黃崑成,汪家權(quán),祝翠,劉樹軍

(合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽合肥,230009)

北方沼氣池越冬方法改進(jìn)＊

黃崑成,汪家權(quán),祝翠,劉樹軍

(合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽合肥,230009)

由于北方冬季氣溫較低,沼氣池往往無(wú)法正常產(chǎn)生沼氣或產(chǎn)氣不足.介紹了沼氣池產(chǎn)氣原理,分析了沼氣池傳統(tǒng)越冬管理、操作方法,指出了沼氣池的建設(shè)和設(shè)計(jì)方面的不足之處,進(jìn)而從理論上設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)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(shè)計(jì)

隨著人們環(huán)保意識(shí)與節(jié)能意識(shí)的不斷增強(qiáng),建沼氣池的思想已經(jīng)被越來越多的人們所接受,并迅速的投入建設(shè),在廣大的農(nóng)村更為突出.沼氣池不但能為人們提供充足的燃料,節(jié)約農(nóng)村能源,還能擴(kuò)大肥料來源,提高肥效.從生態(tài)方面看,建沼氣池能改善農(nóng)村環(huán)境,增進(jìn)人們健康.在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,沼液浸種同清水浸種相比,沼液浸泡過的種子不僅發(fā)芽率高、成秧率高,而且還增強(qiáng)秧苗抗寒、抗病、抗逆能力,具有較好的增產(chǎn)效果和經(jīng)濟(jì)效益[1].可以說在廣大的農(nóng)村地區(qū)建設(shè)沼氣池是一項(xiàng)一舉多得的措施,但北方較低的冬季氣溫不利于沼氣池產(chǎn)沼氣,甚至是不產(chǎn)氣或凍壞沼氣池,導(dǎo)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(duì)沼氣池保溫防寒,確保正常產(chǎn)氣.

1 沼氣池產(chǎn)氣及工作原理

1.1 沼氣池的產(chǎn)氣原理

沼氣池產(chǎn)氣主要原理是發(fā)酵,即有機(jī)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(chǎn)生沼氣的過程.此過程一般分為三部分: 1)液化階段:即為產(chǎn)甲烷菌提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和為甲烷菌創(chuàng)造厭氧環(huán)境的過程.此階段主要是把多糖脂類、蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化為單糖、低聚糖、脂肪酸、氨基酸等物質(zhì). 2)產(chǎn)酸階段:液化后,不產(chǎn)甲烷微生物將單糖、氨基酸、甘油、脂肪酸等物質(zhì)轉(zhuǎn)化成簡(jiǎn)單的有機(jī)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(chǎn)物是易揮發(fā)的有機(jī)酸,故此階段稱為產(chǎn)酸階段.3)產(chǎn)甲烷階段:產(chǎn)甲烷菌群,將以上兩步所分解轉(zhuǎn)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(chǔ)氣間密閉,沼氣池內(nèi)產(chǎn)生沼氣時(shí),儲(chǔ)氣間氣壓就會(huì)增大,隨著沼氣的不斷增加,儲(chǔ)氣間氣壓就會(huì)迫使主池內(nèi)液面下降,擠壓出一部分料液到水壓間內(nèi).當(dāng)我們使用沼氣時(shí),沼氣池內(nèi)氣壓就會(huì)逐漸減小,水壓間料液不斷流回主池[3].這樣,不斷地產(chǎn)氣和用氣,使發(fā)酵間和出料間始終維持壓力平衡的狀態(tài).從而不斷產(chǎn)生沼氣供我們使用.

