北方沼氣池越冬方法改進＊

黃崑成,汪家權,祝翠,劉樹軍

(合肥工業大學資源與環境工程學院,安徽合肥,230009)

北方沼氣池越冬方法改進＊

黃崑成,汪家權,祝翠,劉樹軍

(合肥工業大學資源與環境工程學院,安徽合肥,230009)

由于北方冬季氣溫較低,沼氣池往往無法正常產生沼氣或產氣不足.介紹了沼氣池產氣原理,分析了沼氣池傳統越冬管理、操作方法,指出了沼氣池的建設和設計方面的不足之處,進而從理論上設計了一種改進的沼氣池越冬模式,以解決沼氣池冬天氣少和不能用的難題.

北方;沼氣池;越冬;設計

隨著人們環保意識與節能意識的不斷增強,建沼氣池的思想已經被越來越多的人們所接受,并迅速的投入建設,在廣大的農村更為突出.沼氣池不但能為人們提供充足的燃料,節約農村能源,還能擴大肥料來源,提高肥效.從生態方面看,建沼氣池能改善農村環境,增進人們健康.在農業生產中,沼液浸種同清水浸種相比,沼液浸泡過的種子不僅發芽率高、成秧率高,而且還增強秧苗抗寒、抗病、抗逆能力,具有較好的增產效果和經濟效益[1].可以說在廣大的農村地區建設沼氣池是一項一舉多得的措施,但北方較低的冬季氣溫不利于沼氣池產沼氣,甚至是不產氣或凍壞沼氣池,導致北方人們不能在冬季使用沼氣,這就要求人們尋找新的措施來對沼氣池保溫防寒,確保正常產氣.

1 沼氣池產氣及工作原理

1.1 沼氣池的產氣原理

沼氣池產氣主要原理是發酵,即有機物在一定的水分、溫度和厭氧條件下,通過各類微生物新陳代謝作用產生沼氣的過程.此過程一般分為三部分: 1)液化階段:即為產甲烷菌提供營養物質和為甲烷菌創造厭氧環境的過程.此階段主要是把多糖脂類、蛋白質轉化為單糖、低聚糖、脂肪酸、氨基酸等物質. 2)產酸階段:液化后,不產甲烷微生物將單糖、氨基酸、甘油、脂肪酸等物質轉化成簡單的有機酸(如乙酸、丙酸、丁酸、乳酸等)、醇和少量的二氧化碳、硫化氫等,由于此過程的主要產物是易揮發的有機酸,故此階段稱為產酸階段.3)產甲烷階段:產甲烷菌群,將以上兩步所分解轉化的小分子化合物等,通過分解或還原的方式生成甲烷和二氧化碳[2].如圖1所示.

1.2 沼氣池的工作原理

由于儲氣間密閉,沼氣池內產生沼氣時,儲氣間氣壓就會增大,隨著沼氣的不斷增加,儲氣間氣壓就會迫使主池內液面下降,擠壓出一部分料液到水壓間內.當我們使用沼氣時,沼氣池內氣壓就會逐漸減小,水壓間料液不斷流回主池[3].這樣,不斷地產氣和用氣,使發酵間和出料間始終維持壓力平衡的狀態.從而不斷產生沼氣供我們使用.

2 沼氣池傳統越冬方法及不足

進入冬季后農村沼氣池往往出現產氣量減少的現象,有些沼氣池甚至出現凍裂.因此,加強沼氣池的冬季管理十分重要.常用的沼氣池越冬方法有:保溫、使用添加劑、攪拌,但這些方法都存在一定的不足.

保溫是沼氣池越冬最常用、最簡單的方法,保溫一般分為覆蓋保溫和發酵產熱保溫:覆蓋保溫即在沼氣池上面覆蓋柴草、秸稈或者加厚土層等,以防止冷空氣進入降低池內溫度;而發酵產熱保溫是在沼氣池周圍挖好環形溝,溝內堆漚糞草,利用發酵產生熱來保溫[4].這兩種保溫方法或多或少地起到了給沼氣池保溫的效果,也有一定的實用性.覆蓋保溫雖然方法簡單、易操作,但此方法只能在原來溫度基礎上起到保溫作用而不能產熱來提升沼氣池溫度,對于北方寒冷的冬季氣溫來說,此方法在提升沼氣池溫度方面很有限;發酵產熱保溫對沼氣池保溫不能不說是個好方法,但是在沼氣池周圍挖溝會消耗大量人力財力,當溝內糞草發酵腐爛后,地面會發生下陷,作用于沼氣池上的外力減小,在夏季來臨時,氣溫升高,沼氣池膨脹,這時可能引起沼氣池壁破裂.

