劉璐瑤論文定稿.doc

哈爾濱理工大學學士學位論文農(nóng)村戶用沼氣生態(tài)處理模式設計及防治畜禽養(yǎng)殖污染的研究摘 要隨著畜禽養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展，畜禽養(yǎng)殖污染問題日益嚴重，已成為我國農(nóng)業(yè)非點源污染的主要來源之一，在未來一段時間內還會繼續(xù)惡化。加強畜禽養(yǎng)殖污染防治工作，是全面落實科學發(fā)展觀、建設社會主義新農(nóng)村、實現(xiàn)和諧社會目標的必然要求。農(nóng)村戶用沼氣生態(tài)處理模式的大力推廣對解決我國農(nóng)村地區(qū)的能源和環(huán)境問題具有重大意義，沼氣技術與畜禽養(yǎng)殖業(yè)相結合的發(fā)展趨勢，具有良好的前景，衡量沼氣項目的實施效果顯得尤為關鍵。因此，對農(nóng)村戶用沼氣生態(tài)處理模式防治畜禽養(yǎng)殖污染進行系統(tǒng)研究，不僅有利于降低畜禽養(yǎng)殖的污染，也有利于推動農(nóng)村戶用沼氣池的建設。本課題選擇黑龍江省拜泉縣為試驗基地，選擇一農(nóng)戶為試驗對象，為其設計小型沼氣工程。該農(nóng)戶房屋住宅面積為100m2，通過熱能計算設計沼氣池的容積為108m3，發(fā)酵溫度為2530，產(chǎn)氣率為0.4m3/(m3d)，燃池為其增溫方式。通過對此模式所取得的經(jīng)濟效益、生態(tài)效益和社會效益進行深入分析得出，模式每年收益8000元，可減少二氧化硫、煙塵等的排放量，這說明了該模式是能夠更好的推動農(nóng)業(yè)的健康發(fā)展，是值得推廣的。關鍵詞 農(nóng)村；戶用沼氣；畜禽養(yǎng)殖；效益study on rural household boigas ecological treatment model for livestock production pollution controllingabstractwith the fast development of livestock industry，the pollution caused by animal breeding was inereasingly serious.the huge amount of livestock waste was the main source of agrieultural non-point source pollution and even more worse in the future. it was a must to strengthen the livestock pollution controlling and prevention，forfully implementing the seientific outlook on development, building a new soeialist countryside and realizing a harmonious soeialist soeiety.it was very important for resolving our country energy and environmental problem in rural areas that promoting the rural household biogas ecological treatment model. biogas technique could combine with livestock industry.the prospective of the integration was positive.how to measure the actual effeetiveness of these biogas projects appeared to be particularly critical.therefore，did a systematic research focus on using rural household biogas ecological treatment model to prevent pollution which cause by