氧消化器，計量池中的蒸汽加熱系統(tǒng)保證厭氧消化器的溫度在35℃，然后讓豬糞和污水在厭氧消化器中發(fā)酵，產(chǎn)生沼氣。將生成的沼氣經(jīng)脫硫、脫水和脫雜凈化后存進(jìn)貯氣罐中，用于后續(xù)的應(yīng)用。

（2）豬糞沼氣發(fā)電。沼氣池發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣，經(jīng)過凈化系統(tǒng)除沫緩沖罐，輸入沼氣發(fā)電機組轉(zhuǎn)化為電能。從輸出豬糞尿到發(fā)電、排污等整個過程都是在環(huán)保、生態(tài)循環(huán)的系統(tǒng)內(nèi)完成，整個豬場可以實現(xiàn)“零排放”。

3.牛糞沼氣發(fā)電技術(shù)。

（1）牛糞發(fā)酵沼氣。每噸鮮牛糞可產(chǎn)生沼氣20～35立方米，大規(guī)模牛糞發(fā)酵沼氣中，需要用到以下設(shè)備機械：進(jìn)料斗、泡糞池、調(diào)節(jié)池、CSTR（全混合沼氣發(fā)酵）一體化反應(yīng)器、雙膜氣柜、沼液貯池、沉渣池、沼氣凈化系統(tǒng)。牛糞發(fā)酵沼氣流程如下：將干牛糞浸泡、稀釋并加溫，開始階段把物料濃度控制在6%以下，以戶用沼氣池中的菌液為菌種，物料與菌種按2︰1的比例混合，每次進(jìn)料量控制在CSTR反應(yīng)器內(nèi)料液量的5%～10%，同時加大循環(huán)量，直至CSTR反應(yīng)器內(nèi)料液向外溢流。

（2）牛糞沼氣發(fā)電。當(dāng)牛糞沼氣中甲烷含量大于60%、H2S含量低于0.05%時，即可用于發(fā)電。沼氣貯氣罐通過離心加壓風(fēng)機將沼氣壓力輸送至發(fā)電機組，沼氣發(fā)電機燃燒發(fā)電。

三、沼氣生物循環(huán)技術(shù)

沼氣生物循環(huán)技術(shù)是合理利用生物質(zhì)能（如家禽糞便、廢棄蔬菜等）發(fā)酵沼氣，將沼氣及其相關(guān)產(chǎn)物用于林菜種植、家禽養(yǎng)殖中，以形成生態(tài)的以沼氣為紐帶的生物循環(huán)。

1.鴨——豬——沼氣——魚（林、菜）循環(huán)生態(tài)模式。此模式即“鴨糞喂豬，豬糞產(chǎn)沼，沼氣育雛，沼液養(yǎng)魚，沼渣肥林（菜）”的生態(tài)循環(huán)模式，其原理是家禽糞便中的有機物和含氮物較多，具有一定的營養(yǎng)價值，而豬糞又是生產(chǎn)沼氣的優(yōu)質(zhì)原料，沼氣燃燒可供熱用于育養(yǎng)雛鴨，沼液可用來養(yǎng)魚，沼渣當(dāng)作肥料種菜，這是因為沼液中含有動物生長發(fā)育所必需的多種微量元素，而沼渣又具有營養(yǎng)元素齊全、肥效高的特性。這一生物生態(tài)循環(huán)模式不僅減少了由家禽糞便帶來的污染，還增加了能源來源途徑，使得資源得以合理利用。

2.“四位一體”循環(huán)生態(tài)模式。所謂“四位一體”生態(tài)模式是指每戶有一個太陽能房，一個800平方米日光溫室，在溫室的一側(cè)建造一個10立方米的沼氣池，池上蓋一個20平方米的豬舍，在這種模式下，豬在冬季時有足夠的供熱，生豬排泄物可清理至豬舍下的沼氣池中進(jìn)行沼氣發(fā)酵，豬呼吸產(chǎn)生的CO2可以用作加強日光溫室中蔬菜（或其他植物）的光合作用，從而產(chǎn)生更多的產(chǎn)量，沼氣池生產(chǎn)的沼氣一般可供3～4人生活用能，同時沼渣還可用作溫室植物肥料，如此形成“豬糞——沼氣——沼氣給豬供熱——沼渣作溫室肥——豬呼出CO2供菜——廢菜葉養(yǎng)豬”的生態(tài)循環(huán)。

