【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 0年，成立了中國(guó)沼氣協(xié)會(huì)，使沼氣建設(shè)事業(yè)逐步走上依靠科學(xué)技術(shù)、保證建池質(zhì)量、重視經(jīng)濟(jì)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(hù)、生態(tài)農(nóng)業(yè)為目標(biāo)的發(fā)展方向。90年代以來(lái)通過(guò)對(duì)沼氣發(fā)酵的科學(xué)原理和應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行大量的科學(xué)研究與實(shí)驗(yàn)，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(dá)到了世界先進(jìn)水平。到2007年底，我國(guó)農(nóng)村戶用沼氣已發(fā)展到2650萬(wàn)戶，年產(chǎn)沼氣102億立方米，相當(dāng)于替代1600萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤。各類沼氣工程達(dá)到2．66萬(wàn)處，其中大型沼氣工程1600多處。今年，中央和地方對(duì)農(nóng)村沼氣的投入力度進(jìn)一步加大，農(nóng)村沼氣保持了快速發(fā)展的良好勢(shì)頭，預(yù)計(jì)全年新增戶用沼氣450萬(wàn)戶。目標(biāo)到2010年，全國(guó)將有4000萬(wàn)農(nóng)戶用上沼氣，達(dá)到適宜農(nóng)戶的30％左右。全國(guó)規(guī)模化養(yǎng)殖場(chǎng)大中型沼氣工程總數(shù)達(dá)4700處左右，達(dá)到適宜畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)總數(shù)的39％左右。全國(guó)4000萬(wàn)戶沼氣，每年可產(chǎn)生約154億立方米的沼氣，相當(dāng)于替代2420萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤。沼氣農(nóng)戶每年節(jié)約燃料費(fèi)、電費(fèi)、化肥和農(nóng)藥等直接支出約500元，全國(guó)4000萬(wàn)戶沼氣可年增收節(jié)支200億元。過(guò)去二十多年，我國(guó)在農(nóng)村沼氣的建設(shè)方面取得了世界公認(rèn)的成績(jī)，但是在戶用型沼氣池的建設(shè)和利用過(guò)程中，仍然存在一些技術(shù)問(wèn)題亟待解決。由以上國(guó)外的應(yīng)用典型可知國(guó)外的沼氣主要用于發(fā)電等工業(yè)用途，而我國(guó)的沼氣目前大部分還是作為農(nóng)村能源的一部分，其特殊性就決定我們必須找出適合我國(guó)的沼氣發(fā)展的方法。1．3研究目的和意義針對(duì)我國(guó)農(nóng)村沼氣池冬季產(chǎn)氣量下降甚至不產(chǎn)氣的主要問(wèn)題，考慮在冬季為其保溫并通過(guò)熱源來(lái)提高池溫。而太陽(yáng)能也是一種可再生能源，所以在結(jié)合這兩種能源來(lái)提高沼氣池的利用率。針對(duì)我國(guó)寒冷地區(qū)太陽(yáng)能資源充足、冬季寒冷的氣候特色，設(shè)計(jì)出一套適合本地區(qū)農(nóng)戶使用的新型的太陽(yáng)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(chǎn)氣的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)沼氣池向北方寒冷地區(qū)的過(guò)渡，滿足本地區(qū)農(nóng)戶全年對(duì)沼氣的需求。1． 研究意義綜上，本課題從世界對(duì)能源的需求入手，分析可再生能源開發(fā)的必要性，并針對(duì)北方地區(qū)冬季氣候寒冷，沼氣池不產(chǎn)氣的問(wèn)題，結(jié)合西北地區(qū)太陽(yáng)能資源豐富的特點(diǎn)，將太陽(yáng)能中低溫集熱裝置和沼氣發(fā)酵裝置進(jìn)行組合，設(shè)計(jì)了一套新型的太陽(yáng)能加熱的沼氣生產(chǎn)系統(tǒng)。本系統(tǒng)可以充分利用西北地區(qū)豐富的生物質(zhì)能和太陽(yáng)能資源，冬季采用太陽(yáng)能集熱裝置加熱厭氧發(fā)酵裝置生產(chǎn)沼氣，滿足農(nóng)戶用能需求；夏季池溫較高，太陽(yáng)能熱水可以直接用于農(nóng)戶生活需要。本系統(tǒng)可以滿足農(nóng)戶全年對(duì)沼氣以及生活熱水的需要。本研究對(duì)改善農(nóng)村人居環(huán)境和生態(tài)環(huán)境，推進(jìn)農(nóng)村城鎮(zhèn)化建設(shè)步伐，緩解農(nóng)村生活用能和工業(yè)用能之間的矛盾，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，加快社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)步伐，建設(shè)和諧的社會(huì)主義新農(nóng)村有重要示范推廣價(jià)值和重大社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(jī)物質(zhì)在隔絕空氣和保持一定水分、溫度、酸堿度等條件下，經(jīng)過(guò)多種微生物(統(tǒng)稱沼氣細(xì)菌)的分解而產(chǎn)生的。沼氣細(xì)菌分解有機(jī)物質(zhì)產(chǎn)生沼氣的過(guò)程，叫沼氣發(fā)酵。