基于动物粪便的沼气利用技术

文│邓红梅 龚英（重庆工商大学）

基于动物粪便的沼气利用技术

文│邓红梅 龚英（重庆工商大学）

重庆市教委重点项目“重庆喀斯特地区典型产业生态模式和承载力提升研究”阶段性成果（14KSH03）

当前，能源和环境问题已成为国际性热点问题，引起人们的广泛关注。开发新能源，替代原油、天然气和煤炭这三种常规能源，已经成为人类发展的紧迫课题。绿色理念是我国五大发展理念之一，农村沼气利用是农村绿色发展的突破口。沼气，是各种有机物质在隔绝空气（还原条件）和适宜的温度、湿度下，经过微生物的发酵作用产生的一种可燃烧气体，1立方米沼气完全燃烧后，能产生相当于0.7千克无烟煤提供的热量。与其他燃气相比，沼气抗爆性能较好，是一种很好的清洁燃料。

一、沼气利用现状

周鹏等在其对三峡库区奉节县的沼气应用调研中发现，沼气在农村的利用情况和普及率都不太乐观，农村沼气用户数仅占农村总户数的22.4%，且在这些沼气建设的农户中，达到适宜建设的只有32.28%。柳树国等在对腾冲县的调研中发现，截至2013年年底，农村的沼气池只有20%～30%在正常使用，其他的沼气池均处于闲置或荒废状态。龙宗权在贵州省纳雍县的调研中发现，农民对沼气的综合利用很不到位。陈超等在保山市隆阳区荒田村的调研中发现，农户沼气池建成后，只有30%的沼气池在正常使用，断断续续使用的占5%，从未使用的占65%。陕西日报记者在2015年的下乡统计调查中发现，延安志丹县11个村户的沼气有效利用率仅为28%。

从查阅的文献和报纸的数据综合看来，农村沼气正常使用的使用率大多为30%～40%，半停半用的占到20%～25%，其余的是自沼气池建成后就几乎没有用过，许多农户已将沼气输气管和灶具收放起来，毫无使用之意。

沼气作为一种清洁能源，应积极推广其使用及相关的沼气池建设。原因有下：一是可用本地资源代替进口能源，减少国家对进口能源的依赖性；二是使我国燃料利用多样化，减少对单纯一种或几种能源的依赖；三是沼气是一种相对清洁的能源，用沼气代替矿物燃料是减少二氧化碳（CO2）排放的理想方式（沼气中主要成分是甲烷，它的温室效应是二氧化碳的21倍）；四是沼气资源分布广泛，到处可以获得，是能源分散供给体系的一种极佳能源；五是在某些方面，沼气发电可以抵消运营成本，同时减少碳排放，降低温室效应；六是沼气生态循环系统不仅可以降低污染，还可以联动其他相关产业如种植业、养殖业等的发展。

二、沼气利用技术

1.鸡粪沼气发电技术。我国养鸡场的规模和数量都比较大，利用鸡粪进行沼气发电有较好的原材料基础，沼气发电设备也不成问题。

（1）鸡粪发酵沼气。具体发酵过程如下：首先是一级处理，将鸡粪、污水投放进一级处理池，一级处理池中的搅拌器会通过它的漏盘在搅拌鸡粪和污水的过程中将鸡毛等杂物清理出去。其次是二级处理，在二级处理池中分离鸡粪和沙子，二级处理池中含有水解产酸菌，它将难以溶解的大颗粒物质分解成小颗粒物质，鸡粪和污水在二级处理池的反应时间为6个小时左右。最后是三级处理，把原料送入三级厌氧发酵罐中，产生的沼气通过发酵罐顶部的管道收集起来输送到气体净化区，不能发酵的沼渣和泥沙则通过罐底的排渣管排出。未完全发酵的浆液通过溢流管从一级发酵罐进入到二级发酵罐，再到三级发酵罐，直到浆液里的有效成分被完全发酵。

由于沼气中含有硫化氢（H2S）气体，而H2S具有很强的腐蚀性。鸡粪发酵中H2S含量会达到5000毫升/立方米，因此在发点之前必须先进行沼气脱硫。鸡粪沼气脱硫主要是用生物脱硫方法，生物脱硫器中有脱硫微生物菌群，它们将H2S作为自己的营养物质吸收利用，从而减少H2S含量，当沼气中的H2S含量低于300毫升/立方米时，就被输送到储气罐中储存备用。

（2）鸡粪沼气发电。沼气燃气发电机大致分为四个部分，分别是底盘、发动机、发电机和控制器。沼气燃烧产生很高的热值，在发电机组的发动机部分的缸体里边燃烧做功，推动发动机里缸体活塞的运动，活塞的运动带动发动机曲轴的运动，曲轴再带动发电机的连杆切割磁力线进行发电机组的发电。

2.猪粪沼气发电技术。

（1）猪粪发酵沼气。养猪在农村是较为常见的，一般的农户养有2～3头猪，自建6～8立方米的沼气池（沼气池规格随养猪数量的变化而适当变化），将猪粪铲入沼气池，并将清洗猪圈的污水一同倒入沼气池，即完成进料，进料后同时从出料间（水压间）内留3～5担沼液从进料口冲入池内即可起到搅拌作用，搅拌使原料与沼液微生物充分混合，达到较为彻底的沼池厌氧发酵，促进营养物质转化。

