蠶沙生物質(zhì)能的轉(zhuǎn)化利用

薛強(qiáng)　李森　李金志　朱興友

摘要：生物質(zhì)能是利用有機(jī)物質(zhì)開(kāi)發(fā)的可再生能源，蠶沙即是標(biāo)準(zhǔn)的生物質(zhì)能源。本文簡(jiǎn)要介紹了利用其發(fā)酵生產(chǎn)沼氣的優(yōu)勢(shì)、工藝、注意事項(xiàng)、應(yīng)用技術(shù)等，分析了吉林地區(qū)利用蠶沙生物質(zhì)能的形勢(shì)，闡述了全面開(kāi)發(fā)蠶沙生物質(zhì)能對(duì)發(fā)展蠶業(yè)事業(yè)、保護(hù)環(huán)境、實(shí)施可持續(xù)發(fā)展的重要意義。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)能；蠶沙；發(fā)酵；沼氣

資助項(xiàng)目：現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專(zhuān)項(xiàng)（No.CARS-22）

中圖分類(lèi)號(hào)： X53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A DOI編號(hào)： 10.14025/j.cnki.jlny.2016.16.010

生物質(zhì)即指自然界中的各種有機(jī)生命體，包括所有的動(dòng)植物和微生物。生物質(zhì)能是太陽(yáng)能以化學(xué)能形式貯存在生物質(zhì)中的能量形式，以生物質(zhì)為載體的能量。它直接或間接地來(lái)源于綠色植物的光合作用，可轉(zhuǎn)化為常規(guī)的固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)燃料，取之不盡、用之不竭，是一種可再生能源。一般來(lái)講，生物質(zhì)能是指利用自然界的植物、糞便以及城鄉(xiāng)有機(jī)廢物轉(zhuǎn)化成的能源[1，2]。

蠶沙又名蠶矢，是蠶蛾科動(dòng)物家蠶蛾幼蟲(chóng)的干燥糞便，是養(yǎng)蠶過(guò)程中產(chǎn)生的廢棄物，它包括蠶糞、殘留的桑葉、蠶眠起時(shí)蛻的皮以及在整個(gè)養(yǎng)蠶過(guò)程中使用的消毒物和吸濕材料等。蠶沙含有機(jī)物83%～90%，灰分10%～15%，總氮量2%～4%。100公斤風(fēng)干蠶沙富含氮1.28公斤、磷0.48公斤、鉀0.21公斤，因此蠶沙具有極高的利用價(jià)值[3，4]，是天然且產(chǎn)儲(chǔ)量較大的生物質(zhì)資源。其主要用途包括：入藥、飼料、肥料、提取葉綠素、制備葉綠素銅、提取果膠、分離胡蘿卜素、植物醇和三十烷醇等，作為發(fā)酵沼氣的原料，則具有優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的特點(diǎn)。

1蠶沙作為生物質(zhì)能源產(chǎn)沼氣的優(yōu)勢(shì)

1.1 來(lái)源豐富，成本低廉，益處良多

據(jù)統(tǒng)計(jì)，每生產(chǎn)100公斤蠶繭可得600公斤干蠶沙，以某地區(qū)年產(chǎn)繭4000噸為例，則每年可產(chǎn)干蠶沙約2.4萬(wàn)噸，可見(jiàn)，對(duì)于蠶桑生產(chǎn)產(chǎn)區(qū)來(lái)說(shuō)，蠶沙的來(lái)源量是相當(dāng)可觀的[5]。

蠶沙作為蠶桑產(chǎn)業(yè)的副產(chǎn)物，通常是用作肥料，用量有限，蠶農(nóng)通常不將其作為創(chuàng)收的產(chǎn)物，有的甚至直接作為垃圾處理掉，這對(duì)于營(yíng)養(yǎng)價(jià)值較高的蠶沙來(lái)說(shuō)，是一種浪費(fèi)。另外，由于大型牲畜養(yǎng)殖戶數(shù)量少，糞肥料也隨之變少，造成了沼氣原料不足，以蠶沙為原料，可有效解決其利用率低、污染環(huán)境等問(wèn)題，能有效彌補(bǔ)農(nóng)村短缺的能源，對(duì)生態(tài)農(nóng)業(yè)走可持續(xù)發(fā)展之路大有益處。

1.2 蠶沙為優(yōu)質(zhì)的發(fā)酵沼氣原料

蠶沙屬酸性，經(jīng)加入石灰粉和漂白粉等堿性物質(zhì)的消毒處理，使其發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，成為了中性的有機(jī)混合物，變成了發(fā)酵產(chǎn)沼氣的優(yōu)質(zhì)原料。