3.“玉米——?！託狻展鉁厥摇毖h(huán)生態(tài)模式。在此模式中，玉米制種田是整個循環(huán)的源頭。具體模式為每戶種植玉米制種田1公頃左右，部分玉米秸稈用作沼氣發(fā)酵原料，其余玉米秸稈鍘碎后用作牛飼料，牛糞可用來發(fā)酵沼氣，也可用作底肥，沼肥還可用于日光溫室或玉米制種田。

四、沼氣技術(shù)利用的政策支持及建議

1.政策支持。2016年，農(nóng)業(yè)部會同國家發(fā)改委繼續(xù)支持規(guī)模化大型沼氣工程建設(shè)，進(jìn)一步探索創(chuàng)新扶持政策和體制機制，使農(nóng)村沼氣工程向規(guī)模發(fā)展、生態(tài)循環(huán)、綜合利用、智能管理、效益拉動方向轉(zhuǎn)型升級。支持能夠有效推進(jìn)農(nóng)牧結(jié)合和種養(yǎng)循環(huán)、促進(jìn)生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)發(fā)展的工程項目。國家相關(guān)政策的出臺將打通包括沼氣發(fā)電在內(nèi)的綠色電力上網(wǎng)的瓶頸，國內(nèi)已生產(chǎn)出性價比較好的沼氣發(fā)電機組系列產(chǎn)品，為沼氣發(fā)電提供有力的設(shè)備支持，沼氣的利用可推進(jìn)我國綠色發(fā)展理念。

2.推進(jìn)農(nóng)村沼氣利用的建議。

（1）提升農(nóng)民思想認(rèn)識。部分農(nóng)民認(rèn)為沼氣只有點燈煮飯的作用，且農(nóng)村通電、上煤、安裝液化氣/天然氣讓農(nóng)民覺得沒有必要再麻煩地建沼氣，且農(nóng)民對沼氣的生態(tài)作用認(rèn)識不夠，對此，要多開展農(nóng)村沼氣利用相關(guān)的宣講會，普及沼氣利用的相關(guān)知識及好處，提升農(nóng)民對沼氣的思想認(rèn)識。

（2）分派或培養(yǎng)沼氣技術(shù)人員。農(nóng)村的主要常住群體是老人和小孩，缺乏沼氣相關(guān)技術(shù)，如遇沼氣設(shè)備壞損則通常放棄使用沼氣，對此可以分派沼氣技術(shù)人員下鄉(xiāng)進(jìn)行協(xié)助或選擇當(dāng)?shù)爻Ｗ∧贻p人員進(jìn)行沼氣相關(guān)技術(shù)培訓(xùn)。

（3）因地制宜發(fā)展沼氣。政府不能一刀切的鼓勵任何地區(qū)農(nóng)戶利用沼氣。部分山區(qū)的農(nóng)戶不怎么養(yǎng)殖，以種植蔬菜為主，這樣的農(nóng)戶缺乏沼氣發(fā)酵原料，不建議鼓勵農(nóng)民發(fā)展沼氣，對于養(yǎng)殖大戶應(yīng)大力鼓勵發(fā)展沼氣。

點評：沼氣是一種清潔的生物質(zhì)能源，文章就沼氣在農(nóng)村的使用現(xiàn)狀進(jìn)行分析，介紹了雞糞沼氣技術(shù)、豬糞沼氣技術(shù)、牛糞沼氣技術(shù)，最后就農(nóng)村沼氣技術(shù)利用進(jìn)行了展望，并提出了促進(jìn)農(nóng)村沼氣利用的建議，實用性較強。

國家社科重點項目“基于消費視角的中西部地區(qū)新型城鎮(zhèn)化碳解鎖路徑研究”資助（14AGL024）；