北方沼气池越冬方法改进＊

黄崑成,汪家权,祝翠,刘树军

(合肥工业大学资源与环境工程学院,安徽合肥,230009)

北方沼气池越冬方法改进＊

黄崑成,汪家权,祝翠,刘树军

(合肥工业大学资源与环境工程学院,安徽合肥,230009)

由于北方冬季气温较低,沼气池往往无法正常产生沼气或产气不足.介绍了沼气池产气原理,分析了沼气池传统越冬管理、操作方法,指出了沼气池的建设和设计方面的不足之处,进而从理论上设计了一种改进的沼气池越冬模式,以解决沼气池冬天气少和不能用的难题.

北方;沼气池;越冬;设计

随着人们环保意识与节能意识的不断增强,建沼气池的思想已经被越来越多的人们所接受,并迅速的投入建设,在广大的农村更为突出.沼气池不但能为人们提供充足的燃料,节约农村能源,还能扩大肥料来源,提高肥效.从生态方面看,建沼气池能改善农村环境,增进人们健康.在农业生产中,沼液浸种同清水浸种相比,沼液浸泡过的种子不仅发芽率高、成秧率高,而且还增强秧苗抗寒、抗病、抗逆能力,具有较好的增产效果和经济效益[1].可以说在广大的农村地区建设沼气池是一项一举多得的措施,但北方较低的冬季气温不利于沼气池产沼气,甚至是不产气或冻坏沼气池,导致北方人们不能在冬季使用沼气,这就要求人们寻找新的措施来对沼气池保温防寒,确保正常产气.

1 沼气池产气及工作原理

1.1 沼气池的产气原理

沼气池产气主要原理是发酵,即有机物在一定的水分、温度和厌氧条件下,通过各类微生物新陈代谢作用产生沼气的过程.此过程一般分为三部分: 1)液化阶段:即为产甲烷菌提供营养物质和为甲烷菌创造厌氧环境的过程.此阶段主要是把多糖脂类、蛋白质转化为单糖、低聚糖、脂肪酸、氨基酸等物质. 2)产酸阶段:液化后,不产甲烷微生物将单糖、氨基酸、甘油、脂肪酸等物质转化成简单的有机酸(如乙酸、丙酸、丁酸、乳酸等)、醇和少量的二氧化碳、硫化氢等,由于此过程的主要产物是易挥发的有机酸,故此阶段称为产酸阶段.3)产甲烷阶段:产甲烷菌群,将以上两步所分解转化的小分子化合物等,通过分解或还原的方式生成甲烷和二氧化碳[2].如图1所示.

1.2 沼气池的工作原理

由于储气间密闭,沼气池内产生沼气时,储气间气压就会增大,随着沼气的不断增加,储气间气压就会迫使主池内液面下降,挤压出一部分料液到水压间内.当我们使用沼气时,沼气池内气压就会逐渐减小,水压间料液不断流回主池[3].这样,不断地产气和用气,使发酵间和出料间始终维持压力平衡的状态.从而不断产生沼气供我们使用.

2 沼气池传统越冬方法及不足

进入冬季后农村沼气池往往出现产气量减少的现象,有些沼气池甚至出现冻裂.因此,加强沼气池的冬季管理十分重要.常用的沼气池越冬方法有:保温、使用添加剂、搅拌,但这些方法都存在一定的不足.

保温是沼气池越冬最常用、最简单的方法,保温一般分为覆盖保温和发酵产热保温:覆盖保温即在沼气池上面覆盖柴草、秸秆或者加厚土层等,以防止冷空气进入降低池内温度;而发酵产热保温是在沼气池周围挖好环形沟,沟内堆沤粪草,利用发酵产生热来保温[4].这两种保温方法或多或少地起到了给沼气池保温的效果,也有一定的实用性.覆盖保温虽然方法简单、易操作,但此方法只能在原来温度基础上起到保温作用而不能产热来提升沼气池温度,对于北方寒冷的冬季气温来说,此方法在提升沼气池温度方面很有限;发酵产热保温对沼气池保温不能不说是个好方法,但是在沼气池周围挖沟会消耗大量人力财力,当沟内粪草发酵腐烂后,地面会发生下陷,作用于沼气池上的外力减小,在夏季来临时,气温升高,沼气池膨胀,这时可能引起沼气池壁破裂.

