|
郭春暉（黑龍江省畜牧研究所161005）馬萬國（黑龍江省雞西市雞冠區畜牧局158100）羅新義（黑龍江省畜牧研究所161005）
摘要：我國資源嚴重短缺，同時常規農業資源浪費卻十分嚴重，并造成了嚴重的環境污染，只有發展生態農業才是我國農業的根本出路。生態農業強調循環、再生和可持續發展，而沼氣發酵是實現生態農業系統能量轉換、物質循環及農業廢棄物綜合利用的最佳途徑和中心環節，是聯系生態系統中生產者、消費者和分解者的紐帶。
由于發酵產物沼氣、沼液和沼渣等能在農業生態農業工程的建設中發揮作用，所以近年來以沼氣為紐帶的各種農業生態工程技術模式得到快速發展，尤其在減少畜禽養殖業污染物排放等方面產生了良好的效果。
1沼氣的產生原理
1.1沼氣成分及性質
沼氣是一種可燃性氣體混合物，主要成分是55～70%甲烷、25～40%CO2、少量H2、H2S、CO、N等。
沼氣的主要成分是甲烷。甲烷是無色、無臭的氣體，分子式CH4，分子量為16.04，在0℃101325Pa標準狀態下，甲烷對空氣的相對密度為0.5548，沼氣約為0.94；甲烷的熱值為35.9MJ/m3，沼氣低熱值2025MJ/m3[1]。
1.2沼氣發酵的基本原理
沼氣發酵的實質是微生物自身物質代謝和能量代謝的一個生理過程。
沼氣發酵過程中，微生物在厭氧情況下為了取得進行自身的生活和繁殖所要的能量，而將一些高能量的有機物分解，有機物質在轉變為簡單的低能量成分的同時釋放能量以供微生物代謝之用[2]。
沼氣的發酵過程
1.2.1第一階段是液化階段。由微生物的包外酶（如纖維素酶、淀粉酶和蛋白酶等）對有機物質進行體外酶解，將多糖水解成單糖或二糖、蛋白質分解成多肽和氨基酸。通過體外酶解將固體物質轉變成可溶于水的物質，這些物質進入微生物細胞，參與細胞內的生物化學反應。
1.2.2第二階段是產酸階段。上述的水解產物可以進入微生物細胞，在胞內酶的作用下，進一步分解成小分子化合物，例如低級揮發性脂肪酸、醇、醛、酮、脂類、中性化合物、氫氣、二氧化碳、游離態氨。其中主要的揮發性酸乙酸最大，約占80%，參與這一階段的細菌統稱為產酸菌。
1.2.3第三階段是產甲烷階段。在這一階段中，產氨細菌大量繁殖和活動，氨態氮濃度增高，揮發酸濃度下降，為產甲烷菌創造了適宜的生活環境，產甲烷菌大量繁殖。
a．由醇和二氧化碳形成甲烷
2CH3CH2OH＋CO2→2CH3COOH＋CH4
4CH3OH→3CH4＋CO2＋2H2O
b．由揮發酸形成甲烷
2CH3CH2CH2COOH＋2H2O＋CO2→4CH3COOH＋CH4
c．二氧化碳被氫還原形成的甲烷
CO2＋4H2→CH4＋2H2O[3]
沼氣發酵的三個階段是相互連接、交替進行的，它們之間保持動態平衡。在正常情況下，有機物質的分解消化速度和產氣速度相對穩定。如果平衡被破壞，就會影響產氣。若液化階段和產酸的發酵速度過慢，產氣率就會很低，發酵周期就變長，原料分解不完全，料渣就多。但如果前兩個階段的發酸速度過快而超過產甲烷的速度，則會有大量的有機酸積累起來，出現酸阻抑，也會影響產氣，嚴重時會出現“酸中毒”，而不能產生沼氣。
2沼氣發酵原料及預處理
2.1發酵原料的選用
日常生活中的農作物秸稈、雜草、樹葉等，豬、牛、羊、雞等畜禽的糞便,農業、工業產品的廢水廢物（如豆制品的廢水、酒糟）等。為了方便進料和出料，達到管理方便，產氣率高的目的，須認真選擇好沼氣發酵原料。
為了確切表示固體或液體中有機物質的含量，一般采用如下方法：
總固體（Totalsolid,TS），又稱干物質，是指發酵原料除去水分以后剩下的物質。測定方法為；把樣品放在105℃的烘箱中烘干至恒重，此時的質量就是該樣品的總固體質量。
揮發性固體（Volatilesolid,VS）,是指原料總固體中除去灰分以后剩下的物質。測定方法為：將原料總固體樣品在500～550℃溫度下灼燒1小時，其減輕的質量就是該樣品的揮發性固體質量，余下的物質是樣品的灰分，其質量是該樣品灰分的質量[4]。
為了保證沼氣池啟動和發酵有充
足而穩定的發酵原料，在投料前，需要選擇有營養適合的牛糞、豬糞、或馬糞作啟動的發酵原料。因為這些糞便原料顆粒較細，含有較多的低分子化合物，氮素的含量高，其C：N都小于25：1，都在適宜發酵碳、氮比之內[5]。所以，選擇以上糞便做發酵原料啟動快，產氣好。不要單獨用雞糞、人糞和紅薯渣啟動，因為這類原料在沼氣細菌少的情況下，料液容易酸化，使發酵不能正常進行。
2.2發酵物的預處理