這是沼氣產(chǎn)生的基本原理，即厭氧機(jī)理，其發(fā)酵的生物化學(xué)過(guò)程，大致可分為3個(gè)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(zhì)轉(zhuǎn)化成肽和氨基酸，脂肪酸轉(zhuǎn)變?yōu)楦视秃椭舅?。也就是將固體有機(jī)物轉(zhuǎn)化成可溶性物質(zhì)。第二階段(產(chǎn)酸階段)：液化產(chǎn)物在胞內(nèi)酶的作用下將復(fù)雜的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的小分子化合物，如低級(jí)脂肪酸、醇等。第三階段(產(chǎn)甲烷階段)：液化產(chǎn)物在胞內(nèi)酶的作用下將復(fù)雜的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的小分子化合物，如低級(jí)脂肪酸、醇等。沼氣發(fā)酵的3個(gè)階段是相互依賴和連續(xù)進(jìn)行的，并保持動(dòng)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(gè)階段的作用同時(shí)進(jìn)行，一定時(shí)間后，保持一定的動(dòng)態(tài)平衡持續(xù)正常的產(chǎn)氣。人工制取沼氣必須具備兩個(gè)條件：第一，必須具備嚴(yán)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(nèi)的發(fā)酵溫度是影響沼氣產(chǎn)生和產(chǎn)氣率高低的關(guān)鍵因素，在一定范圍內(nèi)，溫度高，沼氣微生物的生命活動(dòng)活躍，發(fā)酵順利進(jìn)行，沼氣產(chǎn)生得快，產(chǎn)氣率也高；溫度低，沼氣微生物活動(dòng)力差，原料的產(chǎn)氣速率差，甚至長(zhǎng)時(shí)間不產(chǎn)氣。根據(jù)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)氣量為0．10．25立方米。溫度雖然對(duì)沼氣細(xì)菌的活動(dòng)影響很大，但是多數(shù)沼氣細(xì)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(nèi)，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(jīng)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(guò)程中，發(fā)酵原料既是產(chǎn)生沼氣的基質(zhì)，又是沼氣發(fā)酵微生物賴以生存的養(yǎng)料來(lái)源。沼氣發(fā)酵原料十分廣泛和豐富，除了礦物油和木質(zhì)素外，自然界中的有機(jī)物質(zhì)一般都可以作為沼氣發(fā)酵的原料，例如農(nóng)作物秸稈，人、畜和家禽糞便，生活污水，工業(yè)和生活有機(jī)廢物等。根據(jù)沼氣發(fā)酵原料的化學(xué)性質(zhì)和來(lái)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(jīng)過(guò)了人和動(dòng)物腸胃系統(tǒng)的充分消化，一般顆粒細(xì)小，含有大量低分子化合物——人和動(dòng)物未吸收消化的中間產(chǎn)物，含水量較高。因此，在進(jìn)行沼氣發(fā)酵時(shí)，它們不必進(jìn)行預(yù)處理，就容易厭氧分解，產(chǎn)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(nóng)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(zhì)素和植物蠟質(zhì)。干物質(zhì)含量比富氮的糞便原料高，且質(zhì)地疏松，比重小，進(jìn)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(jīng)預(yù)處理。富碳原料厭氧分解比富氮原料慢，產(chǎn)氣周期較長(zhǎng)。氮素是構(gòu)成沼氣微生物軀體細(xì)胞質(zhì)的重要原料，碳素則構(gòu)成微生物細(xì)胞質(zhì)，而且提供生命活動(dòng)的能量。發(fā)酵原料的碳氮比不同，其發(fā)酵產(chǎn)氣情況差異也很大。從營(yíng)養(yǎng)學(xué)和代謝作用角度看，沼氣發(fā)酵細(xì)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(jìn)行。如果比例失調(diào)，就會(huì)使產(chǎn)氣和微生物的生命活動(dòng)受到影響。因此，制取沼氣不僅要有充足的原料，還應(yīng)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(chǎn)甲烷菌是一種厭氧性細(xì)菌，對(duì)氧特別敏感，它們?cè)谏L(zhǎng)、發(fā)育、繁殖、代謝等生命活動(dòng)中都不需要空氣，空氣中的氧氣會(huì)使其生命活動(dòng)受到抑制，甚至死亡。產(chǎn)甲烷菌只能在嚴(yán)格厭氧的環(huán)境中才能生長(zhǎng)。所以，修建沼氣池，要嚴(yán)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(chǎn)氣的需要。2．2．4 pH值與堿度沼氣微生物的生長(zhǎng)、繁殖，要求發(fā)酵原料的酸堿度保持中性，或者微偏堿性，過(guò)酸、過(guò)堿都會(huì)影響產(chǎn)氣。測(cè)定表明，酸堿度在pH=6~8之間，均可產(chǎn)氣，以pH=~，pH低于6或高于9時(shí)均不產(chǎn)氣。農(nóng)村戶用沼氣池發(fā)酵初期由于產(chǎn)酸菌的活動(dòng)，池內(nèi)產(chǎn)生大量的有機(jī)酸，導(dǎo)致pH下降。