【文章內容簡介】 0年，成立了中國沼氣協(xié)會，使沼氣建設事業(yè)逐步走上依靠科學技術、保證建池質量、重視經濟效益、建管并重、穩(wěn)步發(fā)展的道路，使沼氣事業(yè)形成了以能源、環(huán)境保護、生態(tài)農業(yè)為目標的發(fā)展方向。90年代以來通過對沼氣發(fā)酵的科學原理和應用技術進行大量的科學研究與實驗，取得了許多出色的研究成果。在沼氣發(fā)酵工藝研究方面，基本上達到了世界先進水平。到2007年底，我國農村戶用沼氣已發(fā)展到2650萬戶，年產沼氣102億立方米，相當于替代1600萬噸標準煤。各類沼氣工程達到2．66萬處，其中大型沼氣工程1600多處。今年，中央和地方對農村沼氣的投入力度進一步加大，農村沼氣保持了快速發(fā)展的良好勢頭，預計全年新增戶用沼氣450萬戶。目標到2010年，全國將有4000萬農戶用上沼氣，達到適宜農戶的30％左右。全國規(guī)模化養(yǎng)殖場大中型沼氣工程總數達4700處左右，達到適宜畜禽養(yǎng)殖場總數的39％左右。全國4000萬戶沼氣，每年可產生約154億立方米的沼氣，相當于替代2420萬噸標準煤。沼氣農戶每年節(jié)約燃料費、電費、化肥和農藥等直接支出約500元，全國4000萬戶沼氣可年增收節(jié)支200億元。過去二十多年，我國在農村沼氣的建設方面取得了世界公認的成績，但是在戶用型沼氣池的建設和利用過程中，仍然存在一些技術問題亟待解決。由以上國外的應用典型可知國外的沼氣主要用于發(fā)電等工業(yè)用途，而我國的沼氣目前大部分還是作為農村能源的一部分，其特殊性就決定我們必須找出適合我國的沼氣發(fā)展的方法。1．3研究目的和意義針對我國農村沼氣池冬季產氣量下降甚至不產氣的主要問題，考慮在冬季為其保溫并通過熱源來提高池溫。而太陽能也是一種可再生能源，所以在結合這兩種能源來提高沼氣池的利用率。針對我國寒冷地區(qū)太陽能資源充足、冬季寒冷的氣候特色，設計出一套適合本地區(qū)農戶使用的新型的太陽能加熱的戶用沼氣發(fā)酵裝置。裝置可以解決傳統(tǒng)沼氣池冬季不產氣的問題，實現沼氣池向北方寒冷地區(qū)的過渡，滿足本地區(qū)農戶全年對沼氣的需求。1． 研究意義綜上，本課題從世界對能源的需求入手，分析可再生能源開發(fā)的必要性，并針對北方地區(qū)冬季氣候寒冷，沼氣池不產氣的問題，結合西北地區(qū)太陽能資源豐富的特點，將太陽能中低溫集熱裝置和沼氣發(fā)酵裝置進行組合，設計了一套新型的太陽能加熱的沼氣生產系統(tǒng)。本系統(tǒng)可以充分利用西北地區(qū)豐富的生物質能和太陽能資源，冬季采用太陽能集熱裝置加熱厭氧發(fā)酵裝置生產沼氣，滿足農戶用能需求；夏季池溫較高，太陽能熱水可以直接用于農戶生活需要。本系統(tǒng)可以滿足農戶全年對沼氣以及生活熱水的需要。本研究對改善農村人居環(huán)境和生態(tài)環(huán)境，推進農村城鎮(zhèn)化建設步伐，緩解農村生活用能和工業(yè)用能之間的矛盾，實現節(jié)能減排，加快社會主義新農村建設步伐，建設和諧的社會主義新農村有重要示范推廣價值和重大社會經濟意義。第2章 沼氣發(fā)酵的基本原理 沼氣發(fā)酵原理沼氣是有機物質在隔絕空氣和保持一定水分、溫度、酸堿度等條件下，經過多種微生物(統(tǒng)稱沼氣細菌)的分解而產生的。沼氣細菌分解有機物質產生沼氣的過程，叫沼氣發(fā)酵。這是沼氣產生的基本原理，即厭氧機理，其發(fā)酵的生物化學過程，大致可分為3個階段,:第一階段(液化階段)：在微生物胞外酶的作用下，將多糖分解成單糖蛋白質轉化成肽和氨基酸，脂肪酸轉變?yōu)楦视秃椭舅?。也就是將固體有機物轉化成可溶性物質。第二階段(產酸階段)：液化產物在胞內酶的作用下將復雜的有機物轉化為簡單的小分子化合物，如低級脂肪酸、醇等。第三階段(產甲烷階段)：液化產物在胞內酶的作用下將復雜的有機物轉化為簡單的小分子化合物，如低級脂肪酸、醇等。