animal breeding.this research was not only favorable for reducing the pollution which caused by animal breeding，but also good for promoting the construetion of household biogas digesters in rural areas. this topic chosen baiquan country as the experimental base,which is in heilongjiang province. and then,chosen a peasant household as an experimental object, designing small scale methane engineering for it. according to the area of the house residence was 100m2, design the methane pool whose area is 108m3,ferment temperature range from 25 to 30,and the rate of gas production was 0.4m3/m3d.the fire pond was the incalescence method.through the depth analysis of economic benefits, ecological and social benefits,the model income 8,000 yuan annually,reduce sulfur dioxide, soot and other emission, the results shown that the model was better able to promote the healthy development of agriculture, and it was worth of extanding.keywords：countryside; householding biogas ;livestock breeding ;benefit不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印- iii -目錄摘要iabstractii第1章 緒論11.1 研究背景及意義11.2 國內外研究動態(tài)21.2.1 國內生態(tài)模式的研究和發(fā)展狀況21.2.2 國外生態(tài)模式的研究和發(fā)展狀況41.3 設計目的及研究61.3.1 設計目的61.3.2 研究內容6第2章 沼氣生態(tài)模式的設計82.1 沼氣池的設計82.1.1 設計地點基本情況82.1.2 豬舍的設計92.1.3 沼氣池的設計92.2 燃池的設計132.2.1 各散熱部分的面積的計算132.2.2 沼氣池、燃池的散熱量的計算142.3 繪制圖紙162.4 本章小結16第3章 沼氣池生態(tài)模式在畜禽養(yǎng)殖中的應用173.1 沼氣生態(tài)處理模式的畜禽污染防治作用173.2 農(nóng)村沼氣生態(tài)處理模式利用中存在的主要問題183.3 本章小結20第4章 效益分析214.1 經(jīng)濟效益分析214.2 生態(tài)環(huán)境效益224.3 社會效益234.4 本章小結23結 論24致 謝25參考文獻26附錄a28附錄b35附圖46千萬不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印。在目錄上點右鍵“更新域”，然后“更新整個目錄”。打印前，不要忘記把上面“abstract”這一行后加一空行- v -第1章 緒論1.1 研究背景及意義能源是人類賴以生存的重要資源之一。然而能源的短缺，已成為世界性的問題，特別是可再生能源的短缺更顯突出。雖然近年來加大了對地下能源資源的開采力度，然而這些不可再生能源數(shù)量有限，再加上供給價格昂貴，涉足農(nóng)村市場困難較大，所以延用多年的燃燒薪材取能仍是農(nóng)村解決生活用能的主要手段。