當接種物用量小于10％，或原料為風干糞、鮮人糞、鮮禽糞、羊糞時，在入池前必須進行堆漚預處理，使發酵細菌大量生長繁殖，減緩酸化作用，還能防止料液入池后干糞漂浮于上層而結殼，或產酸過多使發酵受阻。其方法是采用池外堆漚：將干糞、鮮雞糞等加水或沼液、老漚塘水等拌勻。
加水量以料堆下部不出水為宜，料堆上加蓋塑料膜，以便聚集熱量和菌種的繁殖[6]。一般夏秋季堆漚2～4天，冬季堆漚7天以上。但不要在溫室大棚內堆漚發酵原料，以免產生氨氣，使農作物受害。
3沼液和沼渣的利用
清除出料間的浮渣和雜物，并從出料間取中層沼液，經過濾后加入飼料中。添加沼液喂養前，應對豬進行驅蟲、健胃和防疫，并把喂熟食改為喂生食。按生豬體重確定每餐投喂的沼液量，每日喂食3～4餐。觀察生豬飼喂沼液后有無異?，F象，以便及時處置[7]。
沼渣是沼氣發酵后殘留在沼氣發酵后殘留在沼氣池底部的半固體物質，含有豐富的有機質，腐質酸、粗蛋白、氮、磷、鉀和多種微量元素等，是一種緩速兼備的優質有機肥。
4沼氣為紐帶的生態農業模式
以沼氣為紐帶的生態農業模式依據生態學原理，以沼氣建設為紐帶，將養殖業、種植業等有機地結合在一起，通過模式各單元之間的合理布置和匹配，使得物質和能量實現梯級利用，從而使農業生產達到高產、高效、優質、低耗的目的，實現農業生產的生態化和可持續化。
4.1以沼氣為紐帶的生態溫室模式
以沼氣為紐帶的生態溫室模式的主要組成要件包括：沼氣池，日光溫室，畜禽舍。在此基礎上，還可以增加廁所、蚯蚓養殖槽等內容。這種類型的生態農業模式較典型的有北方“四位一體”模式和中部“生態溫室”模式。其中北方“四位一體”生態農業模式是遼寧省在20世紀90年代研究探索出來的一種農業模式，目前已在我國北方農村得到了大范圍的推廣，取得了顯著的經濟、能源和生態效益。
這種模式的特點可以歸結為以下6點
a多業結合，集約經營；
b合理利用資源，增值資源；
c物質循環，相互轉化，多級利用；
d保護和改善自然環境與衛生條件；
e有利于開發農村智力資源，提高農民素質；
f社會效益、經濟效益、生態效益提高[8]。
4.2以沼氣為紐帶的生態農場模式
隨著畜牧業的快速發展，畜禽糞便的產量也在不斷增加。據有關部門研究，1999年中國規模化養殖場的糞便的排放量不足17億噸，而實際排放的糞便污水總量卻超過200億噸，其數量是糞便量的10多倍[9]。為了控制養殖業帶來的日益嚴重的環境污染問題，國家環保總局2001年12月發布了“畜禽養殖業污染物排放標準”（GB18596—2001），該指標2003年1月1日開始實施。對規?；B殖場廢氣物的處理，目前多采用以生物處理為主的方法加以處理，其中以沼氣處理技術為核心處理養殖糞便污水的能源與環境工程，由于其所具有的處理技術過程符合生態學規律，運行成本相對較低，且能使廢氣物實現資源化利用等特點日益受到了重視，成為很多規?；B殖場處理污染物的首選工藝。
5沼氣的利用價值及前景展望
沼氣等可再生能源作為清潔能源，是未來可持續能源系統的重要組成部分。發展農村沼氣等可再生能源是全面建設小康社會和建設社會主義新農村的重要內容，是發展循環經濟、實現農業可持續發展的有效措施，對改善能源結構、保障國家能源安全、保持經濟社會可持續發展具有重要意義[9]。近年來，各地認真貫徹“因地制宜、多能互補、綜合利用、講求效益”和“開發與節約并舉”的農村能源建設方針，大力發展以農村沼氣為重點的可再生能源建設，取得了明顯成效。但我省農村沼氣等可再生能源還存在發展不平衡、投入少、服務體系不完善、產業化運作水平低等問題。
各級、各部門要從落實科學發展觀，建設資源節約型、環境友好型社會，大力推進社會主義新農村建設的高度，充分認識加快發展農村沼氣等可再生能源的重要意義，切實抓緊、抓好農村沼氣等可再生能源建設。
參考文獻
[1]張全國.沼氣技術及應用[M].北京：化學工業出版社，2006
[2]苑瑞華.沼氣生態農業技術[M].北京：中國農業出版社，2006
[3]謝祖琪，屈峰，梅自力.農村戶用沼氣技術圖解[M].北京：中國農業出版社，2006
[4]王兆騫.中國生態農業與農業可持續發展[M].北京：北京出版社，2001
[5]張壬午.農業生態工程技術[M].鄭州：河南科學技術出版社，2000
[6]周孟津.沼氣實用技術.北京：化學工業出版社，2002
[7]馬世俊，李松華.中國的農業生態工程[M].北京：科學出版社，1987
[8]張培棟.“四位一體”生態農業模式能流研究[C].蘭州：甘肅農業大學，2002
[9]張百良.農村能源技術經濟及管理[M].北京：中國農業出版社，1995 |