2 沼氣池傳統(tǒng)越冬方法及不足

進(jìn)入冬季后農(nóng)村沼氣池往往出現(xiàn)產(chǎn)氣量減少的現(xiàn)象,有些沼氣池甚至出現(xiàn)凍裂.因此,加強(qiáng)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(jiǎn)單的方法,保溫一般分為覆蓋保溫和發(fā)酵產(chǎn)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(jìn)入降低池內(nèi)溫度;而發(fā)酵產(chǎn)熱保溫是在沼氣池周圍挖好環(huán)形溝,溝內(nèi)堆漚糞草,利用發(fā)酵產(chǎn)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(shí)用性.覆蓋保溫雖然方法簡(jiǎn)單、易操作,但此方法只能在原來溫度基礎(chǔ)上起到保溫作用而不能產(chǎn)熱來提升沼氣池溫度,對(duì)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(fā)酵產(chǎn)熱保溫對(duì)沼氣池保溫不能不說是個(gè)好方法,但是在沼氣池周圍挖溝會(huì)消耗大量人力財(cái)力,當(dāng)溝內(nèi)糞草發(fā)酵腐爛后,地面會(huì)發(fā)生下陷,作用于沼氣池上的外力減小,在夏季來臨時(shí),氣溫升高,沼氣池膨脹,這時(shí)可能引起沼氣池壁破裂.

使用添加劑,促進(jìn)多產(chǎn)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(chǎn)氣量調(diào)高30%,需要碳酸氫氨的量為沼氣池內(nèi)原料的10%～30%[5],但對(duì)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(chǎng)價(jià)是618元,顯然不是一項(xiàng)經(jīng)濟(jì)的措施.蠶沙、活性污泥、舊電池就更不現(xiàn)實(shí)了,在大部分農(nóng)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(jié)殼、分層,加強(qiáng)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(jié)殼、分層,而沼氣發(fā)酵微生物只能在一定的溫度范圍進(jìn)行代謝活動(dòng),在8～65℃產(chǎn)生沼氣,溫度不同,產(chǎn)氣速度也不同;在8～40℃范圍內(nèi),溫度越高,產(chǎn)氣速率越大,但不是線性關(guān)系.由于北方地區(qū)溫度低,只要溫度低于8℃沼氣池就不能產(chǎn)氣,攪拌顯然不是解決問題的根本辦法.

3 沼氣池越冬改進(jìn)設(shè)計(jì)及其特點(diǎn)

3.1 改進(jìn)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一,如圖2所示.1)建設(shè)一個(gè)類似蒙古包形狀的圓柱形帶錐形頂?shù)臏厥?溫室外壁可以用透明塑料做成,然后在溫室的底部建一個(gè)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(yǎng)豬牛羊等牲畜和作為人廁,另一部分用一定密度的鋼絲網(wǎng)做底,上面養(yǎng)雞鴨鵝等家禽,在以水泥地和鋼絲網(wǎng)為底的平面周圍的溫室壁上開幾個(gè)窗戶,作為換氣窗口.2)水泥地面和鋼絲網(wǎng)地面下面都有一個(gè)漏斗形的斜面,以便人畜家禽的排泄物順利進(jìn)入沼氣池進(jìn)料口.3)在溫室頂端安裝一根長(zhǎng)于10m的管子,可以用PVC管,用于“抽”風(fēng)換氣.

圖2 沼氣池越冬改進(jìn)設(shè)計(jì)一

設(shè)計(jì)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(gè)沼氣太陽(yáng)能圈[6],該換氣管道可以關(guān)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(gè)溫室都能處在最有利于自己生長(zhǎng)的環(huán)境中.

圖3 沼氣池越冬改進(jìn)設(shè)計(jì)二

3.2 改進(jìn)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

1)確保正常產(chǎn)氣 改進(jìn)建設(shè)的沼氣池兼具傳統(tǒng)沼氣池的所有功能,把沼氣池建在溫室大棚中避免了傳統(tǒng)沼氣池冬季產(chǎn)氣少或不產(chǎn)氣的現(xiàn)象,使北方地區(qū)沼氣池成功越冬成為可能.

2)節(jié)約材料、易管理 改進(jìn)的沼氣池形狀是把沼氣池建成圓形的,因?yàn)楦鶕?jù)幾何學(xué)原理,相同容積的沼氣池,正方體、長(zhǎng)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(diǎn)是圓形沼氣池容易密閉,易于管理.

3)養(yǎng)殖面高度按需調(diào)節(jié) 如果感覺設(shè)計(jì)一中養(yǎng)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?yàn)樗芰洗笈锾嵘託獬販囟仍囼?yàn)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(nèi)將沼氣池埋在地下一部分,對(duì)整個(gè)沼氣池的溫度影響不大.