于是林草、植被成為砍伐燃燒的主要對象，亂砍亂伐不僅造成植被的破壞，不利于生態(tài)環(huán)境的建設，使人類生存環(huán)境進步惡化，也不利于農(nóng)村“臟、亂、差”環(huán)境的改善，直接影響農(nóng)村生活質量的提升。鑒此，人們在尋找、探索著新型能源的發(fā)現(xiàn)與利用，可再生能源以其特有的優(yōu)勢引起人們的注意。于是，就如何挖掘、發(fā)揮能源潛能，切實緩解可再生能源緊缺的矛盾已成為一不可忽視的問題。因此，以沼氣為龍頭，加大對風能、太陽能的開放利用，走可再生能源發(fā)展之路是明智之舉。另外，早在20世紀60-70年代，世界上許多畜牧業(yè)發(fā)達的國家和地區(qū)，就出現(xiàn)了畜禽糞便污染問題。近十幾年來，隨著畜禽養(yǎng)殖業(yè)的迅速發(fā)展，畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染已成為農(nóng)村非點源污染的主要因素之一，也是水體氮、磷的一個主要來源1。畜禽養(yǎng)殖對水體、大氣、土壤、人體健康及生態(tài)系統(tǒng)造成直接或間接的影響。改革開放以來，畜禽養(yǎng)殖業(yè)朝著集約化、規(guī)?；?、現(xiàn)代化的方向發(fā)展，導致高濃度和高度集中的畜禽糞便污水對環(huán)境的污染日益嚴重，已呈現(xiàn)“點一線一面”的發(fā)展態(tài)勢。治理污染，保護和改善生態(tài)環(huán)境，畜禽養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，已成為新世紀農(nóng)業(yè)環(huán)保的當務之急。政府十分重視畜禽養(yǎng)殖污水治理，對沼氣發(fā)酵的原理和應用技術都進行了大量研究，沼氣發(fā)酵工藝基本達到國際先進水平。沼氣生態(tài)處理模式是依據(jù)生態(tài)學原理，以沼氣池為紐帶，將畜牧業(yè)和種植業(yè)等結合起來，通過優(yōu)化農(nóng)業(yè)資源，達到物質良性循環(huán)，能量多級利用，是一種可持續(xù)的農(nóng)業(yè)生態(tài)處理模式。也就是農(nóng)戶通過建造沼氣池，利用人畜糞便、農(nóng)業(yè)廢棄物等入池發(fā)酵，產(chǎn)生的沼氣用于日常生活，沼液和沼渣用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，從而形成農(nóng)戶生活一沼氣發(fā)酵一生態(tài)農(nóng)業(yè)的良性發(fā)展鏈條。沼氣技術的研究與應用可以促進畜禽養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，降低河水污染。沼氣生態(tài)處理模式是解決畜禽糞便污染的根本出路之一，也是對畜禽糞污進行資源化利用的一條主要途徑。沼氣技術在防治畜禽養(yǎng)殖污染中起著重要的作用。但是，從整體來看，以沼氣為紐帶的生態(tài)農(nóng)業(yè)技術在我國農(nóng)村推廣應用，速度緩慢，區(qū)域間差距較大，特別在北方，受農(nóng)民思想觀念、文化素質、資金投入、技術掌握程度以及政策扶持、科技支撐、社會服務、產(chǎn)業(yè)規(guī)模等方面影響，推廣應用的空間很大，沒有形成規(guī)?；漠a(chǎn)業(yè)效益2。因此，本文通過在拜泉縣實施以沼氣為紐帶的生態(tài)農(nóng)業(yè)技術示范推廣研究，期望從技術和推廣模式上有所突破，并建立起適合本地區(qū)發(fā)展沼氣生態(tài)農(nóng)業(yè)的有效途徑，為促進拜泉縣及其周邊地區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展提供借鑒和參考。1.2 國內外研究動態(tài)1.2.1 國內生態(tài)模式的研究和發(fā)展狀況中國沼氣建設起步于20世紀70年代，已有30多年的發(fā)展史，經(jīng)歷了三個階段，步入了新的發(fā)展局面。第一階段是1973年到1983年的10年間，為高速發(fā)展與回落階段，政府急于解決農(nóng)民生活燃料嚴重短缺而在全國推廣沼氣，1976年形成了全國性的高潮，當年統(tǒng)計推廣256.7萬戶。