随着养殖场的发展, 环境卫生已成为困扰环境发展的突出问题, 尤其是污水和粪便对周边土壤、空气和水体的污染越来越严重。建设大型沼气工程, 改善周边生态环境, 形成以沼气为核心的循环经济已迫在眉睫。本文以八师一四九团4连的沼气工程为例, 对新疆西域牧歌农业科技有限公司研发的适合新疆地区使用, 具有先进水平的厌氧发酵工艺产品———膜结构沼气池的沼气工程发酵系统进行了分析评价, 并对发酵原料和产物特性进行测试分析, 以期为该系统的良好运行及利用提供科学依据, 从而加快膜结构沼气池的产业化发展。

2010年6月, 在一四九团4连养猪场 (养殖规模达百头) 建设100 m3的沼气池1座, 2010年8月厌氧系统开始启动。该工程由新疆西域牧歌农业科技有限公司设计建造, 总投资18万元。工程通过四季太阳能加热方式增温防寒, 各构筑物, 特别是厌氧反应器池壁设有保温层, 利用燃煤燃气两用炉燃烧自产沼气加热取暖, 以保证厌氧反应器池全年正常发酵产气, 使沼气池正常运行。

沼气池池体采用地下全埋式膜结构沼气池, 沼气池建设在养猪场旁, 主要由混凝土结构与膜结构沼气池相结合而建成。其优点是使用寿命长, 而且保温措施良好, 一年四季可正常产气, 即使在寒冷的冬季也能保证发酵温度在18℃以上。沼气池后面是绿色蔬菜大棚和8.67 hm2的棉花地。温室内种植绿色蔬菜, 温室旁边种植棉花。该模式是以太阳能为能源, 沼气为纽带, 种植业和养殖业相结合, 形成生态良性循环、保护环境和增加农工收入的模式。图1是八师一四九团4连养猪场沼气工程工艺流程图。

采集的样品猪粪为一四九团4连养猪场运行使用的发酵原料;沼气为该沼气工程正常产生的气体;沼液为该沼气工程正常发酵产气2个月的发酵残余物经过过滤后的滤液;采集的沼渣为该系统发酵2个月后, 沼渣经固液分离沉渣后分离后的沼渣。

主要测试项目: (1) 团场常见发酵原料的C/N值; (2) 发酵产生的沼气成分的测试, 主要测试沼气中甲烷、二氧化碳、硫化氢、氧气的含量是否符合标准; (3) 沼渣、沼液成分测试, 主要测定氮、磷、钾的含量。

在团场或农村大部分养殖户和沼气用户采用的发酵原料为人畜粪便, 如猪粪、牛粪、鸡粪、羊粪、马粪等原料。用这些原料进行厌氧沼气发酵, 从营养成分上来看是比较齐全而丰富的, 一般不需要添加其他营养成分, 而且易于采集, 原料量普遍较多。因此, 对这些原料进行C/N值测试, 根据各种原料的碳素和氮素百分含量, 计算出原料混合物的C/N值。

(1) 式中:C-每种原料的碳素含量 (%) ;N-每种原料的氮素含量 (%) ;W-每种原料的重量。

采用ZS-2型沼气成分分析测试器检测沼气成分。其主要的工作过程为:测定时气样由进样器进入分析器, 待测气样中的H2S、CO2、O2等被相应的检测管吸收而改变颜色, 根据色柱在检测管浓度标尺上的刻度值读出含量;CH4不与检测管发生化学反应, 而是定量地通过各检测管后, 进入甲烷体积计量管, 借助管内的液膜测量其体积。通过相应的计算公式计算各气体的百分含量。

测试结果 (表1) 表明, 在一四九团4连养猪场所用猪粪原料的C/N值为10.7, 其他原料的C/N值都小于30, 而牛粪、羊粪发酵原料的C/N值则非常接近30。这说明, 要使系统长期稳定运行, 应适当加入含碳量高的原料, 如牛粪、草木灰等。一四九团4连沼气发酵工程要满足发酵过程中微生物的营养需求, 控制较合理的原料碳、氮比十分必要。

根据对一四九团4连养猪场的调查, 沼气除用作取暖、炊事、照明以外, 主要是供应猪场的冬季燃烧取暖, 夏季的沼渣、沼液替代化肥、农药用于蔬菜种植。

当沼气工程处于正常稳定的发酵阶段时, 沼气成分数据为:CH4为50%~70%, CO2为30%~40%, 还有少量的H2S、O2等[3]。通过对一四九团4连沼气工程进行实地考察及气体的测试结果 (见表2) 分析, 以猪粪为主要发酵原料的沼气工程中产生的沼气成分在正常范围内, 沼气工程处于稳定运行状态, 所产沼气能满足养殖户正常的生活用能。

由表3可知, 沼气发酵所产生的可溶物大部分在沼液中, 因此, 沼液是一种含有多种水溶性养分的速效性肥料。厌氧发酵过程中, 发酵料液中的可溶物主要由分子量不等的有机物及各种离子组成。沼渣、沼液中含有氮、磷、钾等营养元素, 以及氨基酸、维生素、蛋白质、赤霉素、生长素、糖类、核酸等对作物的生长发育有调控作用的“生理活性物质”, 还含有钙、磷、铁、锌、钼等刺激作物发芽和生长的离子。

沼液作为棉花叶面肥可起到补充营养、抗旱和抗病虫害等作用, 施用于棉花, 有利花芽分化, 保花保果, 棉桃增重快, 成熟一致, 使棉花产量显著提高。

沼气工程不仅能改善养殖场的生活环境, 而且也是增加农工收入的一种有效途径。据测试结果显示, 沼渣、沼液既是一种优质的基肥, 也是良好的土壤改良剂, 能促进农作物快速生长, 又能使农作物增产, 保护生态环境。开展以沼气为纽带的循环农业模式非常必要。