使用添加剂,促进多产气常用添加剂主要有以下几种:碳酸氢铵、蚕沙、活性污泥、废旧电池等,就添加碳酸氢铵来说,为使产气量调高30%,需要碳酸氢氨的量为沼气池内原料的10%～30%[5],但对于15m3(满足4～6口之家一年的用气量)的容积的沼气池来说,10%意味着1.5m3的碳酸氢铵,也就是1t(碳酸氢铵密度为1.586).1t碳酸氢铵市场价是618元,显然不是一项经济的措施.蚕沙、活性污泥、旧电池就更不现实了,在大部分农村这些添加剂很难获得到,更何况需要一定量加入沼气池中.

搅拌,冬季低温条件下沼气池容易结壳、分层,加强搅拌是必需的.一般每3～4天用人工搅拌或沼液回流搅拌一次,避免结壳、分层,而沼气发酵微生物只能在一定的温度范围进行代谢活动,在8～65℃产生沼气,温度不同,产气速度也不同;在8～40℃范围内,温度越高,产气速率越大,但不是线性关系.由于北方地区温度低,只要温度低于8℃沼气池就不能产气,搅拌显然不是解决问题的根本办法.

3 沼气池越冬改进设计及其特点

3.1 改进设计

设计一,如图2所示.1)建设一个类似蒙古包形状的圆柱形带锥形顶的温室,温室外壁可以用透明塑料做成,然后在温室的底部建一个圆形的沼气池,沼气池以上建一平面,并把该平面分为两部分,一部分用水泥做底用来养猪牛羊等牲畜和作为人厕,另一部分用一定密度的钢丝网做底,上面养鸡鸭鹅等家禽,在以水泥地和钢丝网为底的平面周围的温室壁上开几个窗户,作为换气窗口.2)水泥地面和钢丝网地面下面都有一个漏斗形的斜面,以便人畜家禽的排泄物顺利进入沼气池进料口.3)在温室顶端安装一根长于10m的管子,可以用PVC管,用于“抽”风换气.

图2 沼气池越冬改进设计一

设计二,如图3所示.将沼气池温室与蔬菜大棚用一根换气管道相连接,建成一个沼气太阳能圈[6],该换气管道可以关闭,以便控制沼气温室与蔬菜温室各气体浓度和温度的不同,使两个温室都能处在最有利于自己生长的环境中.

图3 沼气池越冬改进设计二

3.2 改进设计特点

1)确保正常产气 改进建设的沼气池兼具传统沼气池的所有功能,把沼气池建在温室大棚中避免了传统沼气池冬季产气少或不产气的现象,使北方地区沼气池成功越冬成为可能.

2)节约材料、易管理 改进的沼气池形状是把沼气池建成圆形的,因为根据几何学原理,相同容积的沼气池,正方体、长方体、球体中,球体的表面积最小,从而减少成本,而且圆形的沼气池周围受力均匀,池体牢固,最重要的一点是圆形沼气池容易密闭,易于管理.

3)养殖面高度按需调节 如果感觉设计一中养殖面太高,还可以把沼气池半埋半露,这样同样能起到保温作用,因为塑料大棚提升沼气池温度试验表明温室大棚能使地表以下20cm处的沼气池平均提高15.8℃,地表以下40cm处的沼气池平均提高15.0℃[7],因此在温室大棚内将沼气池埋在地下一部分,对整个沼气池的温度影响不大.

