书城科普读物低碳生活与环境保护
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第25章 “点亮”新农村的沼气

沼气是有机物质在厌氧条件下,经过微生物的发酵作用而生成的一种可燃气体。由于这种气体最先是在沼泽中发现的,所以称为沼气。人畜粪便、秸秆、污水等各种有机物在密闭的沼气池内,在厌氧(没有氧气)条件下发酵,即被种类繁多的沼气发酵微生物分解转化,从而产生沼气。沼气是一种混合气体,可以燃烧。

沼气除直接燃烧用于炊事、烘干农副产品、供暖、照明和气焊等外,还可作内燃机的燃料以及生产甲醇、甲醛、四氯化碳等化工原料。经沼气装置发酵后排出的料液和沉渣,含有较丰富的营养物质,可用作肥料和饲料。

沼气的发现与应用

沼气是由意大利物理学家A.沃尔塔于1776年在沼泽地发现的。1916年,俄国人Β.П.奥梅良斯基分离出了第一株甲烷菌(但不是纯种)。目前,世界上已分离出的甲烷菌种近20株,中国于1980年首次成功分离甲烷八叠球菌。世界上第一个沼气发生器(又称自动净化器)是由法国L.穆拉于1860年将简易沉淀池改进而成的。1925年在德国、1926年在美国分别建造了备有加热设施及集气装置的消化池,这是现代大中型沼气发生装置的原型。第二次世界大战后,沼气发酵技术曾在西欧一些国家得到发展,但由于廉价的石油大量涌入市场而受到影响。后随着世界性能源危机的出现,沼气又重新引起人们重视。1955年新的沼气发酵工艺流程──高速率厌氧消化工艺产生。它突破了传统的工艺流程,使单位池容积产气量(即产气率)在中温下由每天1立方米容积产生0.7~1.5立方米沼气,提高到4~8立方米沼气,滞留时间由15天或更长的时间缩短到几天甚至几个小时。中国于20世纪20年代初期由罗国瑞在广东省潮梅地区建成第一个沼气池,随之成立了中华国瑞瓦斯总行,以推广沼气技术。目前中国农村户用沼气池的数量达1500万个。

沼气的主要成分

城市有机垃圾、污水处理厂的污泥、农村的人畜粪便、作物秸秆等,皆可做产生沼气的原料。细菌分解有机物的过程,大体分为两个阶段:1.将复杂的高分子有机物质转化为低分子的有机物,例如乙酸、丙酸、丁酸等;2.将第一阶段的产物转化为甲烷和二氧化碳。

沼气原理图在上述过程中,起发酵分解作用的是多种细菌共同作用的结果。为了使沼气发酵持续进行,必须提供和保持沼气发酵中各种微生物所需的生活条件。产生甲烷的细菌是厌氧的,少量的氧也会严重影响其生长繁殖,这就需要一个能隔绝氧的密闭消化池。温度在厌氧消化过程中是一个重要因素,甲烷菌能在0℃~80℃的温度范围内生存,有分别适应低温(20℃)、中温(30℃)、高温(50℃)的各类细菌,最适宜的繁殖温度分别为15℃、35℃、53℃左右。甲烷菌生长繁殖最适宜的pH值约为7.0~7.5,超出此范围,厌氧消化的效率就会降低。在厌氧消化过程中担负废弃物发酵作用的细菌,还需要氮、磷和其他营养物质。投入沼气池的原料比例,大体上要按照碳氮比等于20∶1~25∶1。此外,还应控制影响沼气发酵的有害物质浓度。

沼气反应图沼气的发展前景

沼气的主要成分是甲烷,约占所产生的各种气体的60%~80%。甲烷是一种理想的气体燃料,它无色无味,与适量空气混合后即可燃烧。每立方米纯甲烷的发热量为34000焦耳,每立方米沼气的发热量约为20800~23600焦耳。即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。目前,世界各国已经开始将沼气用作燃料和用于照明。用沼气代替汽油、柴油,发动机器的效果也很好。将它作为农村的能源,具有许多优点。例如,修建一个平均每人l~1.5平方米的发酵池,就可以基本解决一年四季的燃柴和照明问题;人、畜的粪便以及各种作物秸秆、杂草等,通过发酵后,既产生了沼气,还可作为肥料,而且由于腐熟程度高使肥效更高,粪便等沼气原料经过发酵后,绝大部分寄生虫卵被杀死,可以改善农村卫生条件,减少疾病的传染。现在,沼气的应用正在各国广大农村推广,沼气能源的开发利用的普及等方面,已经取得了较好的成绩。