終因倉促上馬、急于求成，缺乏堅實成熟的技術基礎和支持，以及管理不善等原因，造成數(shù)量上的高速發(fā)展，而緊跟著的大回落階段，從1976年的700多萬戶回落到1982年的400萬戶；第二階段是1984年到1991年的8年間，為調整階段。此階段注重沼氣技術系統(tǒng)的科研，修理病態(tài)池，放慢發(fā)展速度，8年間新增池扣去報廢池僅累計增加82.7萬戶，平均每年增加10萬多戶；第三階段是1992年至1998年，為回升發(fā)展階段3。由于第二階段科研與示范工作取得重要成果，如戶用高效沼氣池技術、南方恭城模式、北方“四位一體”模式等沼氣與生態(tài)建設等有機結合，.沼氣建設綜合效益日益明顯，有回升發(fā)展，每年建池在50萬戶左右。1999年起農(nóng)業(yè)部總結了北方“四位一體”、南方“豬-沼-果”、西北“五配套”等卓有成效的沼氣能源生態(tài)建設經(jīng)驗，提出了“能源環(huán)保工程”和性態(tài)家園富民工程”計劃，使中國沼氣建設進入了一個全新的發(fā)展階段4。我國農(nóng)村沼氣發(fā)展具有技術趨于成熟，模式先進(如標準化系統(tǒng)池型、混凝土現(xiàn)澆施工工藝、組裝式建池方式)、需求擴大，投入增加、配套產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展、由試點示范轉向規(guī)?；占巴茝V等特點，己經(jīng)不再單純地追求能源效益和經(jīng)濟效益，而是更加注重生態(tài)效益。我國沼氣的開發(fā)利用技術，與發(fā)達國家相比還處在初級階段，只有當沼氣的開發(fā)利用技術達到足夠的深度、沼氣的推廣普及達到足夠的廣度，沼氣對我國能源安全供給、對農(nóng)村居民生活質量提高的影響力才會顯現(xiàn)出來5。但是，在進行農(nóng)村戶用沼氣生態(tài)處理模式的環(huán)境效益、社會效益評價時，由于環(huán)境效益、社會效益經(jīng)常是緊密聯(lián)系在一起的，所以對這兩種效益評價指標的劃分不能完全絕對。比如，“減少農(nóng)藥使用量”這一指標，有的文章將它列在環(huán)境效益中，而有的文章則將它列在社會效益中。其次，從農(nóng)民和社會兩個角度出發(fā)進行分析也不能完全絕對，如農(nóng)戶作為社會整體的一員，他們的收益也是社會收益的一部分。根據(jù)目前國內戶用沼氣池的發(fā)展狀況，戶用沼氣池技術要達到重大突破，還面臨著以下的問題。第一，目前的戶用沼氣池建造成本相對比較高，這是影響戶用沼氣池技術進一步發(fā)展的一個重要因素，因此必須改進建材和施工工藝，降低建池成本；第二，進出料難的問題仍然沒有行之有效的解決辦法;第三，還須進一步提高原料產(chǎn)氣率；第四，沼氣池內料液結殼問題嚴重，需要有效的攪拌措施;第五，對北方大部分地區(qū)來講，保持相對穩(wěn)定的、一定量的產(chǎn)氣量成為戶用沼氣池技術進一步發(fā)展的關鍵。這些技術問題牽扯到許多方面的因素，要靠多方面的努力才有希望解決。另外，根據(jù)我國東北高寒地區(qū)的實際情況，在北方發(fā)展沼氣技術存在一定問題，我國北方屬大陸季風性氣候，夏季炎熱多雨、冬季寒冷干燥。漫長寒冷的冬季造成地溫偏低，使普通水壓式沼氣池池溫維持在8-15之間，達不到最佳發(fā)酵溫度花這種低溫環(huán)境導致沼氣發(fā)酵不佳、產(chǎn)氣率低、糞便等有機物質降解不好，達不到沼氣池建設的目的。其存在的主要問題如下：1.時間短、效益差目前推廣的水壓式沼氣池多為“三位一體”或“四位一體”模式。即把沼氣池建在日光節(jié)能溫室或太陽能畜禽舍內，沒有專門的保溫或增溫設施，僅依靠太陽能及其周圍環(huán)境的能量供給來滿足沼氣池內甲烷菌正常活動所需要的溫度環(huán)境。在這樣的條件下，沼氣池能夠正常運行8-10個月，多達四個月的時間無法正常運行，占全年總運行時間的1/3，降低了沼氣池的利用水平，影響了沼氣池的綜合效益。2.池溫低、產(chǎn)氣少普通水壓式沼氣池池溫主要受季節(jié)氣溫及其周圍環(huán)境的影響。