蠶沙的組成成分中，蠶糞含氮量很高，尤以可溶性尿酸的含量最豐富。蠶蛻皮主要是由蛋白質(zhì)所組成。因此，蠶沙不僅含有發(fā)酵沼氣，細(xì)菌生長(zhǎng)所必需的蛋白質(zhì)、纖維素和糖類(lèi)等物質(zhì)，而且可被甲烷產(chǎn)生菌直接利用的可溶性有機(jī)化合物也占大多數(shù)。另外，其中豐富的酶激活素——三十醇，也可促進(jìn)多種酶的生化活性。因此，將蠶沙應(yīng)用到沼氣池中，其產(chǎn)氣的起動(dòng)性能和速率都可大為改善。

據(jù)測(cè)算，將1000公斤蠶沙加糞水堆漚15天后入沼氣池，產(chǎn)氣量可達(dá)到42立方米左右，可持續(xù)產(chǎn)氣80天，其中甲烷含量在62%左右，與以豬糞為原料的產(chǎn)氣量相比略低，但足以替代豬、牛、雞等畜禽養(yǎng)殖廢棄物作為沼氣發(fā)酵原料[6]。從能源角度講，沼氣是性能較好的燃料，純?nèi)細(xì)鉄嶂禐?1.98MJ/立方米（甲烷含量60%、二氧化碳含量32%）時(shí)，屬中等熱值燃料。如以每天產(chǎn)沼氣1.2立方米計(jì)算，可滿足一家3口一天三餐飯及照明的需要，年可節(jié)省燃料費(fèi)和電費(fèi)1200元以上[7，8]。

1.3 蠶沙產(chǎn)沼氣可再生循環(huán)利用

循環(huán)經(jīng)濟(jì)是一種以資源的高效利用和循環(huán)利用為核心，以“減量化、再利用、資源化”為基本準(zhǔn)則，以“低消耗、低排放、高效率”為基本特征，符合全面協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展理念的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)模式。由桑到蠶，再到蠶沙發(fā)酵沼氣，沼渣入肥的可再生循環(huán)系統(tǒng)，是蠶業(yè)產(chǎn)區(qū)重點(diǎn)發(fā)展方向，在獲得了干凈環(huán)保的可再生能源的同時(shí)，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益也十分顯著。蠶沙產(chǎn)沼氣可再生循環(huán)系統(tǒng)不僅有利于蠶業(yè)事業(yè)的發(fā)展，還有利于優(yōu)化生產(chǎn)資源環(huán)境。不僅為農(nóng)戶提供了清潔、廉價(jià)的能源，循環(huán)系統(tǒng)的末端廢棄物還是優(yōu)質(zhì)肥料，可作為有機(jī)肥入田，反補(bǔ)采桑養(yǎng)蠶，蠶沙產(chǎn)能的循環(huán)鏈，有效防止了蠶沙中病菌擴(kuò)散，變廢為寶。

通過(guò)生產(chǎn)者（樹(shù)葉）→消費(fèi)者（蠶）→分解者（微生物）這一循環(huán)系統(tǒng)的主干，將蠶沙和人畜糞等分解，加工成肥沃的沼渣，作為優(yōu)質(zhì)肥料，使地方農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能夠長(zhǎng)時(shí)間地保持著動(dòng)態(tài)平衡。特別是將能量轉(zhuǎn)化、物質(zhì)再生和分層多級(jí)利用的原理應(yīng)用于生產(chǎn)，人們?cè)谧裱鷳B(tài)平衡的前提下，使之朝著更有益于人類(lèi)的發(fā)展方向[9]。

循環(huán)經(jīng)濟(jì)已成為農(nóng)村資源開(kāi)發(fā)利用的主流，根據(jù)地域優(yōu)勢(shì)，因勢(shì)利導(dǎo)，發(fā)展蠶業(yè)——農(nóng)業(yè)循環(huán)體系。將蠶沙進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、無(wú)害化處理，促進(jìn)整個(gè)蠶產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)、健康、穩(wěn)步發(fā)展。

2蠶沙發(fā)酵沼氣的預(yù)處理工藝

2.1 池外堆漚解毒

沼氣發(fā)酵是微生物通過(guò)分解物質(zhì)產(chǎn)酸、產(chǎn)甲烷的過(guò)程，需甲烷細(xì)菌的廣泛活動(dòng)。而蠶沙中含有大量的抑制細(xì)菌活動(dòng)的成份和大量殺蟲(chóng)滅菌農(nóng)藥，所以，未經(jīng)過(guò)池外堆漚的蠶沙原料絕對(duì)不能直接入池發(fā)酵產(chǎn)沼氣，尤其是初次裝料的新池。

2.2 一次性投料發(fā)酵

以蠶沙為全部沼氣發(fā)酵原料，并且一次性投入足量，密封發(fā)酵的方式，稱(chēng)之為一次性投料。投蠶沙前，需要適量的人畜純糞便或陰溝活性污泥作為接種物，待發(fā)酵腐熟后開(kāi)始產(chǎn)甲烷氣體時(shí)，再將池外堆漚好的蠶沙足量投進(jìn)沼氣池內(nèi)，加水封蓋。