使用添加劑,促進多產氣常用添加劑主要有以下幾種:碳酸氫銨、蠶沙、活性污泥、廢舊電池等,就添加碳酸氫銨來說,為使產氣量調高30%,需要碳酸氫氨的量為沼氣池內原料的10%～30%[5],但對于15m3(滿足4～6口之家一年的用氣量)的容積的沼氣池來說,10%意味著1.5m3的碳酸氫銨,也就是1t(碳酸氫銨密度為1.586).1t碳酸氫銨市場價是618元,顯然不是一項經濟的措施.蠶沙、活性污泥、舊電池就更不現實了,在大部分農村這些添加劑很難獲得到,更何況需要一定量加入沼氣池中.

攪拌,冬季低溫條件下沼氣池容易結殼、分層,加強攪拌是必需的.一般每3～4天用人工攪拌或沼液回流攪拌一次,避免結殼、分層,而沼氣發酵微生物只能在一定的溫度范圍進行代謝活動,在8～65℃產生沼氣,溫度不同,產氣速度也不同;在8～40℃范圍內,溫度越高,產氣速率越大,但不是線性關系.由于北方地區溫度低,只要溫度低于8℃沼氣池就不能產氣,攪拌顯然不是解決問題的根本辦法.

3 沼氣池越冬改進設計及其特點

3.1 改進設計

設計一,如圖2所示.1)建設一個類似蒙古包形狀的圓柱形帶錐形頂的溫室,溫室外壁可以用透明塑料做成,然后在溫室的底部建一個圓形的沼氣池,沼氣池以上建一平面,并把該平面分為兩部分,一部分用水泥做底用來養豬牛羊等牲畜和作為人廁,另一部分用一定密度的鋼絲網做底,上面養雞鴨鵝等家禽,在以水泥地和鋼絲網為底的平面周圍的溫室壁上開幾個窗戶,作為換氣窗口.2)水泥地面和鋼絲網地面下面都有一個漏斗形的斜面,以便人畜家禽的排泄物順利進入沼氣池進料口.3)在溫室頂端安裝一根長于10m的管子,可以用PVC管,用于“抽”風換氣.

圖2 沼氣池越冬改進設計一

設計二,如圖3所示.將沼氣池溫室與蔬菜大棚用一根換氣管道相連接,建成一個沼氣太陽能圈[6],該換氣管道可以關閉,以便控制沼氣溫室與蔬菜溫室各氣體濃度和溫度的不同,使兩個溫室都能處在最有利于自己生長的環境中.

圖3 沼氣池越冬改進設計二

3.2 改進設計特點

1)確保正常產氣 改進建設的沼氣池兼具傳統沼氣池的所有功能,把沼氣池建在溫室大棚中避免了傳統沼氣池冬季產氣少或不產氣的現象,使北方地區沼氣池成功越冬成為可能.

2)節約材料、易管理 改進的沼氣池形狀是把沼氣池建成圓形的,因為根據幾何學原理,相同容積的沼氣池,正方體、長方體、球體中,球體的表面積最小,從而減少成本,而且圓形的沼氣池周圍受力均勻,池體牢固,最重要的一點是圓形沼氣池容易密閉,易于管理.

3)養殖面高度按需調節 如果感覺設計一中養殖面太高,還可以把沼氣池半埋半露,這樣同樣能起到保溫作用,因為塑料大棚提升沼氣池溫度試驗表明溫室大棚能使地表以下20cm處的沼氣池平均提高15.8℃,地表以下40cm處的沼氣池平均提高15.0℃[7],因此在溫室大棚內將沼氣池埋在地下一部分,對整個沼氣池的溫度影響不大.

4)節省空間、一舉多得 在沼氣池溫室內進行“網上”養家禽,一方面,家禽可以不與糞便接觸減少某些傳染病的發生,同時家禽糞便漏在網下面有利于及時收集和清除,從而為家禽的生長發育提供了適宜的環境條件.由于家禽在網上離開地面飼養,有利于空氣流通,可防潮,降低舍內的濕度,通風換氣好于地面平養,有利于雞的生長發育,還能使飼養密度大大增加、投藥大大減少,成本也大大降低[8].另一方面,家禽的正常體溫是41℃左右,牲畜的體溫也在38℃左右,這樣由家禽,牲畜等身體發出的熱量能夠穿過鋼絲網迅速、容易的傳給沼氣池,從而起到加溫沼氣池的作用.