沼氣池池溫隨地溫與氣混的變化情況如表1-l所示：表1-1 池溫和地溫隨氣溫的變化月份/ 月123456789101112溫度/-21.5-17.2-5.8-5.613.819.922.220.313.44.2-7.8-18地溫/876788910111098池溫/8889101214161815118從表1-1可以看出，24月份地溫最低，僅為67，沼氣池池溫在8-9，產(chǎn)氣量微弱;8-10月份地溫最高，為1011，沼氣池池溫在1518之間變化，產(chǎn)氣率為0.070.lm3/(m3d)，一個8m3，沼氣池產(chǎn)氣量為0.560. 8m3/d。3.降解差、肥效低降解是指在分解菌的作用下，把糞便等有機物質分解成結構簡單的化合物的過程。降解速度受發(fā)酵溫度、濃度、酸堿度等多種因素的影響。其中，受溫度變化的影響最大。從表1-1中可以看出，冬季沼氣池池溫僅為8左右，發(fā)酵原料在沼氣池內的滯留時間多達120天，由于目前水壓式沼氣池為“連續(xù)進料、階段出料”的結構形式，增加了沼氣池內發(fā)酵料液的濃度，降低了厭氧分解菌對于糞便等有機物質的分解能力，導致沼氣池內發(fā)酵原料降解效果差，使其中一部分發(fā)酵原料未經(jīng)過發(fā)酵或完全發(fā)酵而投入使用，降低了沼肥肥力，嚴重影響了綠色食品或無公害農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和品質。4.周期長、負荷小沼氣池的發(fā)酵原料大多為人畜糞便，我們把糞便等有機物質在沼氣池內的滯留時間稱為發(fā)酵周期。發(fā)酵周期的長短直接影響沼氣池負荷，即每單位池容積每天所能承受的有機物的量(在這里，我們用畜禽舍內飼養(yǎng)豬的頭數(shù)的多少來衡量沼氣池負荷的大小)。普通戶用沼氣池在24月份池內溫度為8左右，發(fā)酵周期長達120天，有機物質在沼氣池內過長的滯留時間導致了發(fā)酵間效率下降，使產(chǎn)酸與產(chǎn)甲烷的速度平衡失調，發(fā)酵間效率下降，使分解菌能夠處理的畜禽糞便量減少，一個8m3的沼氣池只能夠處理5頭豬的糞便量，導致沼氣池負荷偏小。1.2.2 國外生態(tài)模式的研究和發(fā)展狀況人類很早以前就發(fā)現(xiàn)了沼氣，自從1781年法國科學家穆拉發(fā)明人工沼氣發(fā)生器之后，沼氣就逐漸被人們所利用。從20世紀80年代起，國外學者對沼氣等可再生能源進行了大量的研究。上個世紀90年代以來，世界范圍內的一些大型沼氣工程有了迅速的發(fā)展。國外在沼氣利用上己經(jīng)向集中供氣的方向發(fā)展，而且沼氣在能源中所占的比重逐漸增大。在英國，利用人和動物的各種有機廢棄物，通過微生物厭氧發(fā)酵所產(chǎn)生的沼氣，可以替代整個英國25%的煤氣消耗量，蘇格蘭設計出一種小型甲烷發(fā)動機，供村莊、農(nóng)場和家庭使用。利用沼氣發(fā)酵處理城市污水、垃圾的技術也日趨成熟，并漸漸地得到應用。日本在沼氣技術方面的研究是領先的，采取的是兩步法沼氣技術，第一步是酸化，第二步是氣化，這種技術縮短了總的生產(chǎn)周期，產(chǎn)沼氣率高，但是由于設備投資大、運行費用高，使得該技術未能被普及應用。在英國，建立了甲烷的自動化工廠。據(jù)估計，英國利用人和動物的各種有機廢物厭氧發(fā)酵所產(chǎn)生的甲烷，可以替代整個英國25%的煤氣消耗量。國外在沼氣利用上己經(jīng)向集中供氣的方向發(fā)展，而且沼氣在能源中所占的比重逐漸增大。在英國，利用人和動物的各種有機廢棄物，通過微生物厭氧發(fā)酵所產(chǎn)生的沼氣，蘇格蘭設計出一種小型甲烷發(fā)動機，供村莊、農(nóng)場和家庭使用。利用沼氣發(fā)酵處理城市污水、垃圾的技術也日趨成熟，并漸漸地得到應用。日本在沼氣技術方面的研究是領先的，采取的是兩步法沼氣技術，第一步是酸化，第二步是氣化，這種技術縮短了總的生產(chǎn)周期，產(chǎn)沼氣率高，但是由于設備投資大、運行費用高，使得該技術未能被普及應用6。將沼氣回收發(fā)電是能源利用的一個好例子。沼氣發(fā)電在發(fā)達國家受到廣泛重視和積極推廣，如美國的能源農(nóng)場、德國的可再生能源促進法的頒布、日本的陽光工程、荷蘭的綠色能源等。生物質能發(fā)電在西歐如德國、丹麥、芬蘭、法國等國家的能源總量中占的比重一直在持續(xù)增加。歐盟也己通過了有效管理沼氣的法規(guī)。