对于大规模的生猪养殖场，则可按以下流程进行猪粪发酵沼气：首先将养殖场的水通过排污系统排到调节池中，充分搅拌，搅拌后的污水和猪粪流入计量池，并定时送进厌氧消化器，计量池中的蒸汽加热系统保证厌氧消化器的温度在35℃，然后让猪粪和污水在厌氧消化器中发酵，产生沼气。将生成的沼气经脱硫、脱水和脱杂净化后存进贮气罐中，用于后续的应用。

（2）猪粪沼气发电。沼气池发酵产生的沼气，经过净化系统除沫缓冲罐，输入沼气发电机组转化为电能。从输出猪粪尿到发电、排污等整个过程都是在环保、生态循环的系统内完成，整个猪场可以实现“零排放”。

3.牛粪沼气发电技术。

（1）牛粪发酵沼气。每吨鲜牛粪可产生沼气20～35立方米，大规模牛粪发酵沼气中，需要用到以下设备机械：进料斗、泡粪池、调节池、CSTR（全混合沼气发酵）一体化反应器、双膜气柜、沼液贮池、沉渣池、沼气净化系统。牛粪发酵沼气流程如下：将干牛粪浸泡、稀释并加温，开始阶段把物料浓度控制在6%以下，以户用沼气池中的菌液为菌种，物料与菌种按2︰1的比例混合，每次进料量控制在CSTR反应器内料液量的5%～10%，同时加大循环量，直至CSTR反应器内料液向外溢流。

（2）牛粪沼气发电。当牛粪沼气中甲烷含量大于60%、H2S含量低于0.05%时，即可用于发电。沼气贮气罐通过离心加压风机将沼气压力输送至发电机组，沼气发电机燃烧发电。

三、沼气生物循环技术

沼气生物循环技术是合理利用生物质能（如家禽粪便、废弃蔬菜等）发酵沼气，将沼气及其相关产物用于林菜种植、家禽养殖中，以形成生态的以沼气为纽带的生物循环。

1.鸭——猪——沼气——鱼（林、菜）循环生态模式。此模式即“鸭粪喂猪，猪粪产沼，沼气育雏，沼液养鱼，沼渣肥林（菜）”的生态循环模式，其原理是家禽粪便中的有机物和含氮物较多，具有一定的营养价值，而猪粪又是生产沼气的优质原料，沼气燃烧可供热用于育养雏鸭，沼液可用来养鱼，沼渣当作肥料种菜，这是因为沼液中含有动物生长发育所必需的多种微量元素，而沼渣又具有营养元素齐全、肥效高的特性。这一生物生态循环模式不仅减少了由家禽粪便带来的污染，还增加了能源来源途径，使得资源得以合理利用。

2.“四位一体”循环生态模式。所谓“四位一体”生态模式是指每户有一个太阳能房，一个800平方米日光温室，在温室的一侧建造一个10立方米的沼气池，池上盖一个20平方米的猪舍，在这种模式下，猪在冬季时有足够的供热，生猪排泄物可清理至猪舍下的沼气池中进行沼气发酵，猪呼吸产生的CO2可以用作加强日光温室中蔬菜（或其他植物）的光合作用，从而产生更多的产量，沼气池生产的沼气一般可供3～4人生活用能，同时沼渣还可用作温室植物肥料，如此形成“猪粪——沼气——沼气给猪供热——沼渣作温室肥——猪呼出CO2供菜——废菜叶养猪”的生态循环。

3.“玉米——牛——沼气——日光温室”循环生态模式。在此模式中，玉米制种田是整个循环的源头。具体模式为每户种植玉米制种田1公顷左右，部分玉米秸秆用作沼气发酵原料，其余玉米秸秆铡碎后用作牛饲料，牛粪可用来发酵沼气，也可用作底肥，沼肥还可用于日光温室或玉米制种田。

四、沼气技术利用的政策支持及建议

1.政策支持。2016年，农业部会同国家发改委继续支持规模化大型沼气工程建设，进一步探索创新扶持政策和体制机制，使农村沼气工程向规模发展、生态循环、综合利用、智能管理、效益拉动方向转型升级。支持能够有效推进农牧结合和种养循环、促进生态循环农业发展的工程项目。国家相关政策的出台将打通包括沼气发电在内的绿色电力上网的瓶颈，国内已生产出性价比较好的沼气发电机组系列产品，为沼气发电提供有力的设备支持，沼气的利用可推进我国绿色发展理念。

2.推进农村沼气利用的建议。

（1）提升农民思想认识。部分农民认为沼气只有点灯煮饭的作用，且农村通电、上煤、安装液化气/天然气让农民觉得没有必要再麻烦地建沼气，且农民对沼气的生态作用认识不够，对此，要多开展农村沼气利用相关的宣讲会，普及沼气利用的相关知识及好处，提升农民对沼气的思想认识。

（2）分派或培养沼气技术人员。农村的主要常住群体是老人和小孩，缺乏沼气相关技术，如遇沼气设备坏损则通常放弃使用沼气，对此可以分派沼气技术人员下乡进行协助或选择当地常住年轻人员进行沼气相关技术培训。

（3）因地制宜发展沼气。政府不能一刀切的鼓励任何地区农户利用沼气。部分山区的农户不怎么养殖，以种植蔬菜为主，这样的农户缺乏沼气发酵原料，不建议鼓励农民发展沼气，对于养殖大户应大力鼓励发展沼气。

点评：沼气是一种清洁的生物质能源，文章就沼气在农村的使用现状进行分析，介绍了鸡粪沼气技术、猪粪沼气技术、牛粪沼气技术，最后就农村沼气技术利用进行了展望，并提出了促进农村沼气利用的建议，实用性较强。

国家社科重点项目“基于消费视角的中西部地区新型城镇化碳解锁路径研究”资助（14AGL024）；