2.3 間隔排毒，批量投料

此法是在沼氣池日常運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，成品發(fā)酵池處于正常產(chǎn)氣狀態(tài)，直接通過(guò)進(jìn)料管少量投入蠶沙鮮糞原料[10]。

3蠶沙用于沼氣池發(fā)酵應(yīng)注意的技術(shù)要點(diǎn)

3.1首次啟動(dòng)投料

以蠶沙作為首次啟動(dòng)原料的，首先要除去蠶沙中混入的植物枝條以及過(guò)量的石灰。已用糞水或沼液澆淋去雜后蠶沙，堆漚10～15天（氣溫低則適當(dāng)延長(zhǎng)）。預(yù)處理后蠶沙，按6%的低濃度啟動(dòng)，數(shù)量以1000公斤左右為宜，過(guò)多易造成酸化，影響啟動(dòng)，適量加入一些豬糞可有效縮短啟動(dòng)時(shí)間，提高啟動(dòng)效果。

3.2日常加料

3.2.1 鮮蠶沙加料 蠶沙入池前要除去蠶沙中的混雜物，以避免其中的枝葉桿兒等造成結(jié)殼。鮮蠶沙宜堆漚后入池。注意按少量多次的原則進(jìn)行加料，每次50～100公斤，避免出現(xiàn)酸化，影響發(fā)酵速度，甚至出現(xiàn)死池。

3.2.2 干蠶沙加料 以干貯的蠶沙加料時(shí)，需先將物料用沼液或糞水浸泡。先將適量（10～15公斤為宜）干蠶沙倒入容器中，加滿沼液或糞水浸泡24小時(shí)以上，使其吸足水份后再入池。干蠶沙在冬季，更有利于沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣。

干蠶沙的貯藏方法：新鮮蠶糞除枝條葉桿兒，日光曬干，篩去大部分消毒用的石灰粉，裝袋密封備用。

4蠶沙發(fā)酵沼氣的利用

以蠶沙作為生物質(zhì)能發(fā)酵沼氣，是物質(zhì)多層次利用、能量合理流動(dòng)的高效農(nóng)業(yè)模式，是建立可持續(xù)發(fā)展新能源的有效方法。

4.1 沼氣發(fā)電技術(shù)

沼氣燃燒發(fā)電是隨著沼氣綜合利用的不斷發(fā)展而出現(xiàn)的一項(xiàng)沼氣利用技術(shù)，是將沼氣用于發(fā)動(dòng)機(jī)上，并裝有綜合發(fā)電裝置，以產(chǎn)生電能和熱能，它是一種有效利用沼氣的重要方式。目前，用于沼氣發(fā)電的設(shè)備主要有內(nèi)燃機(jī)和汽輪機(jī)，主要機(jī)理是沼氣燃燒使內(nèi)燃機(jī)或汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電[11]。沼氣發(fā)電是隨著沼氣綜合利用技術(shù)的不斷發(fā)展而出現(xiàn)的一項(xiàng)沼氣利用技術(shù)，它利用工業(yè)、農(nóng)業(yè)或城鎮(zhèn)生活中的大量有機(jī)廢棄物（如酒糟液、禽畜糞便、城市污水等）經(jīng)厭氧發(fā)酵處理產(chǎn)生的沼氣，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)組發(fā)電，并充分利用發(fā)電機(jī)組的余熱，使綜合熱效率達(dá)75%左右，從而達(dá)到環(huán)保和節(jié)能的目的。

4.2 沼氣燃料電池技術(shù)

燃料電池是一種將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。當(dāng)源源不斷地從外部向燃料電池供給燃料和氧化劑時(shí)，它可以連續(xù)發(fā)電。從理論上講，任何能發(fā)生電化學(xué)氧化還原反應(yīng)的氣體均可作為燃料電池的燃料或氧化劑。沼氣燃料電池發(fā)電與沼氣發(fā)電機(jī)發(fā)電相比，不僅出電效率和能量利用率高，而且振動(dòng)和噪音小，排出的氮氧化物和硫化物濃度低，因此是很有發(fā)展前途的沼氣利用工藝[12]。

5吉林地區(qū)開(kāi)發(fā)蠶沙生物質(zhì)能的形勢(shì)