montserrat等通過研究西班牙南部的一個城市垃圾填埋場，該填埋場將產(chǎn)生的沼氣回收利用重新生產(chǎn)電能，探討了沼氣能源回收利用問題。填埋區(qū)是甲烷排放的重要來源，他們進行了先前施工安裝的經(jīng)濟可行性分析，運用理論和實證模型表明了沼氣中含有45%的甲烷和250550m3/h的總流量，大約可產(chǎn)生4.5xl06 kwh/a的電能，使沼氣得到有效的管理和利用。沼氣可以利用廣泛的原料，包括有機廢棄物到專用能源作物等。沼氣可以作為各種能源，如熱能、熱電聯(lián)產(chǎn)或作為汽車燃料。由于能源需求的增加，以及不可再生能源的不足，使得許多學者不斷地去研究替代性能源。在世界的許多地方，每年都有成千上萬噸的農(nóng)業(yè)廢棄物通過不同的形式被燒掉、填埋，其實這些廢棄物正是發(fā)展沼氣的重要資源4。世界各國已經(jīng)認識到，作為一種替代性能源，沼氣在農(nóng)村有著非常廣泛的發(fā)展前景。國外學者對農(nóng)村沼氣等生物質能的研究主要以資源利用的經(jīng)濟效益評價、環(huán)境效益評價和社會效益評價為主。在20世紀60年代初，國外一些發(fā)達國家和國際組織就開始利用指標體系對農(nóng)業(yè)經(jīng)濟效益、社會效益等進行評價。近年來，國外對沼氣生態(tài)農(nóng)業(yè)評價問題的研究越來越多，主要集中在評價方法、評價指標體系、評價標準等方面，而評價指標體系的構建是沼氣生態(tài)農(nóng)業(yè)評價的核心內容7。國外農(nóng)村沼氣生態(tài)處理模式評價方法的發(fā)展趨勢是由定性分析向定量評價的方向發(fā)展。國外對定量評價方法，特別是指數(shù)方法進行了大量的研究。國外對于農(nóng)村沼氣生態(tài)處理模式的評價內容，側重于將經(jīng)濟效益、生態(tài)效益和社會效益結合起來進行綜合評價?？傊?，未來的農(nóng)村能源利用將朝著以沼氣能源、水能、太陽能、風能等可再生能源為主的方向不斷發(fā)展起來8。1.3 設計目的及研究內容1.3.1 設計目的本文研究的目的就是設計出適宜在寒區(qū)推廣的高效小型沼氣工程，并對畜禽糞便污染和治理情況進行分析。通過該沼氣工程解決農(nóng)戶取暖等生活用能問題，降低用能費用，同時為田地提供優(yōu)質高效的有機肥，為豬舍提供良好溫度環(huán)境，及人畜排泄物處理問題。在設計中，利用燃池為沼氣池增溫，保證沼氣池達到中溫發(fā)酵，冬季利用“沼氣鍋爐燃燒沼氣取暖，在其余季節(jié)可以通過沼氣發(fā)電機、沼氣灶具燃燒大量盈余沼氣解決農(nóng)戶照明、炊事問題。運用環(huán)境經(jīng)濟手段對沼氣生態(tài)處理模式的效益進行評價，旨在評估該模式對農(nóng)村社會、經(jīng)濟以及環(huán)境的影響水平及其經(jīng)濟、環(huán)境和社會效益，為發(fā)展農(nóng)村戶用沼氣生態(tài)處理模式提供決策依據(jù)，并結合研究區(qū)的實際情況，因地制宜采用合適的畜禽養(yǎng)殖生態(tài)技術，為畜禽養(yǎng)殖污染問題的解決、沼氣生態(tài)處理模式在農(nóng)村的廣泛應用等提供科學依據(jù)。1.3.2 研究內容本論文的研究內容主要包括：（1）根據(jù)實際情況進行整體的設計和布局試驗開始前，深入了解農(nóng)戶院落的整體布局情況，弄清農(nóng)戶住宅的格局，房屋保溫狀況，畜禽舍的位置等。為試驗的下一步設計奠定基礎。詳細如下：農(nóng)戶基本信息:了解農(nóng)戶冬季室內溫度、房屋保溫狀況和面積、取暖耗能量等信息，作為試驗設計的第一手資料。了解畜禽舍的位置，畜禽舍與廚房的距離，設計沼氣池的坐落位置。（2）設計沼氣池的容積和發(fā)酵溫度計算農(nóng)戶冬季住宅取暖耗能量。根據(jù)取暖耗能量確定沼氣池的發(fā)酵容積和發(fā)酵溫度。根據(jù)農(nóng)戶冬季住宅取暖耗能量計算出沼氣需求量，將沼氣池發(fā)酵溫度設計在25-30之間，沼氣池產(chǎn)氣率為0.3-0.5m3(沼氣)/ m3 (池容)d，從而確定沼氣池的發(fā)酵容積。（3）設計沼氣池的增溫方式設計燃池為沼氣池增溫。根據(jù)設計的沼氣池池容大小、發(fā)酵溫度、沼氣池的散熱損失、燃池的熱利用效率設計燃池的大小。