沼氣發(fā)酵的3個階段是相互依賴和連續(xù)進行的，并保持動態(tài)平衡。在沼氣發(fā)酵初期，以第一、二階段的作用為主，也有第三階段的作用。在沼氣發(fā)酵后期，則是3個階段的作用同時進行，一定時間后，保持一定的動態(tài)平衡持續(xù)正常的產氣。人工制取沼氣必須具備兩個條件：第一，必須具備嚴格的厭氧環(huán)境；第二，具備充足的發(fā)酵原料和足夠的沼氣接種物，而且具有適宜的發(fā)酵濃度、溫度和酸堿度等。沼氣池內的發(fā)酵溫度是影響沼氣產生和產氣率高低的關鍵因素，在一定范圍內，溫度高，沼氣微生物的生命活動活躍，發(fā)酵順利進行，沼氣產生得快，產氣率也高；溫度低，沼氣微生物活動力差，原料的產氣速率差，甚至長時間不產氣。根據發(fā)酵溫度的高低可分為常溫發(fā)酵、中溫發(fā)酵、高溫發(fā)酵三種。高溫發(fā)酵，最適宜的溫度是5060℃，每l立方米池容，日產氣2立方米以上；中溫發(fā)酵最適宜的溫度是30—35℃，每1立方米池容，口產氣O．40．9立方米；常溫發(fā)酵的溫度是10．30。C，每1立方米池容，一般日產氣量為0．10．25立方米。溫度雖然對沼氣細菌的活動影響很大，但是多數沼氣細菌是屬于中溫型的，一般最適合溫度是在25．40℃之間，在此溫度范圍內，溫度越高，發(fā)酵越好。但在普通沼氣池中，保持較高溫度是有一定困難的，如能經常維持在30℃左右，就很理想了。、適宜的發(fā)酵原料在沼氣發(fā)酵過程中，發(fā)酵原料既是產生沼氣的基質，又是沼氣發(fā)酵微生物賴以生存的養(yǎng)料來源。沼氣發(fā)酵原料十分廣泛和豐富，除了礦物油和木質素外，自然界中的有機物質一般都可以作為沼氣發(fā)酵的原料，例如農作物秸稈，人、畜和家禽糞便，生活污水，工業(yè)和生活有機廢物等。根據沼氣發(fā)酵原料的化學性質和來源，可以分為以下幾類：富氮原料通常指富含氮元素的人、畜和家禽糞便，這類原料經過了人和動物腸胃系統(tǒng)的充分消化，一般顆粒細小，含有大量低分子化合物——人和動物未吸收消化的中間產物，含水量較高。因此，在進行沼氣發(fā)酵時，它們不必進行預處理，就容易厭氧分解，產氣很快，發(fā)酵期較短。富碳原料通常指富含碳元素的秸稈和秕殼等農作物的殘余物，這類原料富含纖維素、半纖維、果膠以及難降解的木質素和植物蠟質。干物質含量比富氮的糞便原料高，且質地疏松，比重小，進沼氣池后容易飄浮形成發(fā)酵死區(qū)——浮殼層，發(fā)酵前一般需經預處理。富碳原料厭氧分解比富氮原料慢，產氣周期較長。氮素是構成沼氣微生物軀體細胞質的重要原料，碳素則構成微生物細胞質，而且提供生命活動的能量。發(fā)酵原料的碳氮比不同，其發(fā)酵產氣情況差異也很大。從營養(yǎng)學和代謝作用角度看，沼氣發(fā)酵細菌消耗碳的速度比消耗氮的速度要快25~30倍。因此，在其他條件都具備的情況下，碳氮比例配成25~30：l可以使沼氣發(fā)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。因此，制取沼氣不僅要有充足的原料，還應注意各種發(fā)酵原料碳氮比合理搭配。沼氣微生物的核心菌群——產甲烷菌是一種厭氧性細菌，對氧特別敏感，它們在生長、發(fā)育、繁殖、代謝等生命活動中都不需要空氣，空氣中的氧氣會使其生命活動受到抑制，甚至死亡。產甲烷菌只能在嚴格厭氧的環(huán)境中才能生長。所以，修建沼氣池，要嚴格密閉，不漏水，不漏氣，這不僅是收集沼氣和貯存沼氣發(fā)酵原料的需要，也是保證沼氣微生物在厭氧的生態(tài)條件下生活得好，使沼氣池能正常產氣的需要。2．2．4 pH值與堿度沼氣微生物的生長、繁殖，要求發(fā)酵原料的酸堿度保持中性，或者微偏堿性，過酸、過堿都會影響產氣。測定表明，酸堿度在pH=6~8之間，均可產氣，以pH=~，pH低于6或高于9時均不產氣。農村戶用沼氣池發(fā)酵初期由于產酸菌的活動，池內產生大量的有機酸，導致pH下降。