世界上一些发达国家,也正在进行利用微生物厌氧消化农场废物、生产甲烷的较大规模试验。英国建立了甲烷的自动化工厂。

据估计,在英国,利用人和动物的各种有机废物,通过微生物厌氧消化所产生的甲烷,可以替代整个英国25%的煤气消耗量。苏格兰已设计出一种小型甲烷发动机,可供村庄、农场或家庭使用。美国一牧场兴建了一座工厂,主体是一个宽30米、长213米的密封池组成的中烷发酵结构,它的任务是把牧场厩肥和其他有机废物,由微生物转变成甲烷、二氧化碳和干燥肥料。这座工厂每天可处理1650吨厩肥,每日可为牧场提供11.3万立方米的甲烷,足够1万户家庭使用。目前美国已拥有24处利用微生物发酵的能量转化工程。从世界范围看,利用各种微生物协同作用生产甲烷的研究和应用,正处于方兴未艾的阶段。

近年来,中国沼气事业已获得了迅速的发展,沼气池总数已达到1500多万个。在四川、浙江、江苏、广东、上海等省、市农村,有些地方除用沼气煮饭、点灯外,还办起了小型沼气发电站,利用沼气能源作动力进行脱粒、加工食料、饲料和制茶等,闯出了用“土”办法解决农村电力问题的新路子。专家们认为,21世纪,沼气在农村之所以能够成为主要能源之一,是因为它具有不可比拟的特点,特别是在中国的广大农村,这些特点就更为显著了。1.沼气能源在中国农村分布广泛,潜力很大,凡是有生物的地方都有可能获得制取沼气的原料,所以沼气是一种取之不尽,用之不竭的再生能源;2.可以就地取材,节省开支。沼气电站建在农村,发酵原料一般不必外求。兴办一个小型沼气动力站和发电站,设备和技术都比较简单,管理和维修也很方便,大多数农村都能办到。

据调查对比,小型沼气电站每千瓦投资只要400元左右,仅为小型水力电站的1/2~1/3,比风力、潮汐和太阳能发电低得多。小型沼气电站的建设周期短,只要几个月时间就能投产使用,基本上不受自然条件变化的影响。采用沼气与柴油混合燃烧,还可以节省17%的柴油。中国地广人多,生物能资源丰富。研究表明,21世纪,无论在农村还是城镇,都可以根据本地的实际情况,就地利用粪便、秸秆、杂草、废渣、废料等生产的沼气来发电。

农村应用沼气的意义

沼气灯农村户用沼气池生产的沼气主要用来做生活燃料。修建一个容积为10立方米的沼气池,每天投入相当于4头猪的粪便发酵原料,它所产的沼气就能解决一家3~4口人点灯、做饭的燃料问题。沼气还可以用于农业生产中,如温室保温、烘烤农产品、储备粮食、水果保鲜等。沼气也可发电做农机动力,大中型沼气工程生产的沼气可用来发电、烧锅炉、加工食品、采暖或供给城市居民使用。

①沼气不仅能解决农村能源问题,而且能增加有机肥料资源,提高质量和增加肥效,从而提高农作物产量,改良土壤;

②使用沼气,能大量节省秸秆、干草等有机物,以便用来生产牲畜饲料和作为造纸原料及手工业原材料;

③兴办沼气可以减少乱砍树木和乱铲草皮的现象,保护植被,使农业生产系统逐步向良性循环发展;

④兴办沼气,有利于净化环境和减少疾病的发生。这是因为在沼气池发酵处理过程中,人畜粪便中的病菌大量死亡,使环境卫生条件得到改善;

⑤用沼气煮饭照明,既节约家庭经济开支,又节约家庭主妇的劳作时间,降低劳动强度;

⑥使用沼肥,可以提高农产品质量,增加经济收入,降低农业污染,为无公害农产品生产奠定基础。常用的物质循环利用型生态系统主要有种植业—养殖业—沼气工程三结合、养殖业—渔业—种植业三结合及养殖业—渔业—林业三结合的生态工程等类型。其中种植业—养殖业—沼气工程三结合的物质循环利用型生态工程应用最为普遍,效果最好。

打造低碳环保的绿色

交通网络

据统计,世界上每年生产的石油有80%~90%都被用于交通运输的汽车、飞机、轮船等消耗掉了。而且随着汽车保有量的不断增长,交通运输消耗掉的能源在数量和比重上还呈迅速上升的趋势。

各种消耗一次能源的交通工具每天都向空气中排放着大量污染气体,对自然环境和生态都造成了严重的破坏。这个问题现在已经引起世界各国人民和政府的重视。人们正在大力开发新型交通工具,以减少对一次能源的依赖以及对环境的破坏。

与此同时,世界各国都在大力提倡绿色出行的方式,尽量乘坐公共交通工具,少开车,多骑自行车等。这种节约交通能耗的绿色交通方式,不管是对降低交通运营成本,提高经济效益,还是保护城镇居民生活环境,都具有十分重要的现实意义。