NONGJIASHUWUGONGCHENGSHUXI“農家書屋”工程書係沼氣池建設與安全利用ZHAOQICHIJIANSHEYUANQUANLIYONG■劉培軍張曰林王澤洋主編山東科學技術出版社圖書在版編目(CIP)數據沼氣池建設與安全利用\/劉培軍等主編.—濟南:山東科學技術出版社,2010(“農家書屋”工程書係)ISBN978-7-5331-5508-7Ⅰ.沼…Ⅱ.劉…Ⅲ.農村—沼氣池—基本知識Ⅳ.S216.4中國版本圖書館CIP數據核字(2009)第213581號“農家書屋”工程書係沼氣池建設與安全利用劉培軍張曰林王澤洋主編出版者:山東科學技術出版社地址:濟南市玉函路16號郵編:250002電話:(0531)82098088網址:www.lkj.com.cn電子郵件:[email protected]發行者:山東科學技術出版社地址:濟南市玉函路16號郵編:250002電話:(0531)82098071印刷者:地址:郵編:電話:開本:850mm×1168mm1\/32印張:5.5版次:2010年8月第1版第1次印刷ISBN978-7-5331-5508-7定價:11元主
編劉培軍張曰林王澤洋副主編劉兆勇柳洪艇王強參
編張希民才利偉張新峰趙
冰目錄MULU沼氣池建設高效栽培一、沼氣基礎知識………………………………………………1(一)什麼是沼氣……………………………………………1(二)沼氣產生的原理………………………………………3(三)沼氣發酵的條件………………………………………8(四)沼氣的用途……………………………………………14二、農村戶用沼氣池的設計與建造……………………………17(一)農村戶用沼氣池的種類、構造………………………17(二)戶用沼氣池的工作原理………………………………21(三)戶用圓柱形水壓式沼氣池的設計……………………22(四)戶用圓柱形水壓式沼氣池的施工……………………37(五)戶用沼氣池的質量檢查驗收方法……………………56(六)強回流沼氣池的設計…………………………………59(七)聯戶小型沼氣工程……………………………………61三、沼氣池的啟動與運行………………………………………67(一)沼氣池的發酵啟動……………………………………67(二)沼氣池的運行…………………………………………75(三)利用農作物秸稈作沼氣發酵原料……………………79四、沼氣輸氣管路、燈、爐具的安裝與使用……………………82(一)沼氣輸氣係統的構成…………………………………82“農家書屋”工程書係…………■1(二)沼氣的燃燒和淨化……………………………………85(三)沼氣輸氣管路的施工與安裝…………………………87(四)沼氣燈、爐具的配套安裝與使用……………………91(五)沼氣常見的故障及排除……………………………100五、沼氣池的管理與維護……………………………………103(一)沼氣池的日常管理…………………………………103(二)沼氣的安全使用……………………………………109(三)沼氣池的保養與維護………………………………112(四)沼氣池越冬管理……………………………………115(五)戶用沼氣池日常管理常見問題與防治……………118六、沼氣的綜合利用…………………………………………129(一)沼氣的利用…………………………………………129(二)沼液的綜合利用……………………………………134(三)