隨著發(fā)酵持續(xù)進行，氨化作用產生的氨中和一部分有機酸，同時甲烷菌的活動，使大量的揮發(fā)酸轉化為甲烷和二氧化碳，使pH逐漸回升到正常值。所以，在正常的發(fā)酵過程中，沼氣池內的酸堿度變化可以自然進行調解，先由高到低，然后又升高，最后達到恒定的自然平衡(即適宜的pH)，一般不需要進行人為調節(jié)。只有在配料和管理不當，使正常發(fā)酵過程受到破壞的情況下，才可能出現有機酸大量積累，發(fā)酵料液過于偏酸的現象。此時，可取出部分料液，加入等量的接種物，將積累的有機酸轉化為甲烷，或者添加適量的草木灰或石灰澄清液，中和有機酸，使酸堿度恢復正常。為加快沼氣發(fā)酵啟動的速度和提高沼氣池產氣量，要向沼氣池加入含有豐富沼氣微生物的物質，稱為接種物(也叫活性污泥)。在一般的沼氣發(fā)酵原料和水中，沼氣微生物的含量很少，靠其自己繁殖，很難啟動。所以，在新池裝料前，要收集一定量的接種物。城市下水污泥，湖泊、池塘底部的污泥，糞坑底部沉渣，屠宰場、食品加工廠的污泥，以及污水處理廠厭氧消化池里的活性污泥等都含有大量的沼氣微生物，是良好的接種物。加入接種物的數量要足夠，接種物太少，不利于產氣；接種物過多，又會占去沼氣池的有效容積，影響總產氣量。因此加入接種物的數量一般應占發(fā)酵料液的10％~30％。 攪拌靜態(tài)發(fā)酵沼氣池原料加水混合與接種物一起投進沼氣池后，按其比重和自然沉降規(guī)律，從上到下將明顯的逐步分成浮渣層、清液層、活性層和沉渣層。這樣的分層分布，對微生物以及產氣是很不利的。導致原料和微生物分布不均，大量的微生物集聚在底層活動，因為此處接種污泥多，厭氧條件好，但原料缺乏，尤其是用富碳的秸稈做原料時，容易漂浮到料液表層，不易被微生物吸收和分解，同時形成的密實結殼，不利于沼氣的釋放。為了改變這種不利狀況，就需要采取攪拌措施，變靜態(tài)發(fā)酵為動態(tài)發(fā)酵。沼氣池的攪拌通常分為機械攪拌、氣體攪拌和液體攪拌三種方式。機械攪拌是通過機械裝置運轉達到攪拌目的；氣體攪拌是將沼氣從池底部沖進去，產生較強的氣體回流，達到攪拌的目的；液體攪拌是從沼氣池的出料問將發(fā)酵液抽出，然后從進料管沖入沼氣池內，產生較強的液體回流，達到攪拌的目的。實踐證明，適當的攪拌方式和強度，可以使發(fā)酵原料分布均勻，增強微生物與原料的接觸，使之獲取營養(yǎng)物質的機會增加，活性增強，生長繁殖旺盛，從而提高產氣量。攪拌又可以打碎結殼，提高原料的利用率及能量轉換效率，并有利于氣泡的釋放。采用攪拌后，平均產氣量可提高30％以上。第3章 太陽能加熱的沼氣發(fā)酵裝置的設計 太陽能加熱恒溫系統(tǒng) 太陽能加熱恒溫系統(tǒng)的組成太陽能加熱恒溫系統(tǒng)的結構示意圖如圖l所示。本系統(tǒng)主要由太陽能熱水器、熱水緩沖器、螺旋式換熱器、自動控制系統(tǒng)(溫度傳感器、交流觸電器、溫控儀和電磁閥等)、循環(huán)泵和其它輔助部件組成。其功能是為中溫發(fā)酵的沼氣反應罐進行加熱。 太陽能加熱恒溫系統(tǒng)的工作原理當反應罐內的溫度小于設定溫度時，由溫度傳感器反饋到溫控箱，從而開啟循環(huán)泵，促使熱水緩沖器中的熱水流經反應罐中的螺旋管式換熱器進行循環(huán)，對液料進行加熱，提升反應罐內的溫度；當反應罐內的溫度達到設定溫度時，再由溫度傳感器反饋到溫控箱，從而關閉循環(huán)泵，循環(huán)終止。熱水緩沖器的主要功能是為了控制進入螺旋換熱器中水的溫度，防止溫度過高。因為溫度過高時容易引起局部污泥溫度過高以及螺旋罐外壁結殼，通過熱水緩沖器將進入螺旋管中的溫度控制在60℃177。2℃。熱水緩沖器的工作原理分為兩個循環(huán)。第1循環(huán)熱水緩沖器的溫度高于62℃時，其循環(huán)路線為：熱水緩沖器一循環(huán)泵一閥3一螺旋換熱器一閥4一電磁閥3一熱水緩沖器此時，電磁閥1與電磁閥2關閉，切斷與太陽能熱水箱的循環(huán)；電磁閥3打開，循環(huán)水直接通過熱水緩沖器進行循環(huán)，促使熱水緩沖器中的溫度降低。第2循環(huán)熱