4)节省空间、一举多得 在沼气池温室内进行“网上”养家禽,一方面,家禽可以不与粪便接触减少某些传染病的发生,同时家禽粪便漏在网下面有利于及时收集和清除,从而为家禽的生长发育提供了适宜的环境条件.由于家禽在网上离开地面饲养,有利于空气流通,可防潮,降低舍内的湿度,通风换气好于地面平养,有利于鸡的生长发育,还能使饲养密度大大增加、投药大大减少,成本也大大降低[8].另一方面,家禽的正常体温是41℃左右,牲畜的体温也在38℃左右,这样由家禽,牲畜等身体发出的热量能够穿过钢丝网迅速、容易的传给沼气池,从而起到加温沼气池的作用.

5)节能 在温室顶部建长长的类似烟囱的作用是通风透气,其原理是因为管道越高管道内的热空气就越多,它所受到的总浮力就越大,浮力产生的压强就越大,促使温度高的气体向上运动,换言之,建设高烟囱就是产生一个向上提的力,烟囱越高排烟能力就越强,这样就加强了空气流动,促进了气体交换,尤其是在夏季,对温室内气体交换的作用是巨大的,而且该过程没有使用任何外部动力,从而做到了节能的目的.

6)物质循环利用 设计二,把沼气池太阳能圈跟蔬菜大棚连接起来,这样就建成了一个小型的物质循环体系,使家禽、牲畜呼吸产生的CO2进入蔬菜大棚为其提供碳源,同时有利于大棚内植物光合作用产生的氧气进入沼气池温室,为家禽牲畜提供氧气,另外还可以在蔬菜大棚中点沼气灯,一方面增加了大棚温度,另一方面为植物生长提供丰富的CO2,实验表明:一架30m长的大棚,点燃沼气灯6只,1h后,棚内CO2在空气中的质量分数达0.12%.在早春季节还可提高棚温2～4℃,叶片光合强度增加5%～18%.如果用点燃沼气的方式来增施CO2,可使黄瓜、西红柿、甜椒平均分别增产49.8%、21.5%、36%,并且能够延长生长期[9].这样既保证了沼气池的温度又充分利用了原料,达到了环保、节能、经济、循环的目的.

4 结论

沼气池已经在广大农村普遍发展,它把节能、废物利用、循环经济融为一体,越来越成为中国农民、农村、农业发展必不可缺的一部分.但就目前来看,在全国范围内沼气池技术尚未达到完善阶段,还存在着诸多的问题.只有掌握沼气池产气原理和分析传统沼气池建设时的不足,提出新的克服这些缺陷的改进方法,才能使沼气池技术更好地发挥环保、节能、循环经济的功能,给人们带来方便,让人们的生活变得更加美好.

[1]管凤云.沼液浸种[J].农民致富之友,2006,(1):14.

[2]周孟津,张榕林,蔺金印.沼气实用技术[M].第2版.北京:化学工业出版社,2009:10

[3]张平.水压式沼气池原理与构造[J].可再生能源,2003, (6):29-30.

[4]杨树生,杨坤,王世仙.生物质发酵升温提高沼气池温和保温技术[J].可再生能源,2007,25(3):88-91.

[5]沈惠.秸秆沼气技术操作要点及注意事项[J].生态农业, 2009,(11):52-53.

[6]王守卿.农村户用沼气池冬季管理技术[J].北京农业, 2009,(12):44.

[7]王月兰,莫瑶,魏敏,等.北方冬季沼气池的增温技术探究[J].安徽农业科学,2009,37(3):1229-1230.

[8]李兰.“网上”养鸡新模式[J].农业知识,2007,(12):19.

[9]杨柳.温室大棚蔬菜沼气CO2施肥技术[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

黄崑成(1983-),男,山东沂水人,在读硕士研究生,研究方向:环境规划与管理.汪家权(1957-),男,安徽太湖人,教授,博士研究生导师,研究方向:环境系统仿真与污染控制.