沼渣的綜合利用……………………………………144附錄……………………………………………………………148(一)農村家用水壓式沼氣池施工操作規程……………148(二)農村家用沼氣管路施工安裝操作規程……………155(三)農村家用水壓式沼氣池質量檢查驗收……………1612■…………“農家書屋”工程書係一、沼氣基礎知識中國是一個農業大國,有80%的人口居住在農村,人口眾多,能源消費水平低,但具有大量的生物能資源,通過沼氣發酵將人畜糞便、秸稈、農業有機剩餘物、農副產品加工的有機廢水、工業廢水和垃圾等轉化為沼氣,是一種利用生物質能的有效方法,所生產的沼氣是一種清潔的氣體燃料,既可以作為生活用能,還可以作動力,又能使廢棄的有機物得到充分的處理與利用,有利於農業生態建設和環境保護。
(一)什麼是沼氣1.沼氣的形成沼氣是各種有機物質如農作物的秸稈、雜草、人畜糞便、垃圾、汙泥、工業有機廢水等在厭氧條件下,通過各類厭氧微生物的分解代謝而產生的一種可燃氣體。它廣泛存在於自然界的許多地方,如臭水溝、水塘和大糞池中,我們從中經常看到有氣泡產生,這些氣泡中的氣體就是沼氣。氣溫越高,氣泡就冒得越多。另外,在稻田、城市生活汙水地下管網、城市生活垃圾填埋場也會產生大量的沼氣。由於這種氣體最初是在沼澤、湖泊、池塘中發現的,所以人們叫它沼氣。沼氣在農業“農家書屋”工程書係…………■1生產和農村生活中是一種優質的燃料,是一種清潔的可以燃燒的混合氣體,它與城市使用的天然氣性能差不多,隻是沼氣的熱值比天然氣低一些。
2.沼氣的成分沼氣之所以能夠燃燒,主要是靠甲烷成分。甲烷是一種可燃氣體。沼氣的組成中,可燃成分包括甲烷、硫化氫、一氧化碳和重烴等氣體;不可燃成分包括二氧化碳、氮和氨等氣體。其中,甲烷占60%左右,二氧化碳占40%左右,此外還有少量氫氣、硫化氫、一氧化碳、氮氣和氨等。沼氣未燃燒時略有蒜味或臭雞蛋氣味,是因為沼氣中含有少量硫化氫氣體的緣故,硫化氫對人體有害,使用時必須進行處理。
3.沼氣的性質沼氣是一種無色、有味、有毒、有臭的混合氣體,它的主要成分甲烷在常溫下是一種無色、無味、無臭、無毒的氣體。甲烷的分子式為CH4,是一個碳原子與四個氫原子所結合的簡單碳氫化合物,不含氮、磷、鉀等元素,所以在燃燒時不會把發酵原料中的肥分燒掉。
當甲烷完全燃燒時,呈藍白色火焰,燃燒溫度可達1400℃,能夠產生大量的熱。每立方米甲烷氣體完全燃燒時,發熱量為36.4兆焦(8717大卡)。每立方米人工沼氣的發熱量為20.9兆焦(5000大卡)左右,相當於1千克優質煤或0.7千克汽油的發熱量。沼氣是一種優質的氣體燃料,不僅能用來燒菜、煮飯、點燈,還可以用作動力燃料,開動內燃機。每立方米的人工沼氣,能供3~4口之家三餐飯菜的燃料,能使一盞2■…………“農家書屋”工程書係一、沼氣基礎知識60支光的沼氣燈照明6小時,能使1馬力的內燃機工作2小時,能發電1.25千瓦·時。
(二)沼氣產生的原理有機物質產生沼氣是一個複雜的微生物發酵過程。沼氣細菌分解有機物,產生沼氣的過程,叫沼氣發酵。根據沼氣發酵過程中各類細菌的作用,沼氣細菌可以分為兩大類:第一類細菌叫做分解菌(不產甲烷菌),第二類細菌叫產甲烷細菌,通常叫產甲烷菌。
1.沼氣微生物種類及其代謝規律沼氣發酵是一個複雜的微生物學過程,了解這一過程中各類微生物的作用及其活動規律,才能把沼氣發酵建立在科學的基礎之上。隻有有了大量的沼氣微生物,並使各種類群的微生物得到最佳的生長條件,各種有機物原料才會在微生物的作用下轉化為沼氣。
