浅谈生态农业背景下沼气发酵技术及发展前景

生态农业是按照生态学原理和经济学原理,运用现代科学技术成果和现代管理手段,以及传统农业的有效经验建立起来的,能获得较高的经济效益、生态效益和社会效益的现代化农业。它是利用传统农业精华和现代科技成果,通过人工设计生态工程、协调发展与环境之间、资源利用与保护之间的矛盾,形成生态上与经济上良性循环,经济、生态、社会效益的统一。推广沼气发酵技术是发展生态农业的新举措。这一新举措不仅能起到保护生态有效利用能源的作用并且有利于增肥土地,使农业得到可持续发展。目前我国生态农业有非常好的发展前景。

1 沼气发酵的微生物原理
    沼气发酵又叫厌氧消化,是指各种有机物在一定的水分、温度、厌氧条件下,被各类沼气发酵微生物分解转化,终生成沼气的过程。微生物是沼气发酵过程中活跃的因素,它们把各种固体或是溶解状态的复杂有机物,按照各自的营养需要,进行分解转化,终生成沼气。它的主要成分及构成比例为甲烷占55%~70%左右,二氧化碳占25%~40%左右,此外还有少量氢气、硫化氢、一氧化碳、氮和氨等。
2 沼气发酵的3个阶段
    沼气发酵微生物在沼气发酵过程中,有发酵性,产氢产乙酸菌,耗氧产乙酸菌、食氢产甲烷菌、食乙酸产甲烷菌等5大类微生物参加沼气发酵,它们在发酵过程中的作用及对生存条件的要求,有以下3个阶段。
2.1 液化阶段
    所谓液化阶段就是禽畜粪便、作物秸秆、豆制品加工后的废水等大分子有机物分解成能溶于水的单糖、氨基酸、甘油和脂肪酸等小分子化合物。这个过程也就是发酵性群利用它所分泌的胞外酶,如纤维酶、淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶等,对有机物进行体外酶解。
2.2 产酸阶段
    这个阶段就是小分子化合物被发酵性吸收进细胞,被分解为乙酸、丙酸、丁酸、氢和二氧化碳等,再由产乙酸菌把发酵性产生的内酸、丁酸转化为产甲烷菌可利用的乙酸、氢和二氧化碳。同时,耗氢产乙酸菌群体利用氢和二氧化碳生成乙酸,以及代谢糖类生产乙酸。液化阶段和产酸阶段是一个连续过程,统称不产甲烷阶段。在这个过程中,不产甲烷的为产甲烷菌提供营养和为产甲烷菌创造适宜的厌氧条件,从而部分毒物。
2.3 产甲烷阶段
    甲烷是利用以上不产甲烷的3种菌群所分解转化的甲酸、乙酸、氢和二氧化碳小分子化合物等生成的。
3 沼气发酵的原料

3.1 富氮原料
    人粪尿、猪粪、鸡粪、牛粪、马粪、羊粪、糖糟、酒精等原料营养丰富或比较丰富,分解速度快,易消化,但含碳少。
3.2 富碳原料
    稻草、麦草、玉米秸、高粱秸、干红薯腾等这些原料分解速度慢,在自然温度下,利用率低。
3.3 易分解的原料
    水葫芦、水花生、水浮莲、红萍、绿肥、青杂草等鲜料,只要切碎加点化肥、石灰等稍加堆沤,分解速度快,产气快。
3.4 下脚料
    酒厂、屠宰场、豆腐坊等工厂排放的有机废物、污水等。
4 沼气发酵的条件
4.1 接种物
    接种物是指含有丰富沼气微生物的污泥,一般在池内加入占发酵物10%~30%的接种物才能加速发酵。
4.2 酸碱度
    研究表明沼气池里发酵的pH值在6.5~7.5。
4.3 沼气池的密闭状况
    人工自制的沼气池要求一定要密闭,不漏水、不漏气。
4.4 发酵温度
    虽然沼气发酵温度范围比较广泛,但是温度变化超过5,沼气产量会大减。
5 沼气发酵在生态农业中的作用
    沼气发酵的作用主要分为2个。一个是保护生态有效利用能源。在农村秸秆资源特别丰富,以前人们对于秸秆的利用特别初级,就是将其当作生活燃料。当生活水平日益提高后,农民们直接就采取了直接焚烧的方式处理秸秆,这不仅会造成能源的损失同是还会严重污染大气并且带来火灾隐患。但是当这些秸秆、废物等用于沼气发酵就能充分利用热能,并且减少环境污染。沼气发酵的另一个作用是有利于增肥土地,使农业得到可持续发展。一个体积为6~10m³的沼气池就可以产出16~20m³的肥料。
6 我国沼气农业的发展趋势
    在20世纪末，各地的农业技术工作者和农民通过反复的实践，依照地域资源条件使沼气生态模式都逐步形成，北方主要是4位一体模式，南方主要是桑基鱼塘及猪-沼-果等模式。这些成功的生态农业模式，不仅给国内其他地区的农业起到了示范作用，更是享誉国外。联合国环境规划署还先后授予了北京市留民营村、浙江省萧山市山一村、辽宁省大洼县、西安生态养殖场等单位环境保护全球“500佳”称号，这些种种都说明生态农业在我国有很好的的发展前景。
7 天禹智控沼气浓度在线监测系统