隨著發(fā)酵持續(xù)進(jìn)行，氨化作用產(chǎn)生的氨中和一部分有機(jī)酸，同時(shí)甲烷菌的活動(dòng)，使大量的揮發(fā)酸轉(zhuǎn)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(guò)程中，沼氣池內(nèi)的酸堿度變化可以自然進(jìn)行調(diào)解，先由高到低，然后又升高，最后達(dá)到恒定的自然平衡(即適宜的pH)，一般不需要進(jìn)行人為調(diào)節(jié)。只有在配料和管理不當(dāng)，使正常發(fā)酵過(guò)程受到破壞的情況下，才可能出現(xiàn)有機(jī)酸大量積累，發(fā)酵料液過(guò)于偏酸的現(xiàn)象。此時(shí)，可取出部分料液，加入等量的接種物，將積累的有機(jī)酸轉(zhuǎn)化為甲烷，或者添加適量的草木灰或石灰澄清液，中和有機(jī)酸，使酸堿度恢復(fù)正常。為加快沼氣發(fā)酵啟動(dòng)的速度和提高沼氣池產(chǎn)氣量，要向沼氣池加入含有豐富沼氣微生物的物質(zhì)，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(dòng)。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(chǎng)、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(shù)量要足夠，接種物太少，不利于產(chǎn)氣；接種物過(guò)多，又會(huì)占去沼氣池的有效容積，影響總產(chǎn)氣量。因此加入接種物的數(shù)量一般應(yīng)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(jìn)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(duì)微生物以及產(chǎn)氣是很不利的。導(dǎo)致原料和微生物分布不均，大量的微生物集聚在底層活動(dòng)，因?yàn)榇颂幗臃N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(shí)，容易漂浮到料液表層，不易被微生物吸收和分解，同時(shí)形成的密實(shí)結(jié)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(dòng)態(tài)發(fā)酵。沼氣池的攪拌通常分為機(jī)械攪拌、氣體攪拌和液體攪拌三種方式。機(jī)械攪拌是通過(guò)機(jī)械裝置運(yùn)轉(zhuǎn)達(dá)到攪拌目的；氣體攪拌是將沼氣從池底部沖進(jìn)去，產(chǎn)生較強(qiáng)的氣體回流，達(dá)到攪拌的目的；液體攪拌是從沼氣池的出料問(wèn)將發(fā)酵液抽出，然后從進(jìn)料管沖入沼氣池內(nèi)，產(chǎn)生較強(qiáng)的液體回流，達(dá)到攪拌的目的。實(shí)踐證明，適當(dāng)?shù)臄嚢璺绞胶蛷?qiáng)度，可以使發(fā)酵原料分布均勻，增強(qiáng)微生物與原料的接觸，使之獲取營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的機(jī)會(huì)增加，活性增強(qiáng)，生長(zhǎng)繁殖旺盛，從而提高產(chǎn)氣量。攪拌又可以打碎結(jié)殼，提高原料的利用率及能量轉(zhuǎn)換效率，并有利于氣泡的釋放。采用攪拌后，平均產(chǎn)氣量可提高30％以上。第3章 太陽(yáng)能加熱的沼氣發(fā)酵裝置的設(shè)計(jì) 太陽(yáng)能加熱恒溫系統(tǒng) 太陽(yáng)能加熱恒溫系統(tǒng)的組成太陽(yáng)能加熱恒溫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖l所示。本系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能熱水器、熱水緩沖器、螺旋式換熱器、自動(dòng)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(yīng)罐進(jìn)行加熱。 太陽(yáng)能加熱恒溫系統(tǒng)的工作原理當(dāng)反應(yīng)罐內(nèi)的溫度小于設(shè)定溫度時(shí)，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(jīng)反應(yīng)罐中的螺旋管式換熱器進(jìn)行循環(huán)，對(duì)液料進(jìn)行加熱，提升反應(yīng)罐內(nèi)的溫度；當(dāng)反應(yīng)罐內(nèi)的溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，再由溫度傳感器反饋到溫控箱，從而關(guān)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(jìn)入螺旋換熱器中水的溫度，防止溫度過(guò)高。因?yàn)闇囟冗^(guò)高時(shí)容易引起局部污泥溫度過(guò)高以及螺旋罐外壁結(jié)殼，通過(guò)熱水緩沖器將進(jìn)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(gè)循環(huán)。第1循環(huán)熱水緩沖器的溫度高于62℃時(shí)，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(shí)，電磁閥1與電磁閥2關(guān)閉，切斷與太陽(yáng)能熱水箱的循環(huán)；電磁閥3打開，循環(huán)水直接通過(guò)熱水緩沖器進(jìn)行循環(huán)，促使熱水緩沖器中的溫度降低。第2循環(huán)熱