(1)沼氣發酵微生物的種類和作用:沼氣發酵微生物是一個統稱,包括發酵性細菌、產氫產乙酸菌、耗氫產乙酸菌、食氫產甲烷菌、食乙酸產甲烷菌五大類群。這些微生物按照各自的營養需要,起著不同的物質轉化作用。從複雜有機物的降解,到甲烷的形成,就是由它們分工合作和相互作用而完成的。
在沼氣發酵過程中,五大類群細菌構成一條食物鏈,從各群細菌的生理代謝產物或它們的活動對發酵液pH的影響來看,沼氣發酵過程可分為水解、產酸和產甲烷階段。前三大類群細菌的活動可使有機物形成各種有機酸,因此,將它們統稱“農家書屋”工程書係…………■3為不產甲烷菌。後兩大類群細菌的活動可使各種有機酸轉化成甲烷,因此,將它們統稱為產甲烷菌。
①不產甲烷菌:不產甲烷菌能將複雜的大分子有機物變成簡單的小分子量的物質。它的作用是將複雜的有機物分解成簡單的有機物和二氧化碳(CO2)等。它們當中有專門分解纖維素的,叫纖維分解菌;有專門分解蛋白質的,叫蛋白分解菌;有專門分解脂肪的,叫脂肪分解菌。
②產甲烷菌:產甲烷菌是沼氣發酵的主要成分———甲烷的產生者。它的作用是把簡單的有機物及二氧化碳氧化或還原成甲烷,是沼氣發酵微生物的核心,它們嚴格厭氧,對氧和氧化劑非常敏感,最適宜的pH範圍為中性或微堿性。它們依靠二氧化碳和氫生長,並以廢物的形式排出甲烷,是要求生長物質最簡單的微生物。
(2)沼氣微生物的生長規律:生物生命活動以新陳代謝為基礎,沼氣發酵微生物的生長和代謝過程可分適應期、對數生長期、平衡期、衰亡期四個時期。
①適應期:菌種剛剛接入新鮮培養液中,細菌的各種生理機能需要有一個適應過程,細胞內各種酶係統要經過一番調整,這一時期細菌並不馬上進行繁殖。適應期的長短與細菌的種類及環境變化條件有關。例如,繁殖速度快的酸化菌,一般適應期較短,繁殖速度慢的產甲烷菌適應期就較長。此外,接種量的多少、接種物所處的生長發育階段及其前後生活條件都對適應期的長短有所影響。
②對數生長期:細胞經過一段適應後,逐步以最快速度進行繁殖,即按1,2,4,8,16……的對數上升。這一段時間內發酵產物的增長速度隨細胞數量的增加而上升。如果微生物所4■…………“農家書屋”工程書係一、沼氣基礎知識處的環境條件能夠不斷得到更新,所需的營養物質能夠及時得到供應和保障,這種增長速度就可以一直保持下去。這就是連續投料發酵可以獲得高產氣率的理論根據。
③平衡期:微生物細胞經過一定時期高速繁殖後,由於養料的消耗和代謝產物的積累以及環境條件(如酸堿度、氧化還原勢等)的變化,使得細胞繁殖速度減慢,少數細胞開始死亡,表現在一定時期內繁殖速度與死亡速度相對平衡。這一時期發酵液內細胞總數達到最高水平,是積累代謝產物的重要時期。
④衰亡期:由於培養基中營養物質的顯著減少,環境條件越來越不適宜微生物的生長繁殖,細胞死亡速度加快,以至細胞死亡數目大大超過新生數目,活菌總數明顯下降。
通過以上對微生物生長規律的分析可以看出,微生物在旺盛生長期內生長的速度高,生理活性也最強,如采用這一時期的微生物進行接種就可以縮短適應期。在發酵工藝上,采用連續投料發酵的方法,可以保證微生物始終在適宜條件下旺盛生長,從而獲得較高的產氣量。