4)節(jié)省空間、一舉多得 在沼氣池溫室內(nèi)進(jìn)行“網(wǎng)上”養(yǎng)家禽,一方面,家禽可以不與糞便接觸減少某些傳染病的發(fā)生,同時(shí)家禽糞便漏在網(wǎng)下面有利于及時(shí)收集和清除,從而為家禽的生長(zhǎng)發(fā)育提供了適宜的環(huán)境條件.由于家禽在網(wǎng)上離開地面飼養(yǎng),有利于空氣流通,可防潮,降低舍內(nèi)的濕度,通風(fēng)換氣好于地面平養(yǎng),有利于雞的生長(zhǎng)發(fā)育,還能使飼養(yǎng)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(fā)出的熱量能夠穿過鋼絲網(wǎng)迅速、容易的傳給沼氣池,從而起到加溫沼氣池的作用.

5)節(jié)能 在溫室頂部建長(zhǎng)長(zhǎng)的類似煙囪的作用是通風(fēng)透氣,其原理是因?yàn)楣艿涝礁吖艿纼?nèi)的熱空氣就越多,它所受到的總浮力就越大,浮力產(chǎn)生的壓強(qiáng)就越大,促使溫度高的氣體向上運(yùn)動(dòng),換言之,建設(shè)高煙囪就是產(chǎn)生一個(gè)向上提的力,煙囪越高排煙能力就越強(qiáng),這樣就加強(qiáng)了空氣流動(dòng),促進(jìn)了氣體交換,尤其是在夏季,對(duì)溫室內(nèi)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(dòng)力,從而做到了節(jié)能的目的.

6)物質(zhì)循環(huán)利用 設(shè)計(jì)二,把沼氣池太陽(yáng)能圈跟蔬菜大棚連接起來,這樣就建成了一個(gè)小型的物質(zhì)循環(huán)體系,使家禽、牲畜呼吸產(chǎn)生的CO2進(jìn)入蔬菜大棚為其提供碳源,同時(shí)有利于大棚內(nèi)植物光合作用產(chǎn)生的氧氣進(jìn)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(diǎn)沼氣燈,一方面增加了大棚溫度,另一方面為植物生長(zhǎng)提供豐富的CO2,實(shí)驗(yàn)表明:一架30m長(zhǎng)的大棚,點(diǎn)燃沼氣燈6只,1h后,棚內(nèi)CO2在空氣中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)0.12%.在早春季節(jié)還可提高棚溫2～4℃,葉片光合強(qiáng)度增加5%～18%.如果用點(diǎn)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(chǎn)49.8%、21.5%、36%,并且能夠延長(zhǎng)生長(zhǎng)期[9].這樣既保證了沼氣池的溫度又充分利用了原料,達(dá)到了環(huán)保、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、循環(huán)的目的.

4 結(jié)論

沼氣池已經(jīng)在廣大農(nóng)村普遍發(fā)展,它把節(jié)能、廢物利用、循環(huán)經(jīng)濟(jì)融為一體,越來越成為中國(guó)農(nóng)民、農(nóng)村、農(nóng)業(yè)發(fā)展必不可缺的一部分.但就目前來看,在全國(guó)范圍內(nèi)沼氣池技術(shù)尚未達(dá)到完善階段,還存在著諸多的問題.只有掌握沼氣池產(chǎn)氣原理和分析傳統(tǒng)沼氣池建設(shè)時(shí)的不足,提出新的克服這些缺陷的改進(jìn)方法,才能使沼氣池技術(shù)更好地發(fā)揮環(huán)保、節(jié)能、循環(huán)經(jīng)濟(jì)的功能,給人們帶來方便,讓人們的生活變得更加美好.

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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(huán)境規(guī)劃與管理.汪家權(quán)(1957-),男,安徽太湖人,教授,博士研究生導(dǎo)師,研究方向:環(huán)境系統(tǒng)仿真與污染控制.