5)節能 在溫室頂部建長長的類似煙囪的作用是通風透氣,其原理是因為管道越高管道內的熱空氣就越多,它所受到的總浮力就越大,浮力產生的壓強就越大,促使溫度高的氣體向上運動,換言之,建設高煙囪就是產生一個向上提的力,煙囪越高排煙能力就越強,這樣就加強了空氣流動,促進了氣體交換,尤其是在夏季,對溫室內氣體交換的作用是巨大的,而且該過程沒有使用任何外部動力,從而做到了節能的目的.

6)物質循環利用 設計二,把沼氣池太陽能圈跟蔬菜大棚連接起來,這樣就建成了一個小型的物質循環體系,使家禽、牲畜呼吸產生的CO2進入蔬菜大棚為其提供碳源,同時有利于大棚內植物光合作用產生的氧氣進入沼氣池溫室,為家禽牲畜提供氧氣,另外還可以在蔬菜大棚中點沼氣燈,一方面增加了大棚溫度,另一方面為植物生長提供豐富的CO2,實驗表明:一架30m長的大棚,點燃沼氣燈6只,1h后,棚內CO2在空氣中的質量分數達0.12%.在早春季節還可提高棚溫2～4℃,葉片光合強度增加5%～18%.如果用點燃沼氣的方式來增施CO2,可使黃瓜、西紅柿、甜椒平均分別增產49.8%、21.5%、36%,并且能夠延長生長期[9].這樣既保證了沼氣池的溫度又充分利用了原料,達到了環保、節能、經濟、循環的目的.

4 結論

沼氣池已經在廣大農村普遍發展,它把節能、廢物利用、循環經濟融為一體,越來越成為中國農民、農村、農業發展必不可缺的一部分.但就目前來看,在全國范圍內沼氣池技術尚未達到完善階段,還存在著諸多的問題.只有掌握沼氣池產氣原理和分析傳統沼氣池建設時的不足,提出新的克服這些缺陷的改進方法,才能使沼氣池技術更好地發揮環保、節能、循環經濟的功能,給人們帶來方便,讓人們的生活變得更加美好.

[1]管鳳云.沼液浸種[J].農民致富之友,2006,(1):14.

[2]周孟津,張榕林,藺金印.沼氣實用技術[M].第2版.北京:化學工業出版社,2009:10

[3]張平.水壓式沼氣池原理與構造[J].可再生能源,2003, (6):29-30.

[4]楊樹生,楊坤,王世仙.生物質發酵升溫提高沼氣池溫和保溫技術[J].可再生能源,2007,25(3):88-91.

[5]沈惠.秸稈沼氣技術操作要點及注意事項[J].生態農業, 2009,(11):52-53.

[6]王守卿.農村戶用沼氣池冬季管理技術[J].北京農業, 2009,(12):44.

[7]王月蘭,莫瑤,魏敏,等.北方冬季沼氣池的增溫技術探究[J].安徽農業科學,2009,37(3):1229-1230.

[8]李蘭.“網上”養雞新模式[J].農業知識,2007,(12):19.

[9]楊柳.溫室大棚蔬菜沼氣CO2施肥技術[EB/OL].http://www.wtq.gov.cn.,2010-02-01.

The I mprovement ofMethane Pit in Northern W inter

HUANG Kun-chengWANG Jia-quan,ZHU Cui,L IU Shu-jun

(College ofNatural Resources and Environmental Engineering,HefeiUniversity of Technology,HefeiAnhui 230009,China)

As is known,in winter in north,because of low temperature,the methane pit cannot nor mally produce gas or cannotmake enough.The paper introduces the principles ofmethane production,analyzes the management and operation of the pit in winter,and points out the shortcomings of the pit in the construction and design. Then the paper,theoretically,designs an improved pit nodel,so as to solve methane shortage in winter.

north;methane-generating pit;wintering;design

book=9,ebook=338

S 216.4

A

1673-2103(2010)05-0083-03

2010-07-04

黃崑成(1983-),男,山東沂水人,在讀碩士研究生,研究方向:環境規劃與管理.汪家權(1957-),男,安徽太湖人,教授,博士研究生導師,研究方向:環境系統仿真與污染控制.