(3)沼氣發酵微生物的特點:理論和實踐證明,沼氣發酵過程實質上是多種類群微生物的物質代謝和能量代謝過程,在此過程中,沼氣發酵微生物是核心,其發酵工藝條件的控製都以沼氣發酵微生物學為理論指導。沼氣發酵微生物具有以下特點:①分布廣,種類多:上至1.2萬米的高空,下至2千米的地層深處都有微生物的蹤跡。目前,已被人類研究過的微生物有3萬~4萬種之多。沼氣微生物在自然界中分布也很廣,特別是在沼澤、糞池、汙水池以及陰溝汙泥中存在各種各樣的沼“農家書屋”工程書係…………■5氣發酵微生物,種類達200~300種,它們是可利用的沼氣發酵菌種的源泉。
②繁殖快,代謝強:在適宜條件下,微生物有很高的繁殖速度。產酸菌在生長旺盛時,20分鍾或更短的時間內就可以繁殖一代,產甲烷菌繁殖速度較慢,約為產酸菌的1\/15。微生物之所以能夠出現這樣高的繁殖速度,主要因為它們具有極大的表麵積和體積比值,例如直徑為1微米的球菌,其麵積和體積的比值為6萬,而人的這種比值卻不到1。所以,它能夠以極快的速度與外界環境發生物質交換,使之具有很強的代謝能力。
③適應性強,容易培養:與高等生物相比,多數微生物適應性較強,並且容易培養。在自然條件下,成群體狀態生長的微生物更是如此。例如,沼氣池裏的微生物(主要是厭氧和兼性厭氧兩大菌群)在10~60℃條件下,都可以利用多種多樣的複雜有機物進行沼氣發酵。有時經過馴化培養後的微生物可以加快這種反應,從而更有效地達到生產能源和保護環境的目的。
2.沼氣產生的原理沼氣發酵又稱為厭氧消化、厭氧發酵和甲烷發酵,是指有機物質(如人畜家禽糞便、秸稈、雜草等)在一定的水分、溫度和嚴格的厭氧環境條件下,通過種類繁多、數量巨大且功能不同的各類微生物的分解代謝,最終形成甲烷和二氧化碳等混合性氣體(沼氣)的複雜的生物化學過程。因此,有機物變成沼氣的過程,就好比工廠裏生產一種產品的兩道工序:首先是分解細菌將糞便、秸稈、雜草等複雜的有機物加工成半成6■…………“農家書屋”工程書係一、沼氣基礎知識品———結構簡單的化合物;再就是在產甲烷菌的作用下,將簡單的有機物加工成產品———即生成甲烷。大致分三個階段進行。
(1)水解階段:沼氣池中使用的原料都是複雜的有機物質,它們不能直接產生沼氣(甲烷),而是通過一些微生物的作用,先將糞便、農作物秸稈、雜草等有機物進行腐爛,分解為結構比較簡單的有機物,即把固體的有機物質通過酶的作用轉變為可溶於水的有機物質。
在沼氣發酵中首先是發酵性細菌群利用各種酶,如纖維酶、澱粉酶、蛋白酶和脂肪酶等,對有機物進行分解,也就是把畜禽糞便、作物秸稈等高分子有機物分解成能溶於水的單糖、氨基酸、甘油和脂肪酸等低分子有機物。這個階段叫水解階段。
(2)產酸階段:水解階段產生的低分子有機物進一步分解為乙酸、丙酸、丁酸、氫和二氧化碳等,再由產氫產乙酸菌把發酵性細菌產生的丙酸、丁酸轉化為產甲烷菌可利用的乙酸、氫和二氧化碳。在這個過程中,不產甲烷的細菌種類繁多、數量巨大,它們主要的作用是為產甲烷菌提供營養和為產甲烷菌創造適宜的厭氧條件。
(3)產甲烷階段:產甲烷階段是由產甲烷菌來完成的,在此階段中,由產甲烷細菌把產生的乙酸、丙酸和醇類等小分子化合物進一步分解產生甲烷。
沼氣發酵時,70%的甲烷是由乙酸生成的。但這並不等於說,發酵液中乙酸濃度越高,產生甲烷的速度越快,恰恰相反,發酵液中乙酸濃度過高,反而會導致產生甲烷的速度很慢,甚至停止產生甲烷氣體。因為,在發酵料液濃度高時(填“農家書屋”工程書係…………■7料多、水少)甲烷菌受到抑製,產甲烷菌分解不了過多的酸,沼氣池易酸化,就是產酸與產甲烷速度的不平衡。在實際操作中遇到此情況,最好的解決辦法就是停止進料。