吉林地區(qū)因特殊的地理位置和氣候，養(yǎng)殖家蠶的規(guī)模并不大，只有少部分科學(xué)研究或種質(zhì)庫(kù)留種養(yǎng)殖，因此家蠶沙的產(chǎn)量還不具備開(kāi)發(fā)生物質(zhì)能的條件。但在柞蠶生產(chǎn)上，吉林地區(qū)卻具備巨大的潛力和優(yōu)勢(shì)。全國(guó)的柞蠶生產(chǎn)80%在東北地區(qū)，而吉林柞蠶生產(chǎn)規(guī)模龐大，據(jù)估算，吉林地區(qū)年產(chǎn)柞蠶繭近千萬(wàn)公斤，相應(yīng)的柞蠶沙的產(chǎn)量可達(dá)到2000萬(wàn)公斤。

柞蠶沙與家蠶沙的主要成分相近或基本一致，單頭蠶的產(chǎn)沙量卻高很多，也是十分理想的生物質(zhì)能源，家蠶沙發(fā)酵產(chǎn)沼氣的工藝也基本適用于柞蠶沙。但是，相比家蠶來(lái)說(shuō)，柞蠶屬于野外放養(yǎng)的品種，需直接放在柞樹(shù)上自由取食，5齡后除沙結(jié)繭的過(guò)程也都是在野外柞樹(shù)上進(jìn)行，不能同家蠶一樣，在室內(nèi)的蠶蔟上結(jié)繭，這就給柞蠶沙的收集造成了一定困難。

柞蠶沙通常都集中于營(yíng)繭場(chǎng)地面上，相對(duì)比較集中，長(zhǎng)久以來(lái)都是不另加處理，順其自然分解消化成為柞樹(shù)的肥料，如果想使柞蠶沙以生物質(zhì)能的形式發(fā)揮更大的作用，還需要科研人員找尋出合理、高效的柞蠶沙收集方式，如果成功，還可推廣到全國(guó)所有的柞蠶產(chǎn)區(qū)，使蠶沙生物質(zhì)能的利用不僅僅局限于我國(guó)南方家蠶產(chǎn)區(qū)，屆時(shí)的柞蠶沙利用將產(chǎn)生出巨大的能源，為我國(guó)北方蠶業(yè)乃至全國(guó)農(nóng)業(yè)做出更多更大的貢獻(xiàn)。

6全面開(kāi)發(fā)蠶沙作為生物質(zhì)能的意義與建議

我國(guó)當(dāng)前面臨著經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和環(huán)境保護(hù)的雙重壓力。改變能源的生產(chǎn)和消費(fèi)方式，充分開(kāi)發(fā)利用生物質(zhì)能對(duì)建立可持續(xù)的能源系統(tǒng)，促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)具有重大意義。

我國(guó)作為蠶業(yè)生產(chǎn)大國(guó)，蠶業(yè)生產(chǎn)每年所產(chǎn)蠶沙量是一個(gè)龐大的數(shù)字，開(kāi)發(fā)利用蠶沙作為生物質(zhì)能對(duì)我國(guó)蠶業(yè)產(chǎn)區(qū)更具特殊意義。以此作為生物質(zhì)能源，必將對(duì)中國(guó)生物質(zhì)能的開(kāi)發(fā)產(chǎn)生巨大的推動(dòng)作用，為中國(guó)生物質(zhì)能利用開(kāi)辟新的途徑。

我國(guó)從事蠶業(yè)養(yǎng)殖近千萬(wàn)，蠶業(yè)生產(chǎn)作為其主要經(jīng)濟(jì)生活來(lái)源占有十分重要的地位，蠶業(yè)副產(chǎn)物蠶沙用于發(fā)酵沼氣作為主要的生活燃料，以可再生循環(huán)的生物質(zhì)能形式為農(nóng)村蠶業(yè)人口的生產(chǎn)生活帶來(lái)了可喜的變化。將蠶沙等蠶桑副產(chǎn)品綜合加工利用，延長(zhǎng)了整個(gè)蠶桑產(chǎn)業(yè)鏈，增加了產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益及附加值。發(fā)展此生物質(zhì)能技術(shù)，為農(nóng)村地區(qū)提供生活和生產(chǎn)用能，是幫助這些地區(qū)脫貧致富，實(shí)現(xiàn)小康目標(biāo)的一項(xiàng)重要任務(wù)。

國(guó)家在蠶沙生物質(zhì)能的利用上，還應(yīng)該給予更多的支持。建立相關(guān)的能源基地；加大研發(fā)力度，突破技術(shù)上的難點(diǎn)；加大政府扶持力度，建立和完善各類(lèi)保障機(jī)制和服務(wù)系統(tǒng)，鼓勵(lì)和促進(jìn)蠶沙等生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展[13]。立足于農(nóng)村自有條件，研究新型轉(zhuǎn)換技術(shù)，以減少排放、保護(hù)環(huán)境為目標(biāo)，為我國(guó)全面實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略做出貢獻(xiàn)。

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作者簡(jiǎn)介：薛強(qiáng)，碩士，吉林省蠶業(yè)科學(xué)研究院，副研究員，研究方向：蠶業(yè)綜合利用研究。