    近年来,农村沼气建设收到了党中央、和各级地方党委、政府的高度重视。沼气的利用,有效的促进了农村科技进步,引导农民改变传统的生活和生产方式,提高农民生活质量。沼气技术是农村废弃资源化利用,发展生态农业和农村环境治理的纽带。通过农业废弃物和生活垃圾为原料,可产出沼气来提供生活和生产用能,沼渣和沼液可用于农业生产,实现种植、养殖和加工的良性循环,减少环境污染。沼气是一种以甲烷和二氧化碳为主要成分的可燃性混合气体,若管理不善,容易造成气体蓄积,当达到一定浓度后,若泄漏会造成人员中毒,遇明火则极易产生爆炸,造成伤亡事故,对人民群众的人身和财产安全造成危害。目前,我国的沼气池工程正朝着设备标准化、模块化、自动化的方向发展。沼气成分的测定是维持沼气工程正常运行、确保沼气正常使用的重要环节。因此,建立一种的、网络化的农村沼气工程监测预警平台,对安全利用沼气能源,提高沼气利用监管效率和服务质量,具有非常重要的现实意义。
7.1 工作原理
    天禹智控的沼气浓度监测系统通过各种传感器采集沼气池的环境信息,数据在STC/STM单片机处理之后以数码管或LCD屏显示出来。系统将同时允许授权的用户,通过多种移动终端(如手机、PC等)掌握实时数据,实现远程监控。单片机通过实时比对数据与设定的阈值,来决定是否采取预警措施,保障沼气池的安全和正常工作。
7.2 系统硬件设计
    系统采用模块化设计,由单片机,传感器,数据显示模块,无线传输模块,报警电路等组成的智能监测与报警系统。
    系统通过各种传感器采集沼气池的环境信息,并通过触摸屏或LCD显示出来,可以在非规定工作时间内对沼气池安全进行监控,而后通过无线通信网络技术分析现场数据,对沼气池内各项指标进行综合评价,以便允许授权的用户通过多种移动终端(如手机、PC等)掌握实时数据,实现远程监控,通过分析数据与设定的数值,当测定数据超标时,通过预警系统通知客户或管理人员,保障沼气池的安全和正常工作。
7.3软件设计
    在系统实现开机操作之后，系统将调用模块实时监测沼气环境中各项指标的情况，如甲烷CH4含量、PH值、温度等。各项数据经单片机的处理，通过数据显示模块实时滚动显示，达到时刻监测的效果。同时数据还将实时与设定阈值进行比较。
    出于安全考虑，系统配置声光报警模块，一旦环境中的各项指标超过了设定的阈值，沼气浓度监测系统将通过远程终端（PC 端或APP）提醒工作人员，以便及时采取措施。通过这样的设计，能够实现池内问题早发现、早预警、早处理。
7.4 沼气浓度监测的意义

    天禹智控的沼气浓度监测系统以物联网技术为支撑，实时获取沼气池在发酵过程中池内甲烷CH4含量、二氧化碳CO2含量、PH值、温度等指标，并通过显示模块实时显示，能够使监测中心的工作人员实时获取数据，保证沼气池发酵安全。
    同时，系统的监测预警模块也会实时分析数据，在指标临近阈值时发出提醒，达到阈值时发出警报，及时告知工作人员。这样保证了即使远离工作岗位，也能即使采取措施。
    天禹智控的沼气浓度监测系统，是为了适应现代农业发展而提出的方案。该系统可实现实时显示、实时预警的功能、具有安全、稳定、实用性强、可预警可远程交互等优点，对于当代新型农业发展以及清洁能源建设有所帮助，在监测的同时也保障了安全。