(三)沼氣發酵的條件1.合適的發酵原料沼氣發酵原料是沼氣微生物賴以生存的物質基礎,也是沼氣微生物進行發酵產生沼氣的原料。在自然界中,沼氣的發酵原料十分廣泛而豐富,幾乎所有的有機物都可以作為沼氣發酵原料。不同的沼氣發酵原料其特性各不相同,按物理形態分為固態原料和液態原料兩類,按來源分為農村沼氣發酵原料、城鎮沼氣發酵原料和水生植物三類,通常我們按營養成分將發酵原料分為富氮原料和富碳原料兩類。
富氮原料主要是指富含氮元素的原料,如人、畜和家禽的糞便,這類原料經過了人和動物腸胃係統的充分消化,顆粒較細,含有較多低分子化合物,氮素含量較高,其碳氮比一般都小於25∶1。因此,在進行沼氣發酵時,它們不必進行預處理,就容易厭氧分解,產氣很快,發酵期較短。這種原料是我國農村沼氣發酵原料的主要來源之一。
富碳原料主要是指各類農作物的秸稈,其碳元素含量較高,原料的碳氮比一般都在30∶1以上,這類原料富含纖維素、半纖維素、果膠以及難降解的木質素和植物蠟質。幹物質含量比富氮的糞便原料高,且質地疏鬆,比重小,進沼氣池後容易飄浮形成殼層。其產氣特點是分解速度較慢,產氣周期長,但單位原料總產氣量較高,發酵前一般需經預處理,以提高產氣效果。
8■…………“農家書屋”工程書係一、沼氣基礎知識原料碳氮比(C\/N):氮素是構成沼氣微生物軀體細胞質的重要原料,碳素不僅構成微生物細胞質,而且提供生命活動的能量。發酵原料的碳氮比不同,其發酵產氣情況差異很大。
從營養學和代謝作用角度看,沼氣發酵細菌消耗碳的速度比消耗氮的速度要快25~30倍(表1)。因此,在其他條件都具備的情況下,碳氮比例配成25∶1~30∶1可以使沼氣發酵在合適的速度下進行。如果比例失調,就會使產氣和微生物的生命活動受到影響。
表1
常用原料的C\/N原料種類%
%CN碳素含量()氮素含量()\/
鮮豬糞7.80.613∶17.30.2925∶1鮮牛糞2.50.653∶1鮮人糞160.5529∶1鮮羊糞100.2424∶1鮮馬糞400.7553∶1玉米秸460.5387∶1幹麥草420.6367∶1幹稻草140.5426∶1野
草411.0041∶1落
葉原料濃度:在沼氣發酵中,保持適宜的發酵料液濃度,對於提高產量、維持產氣高峰是十分重要的。在生產上,一般都采用總固體濃度來表示和計算發酵料液的濃度。總固體濃度是指發酵原料的總固體(或幹物質)重量占發酵液重量的百分比。沼氣發酵通常采用6%~10%的發酵料液濃度較為適宜。
“農家書屋”工程書係…………■92.足量、有活性的接種物為了加快沼氣發酵的啟動速度和提高沼氣池產氣量而向沼氣池加入的富含沼氣微生物的物質,統稱接種物。
因此,沼氣發酵的前提條件就是要接入含有大量這種微生物的接種物,或者說含量豐富的菌種。
沼氣發酵微生物都是從自然界中來的,而沼氣發酵的核心微生物菌落是產甲烷菌群,一切具備厭氧條件和含有有機物的地方都可以找到它們的蹤跡。它們的生存場所,或者說我們采集接種物的來源主要有:沼氣池中的沼渣、沼液;各種湖泊、沼澤、池塘及陰溝不流動的水;動物糞便及積水糞坑;屠宰場、釀造廠、豆製品廠、副食品加工廠等陰溝水。
無論是大、中型沼氣工程,還是戶用沼氣池啟動時,一定要加入10%~30%的接種物。在其他條件相同的前提下,加大接種量,對於沼氣池盡快啟動、產氣快、氣質好是非常重要的。