（4）分析燃池對豬舍溫度的影響燃池在為沼氣池增溫的同時，通過地面向豬舍內散發(fā)了大量的熱量，提高了豬舍的發(fā)酵溫度，為豬的生長提供了良好的溫度環(huán)境。（5）選擇適宜的沼氣鍋爐和發(fā)電機根據(jù)農(nóng)戶的實際情況選擇鍋爐和沼氣發(fā)電機的大小、型號，冬季利用沼氣滿足農(nóng)戶取暖用能，其余季節(jié)利用盈余的沼氣滿足發(fā)電或炊事用能。第2章 沼氣生態(tài)模式的設計2.1 沼氣池的設計2.1.1 設計地點基本情況本次試驗選擇的對象為新農(nóng)村建設的試點單位:拜泉縣三道鎮(zhèn)富業(yè)村。三道鎮(zhèn)富業(yè)村是省科技廳幫建的新農(nóng)村建設試點村，省科技廳制定了幫建整體方案，提出構造以生態(tài)與循環(huán)經(jīng)濟為基礎，在富業(yè)村實施“新農(nóng)村建設生態(tài)經(jīng)濟科技示范工程”，探索科技幫建新農(nóng)村建設模式。生態(tài)養(yǎng)豬場、新型燃池沼氣池、農(nóng)業(yè)機械庫房、奔小康農(nóng)村科普圖書室、富業(yè)村致富信息網(wǎng)等，一系列幫建成果成為富業(yè)村新農(nóng)村建設的助推器。經(jīng)研究決定富業(yè)村要在村委會院內建一豬舍，在豬舍下面建沼氣池與燃池，利用燃池給沼氣池增溫，沼氣池產(chǎn)生的沼氣為村委會辦公室解決冬季取暖問題。村委會辦公室占地100m2左右，房屋高2.7m，無采暖節(jié)能措施。設有廚房，在廚房內有暖氣鍋爐，共有6個房間，具體情況看下面的簡圖2-1。圖2-1 辦公室簡圖需建豬舍的具體要求是:豬舍內要能飼養(yǎng)20頭種豬與2頭種公豬，每頭豬需要一個單獨的空間；因為種公豬需要經(jīng)常為村里的豬配種，為防感染種豬與種公豬不能在一個飼養(yǎng)間內；豬舍內要設有存料庫與飼養(yǎng)員的休息室。村委會占地2400m2，接近于正方形，東西長48m，南北長50m。院內除有辦公室外，還有倉庫、車庫、宣傳欄等。具體布局見下面的簡圖2-2。圖2-2 村委會院內簡圖2.1.2 豬舍的設計根據(jù)上述情況，首先要確定豬舍的大小及其位置。因為豬舍內飼養(yǎng)的是種豬而且要考慮到分娩，所以設計每個種豬的圈欄寬為2m，長3.2m，為了便于飼養(yǎng)與管理，豬舍的設計一般都是對稱的，中間是過道一般為1.5m，方便飼養(yǎng)員填料與除糞。這樣一側只計算10頭種豬的圈欄就可以了，則需要20m左右，每個種公豬間設計為3m左右，休息室與料庫對應，設計為4m，則豬舍的總長度加在一起約為30m左右，寬度為8m左右。2.1.3 沼氣池的設計1. 計算農(nóng)戶住宅取暖耗能量本課題的目的是設計出滿足農(nóng)戶冬季采暖的沼氣池，主要考慮的是用戶冬季采暖耗能量。以下利用面積熱指標法計算房屋建筑熱負荷。 （2-1）式中建筑物的采暖熱負荷，kw；f采暖建筑物的建筑面積，m2；建筑物采暖面積熱指標，w/ m2。建筑物的面積熱指標表示各類建筑物在室內外溫差為1時，每lm2，建筑面積的采暖設計熱負荷。各類建筑物面積熱指標的推薦值見表2-l。表2-1 面積熱指標 （w/ m2）建筑物類型住宅學院辦公醫(yī)院旅館商店體育館未采取節(jié)能措施58-6460-8065-8060-7065-80115-165采取節(jié)能措施40-4550-7055-8050-6055-70100-150已知條件為:建筑面積100 m2，無采暖節(jié)能措施，此建筑為辦公場所，根據(jù)表2-l選擇面積熱指標為75w/m2，則根據(jù)公式2-1計算得熱負荷為:kw每天向房屋供熱量為:2. 沼氣池容積的確定 根據(jù)農(nóng)戶冬季住宅取暖耗能量和沼氣的熱利用效率確定沼氣池的容積。沼氣池發(fā)酵溫度設定在25-30范圍內，沼氣池產(chǎn)氣率為0.4m(沼氣)/m3(池容)d。產(chǎn)氣率與溫度的關系見表2-2。表2-2沼氣原料在不同溫度下的產(chǎn)氣率發(fā)酵原料發(fā)酵溫度（）容積產(chǎn)氣率（m3/ m3d）豬糞29310.55豬糞24260.21豬糞16200.10豬糞12150.07豬糞8以下微量沼氣的熱值為27298-25l00kj/m3，我們取平均值21514kj/m3，為了滿足房屋采暖熱負荷每天所需要的沼氣體積為:我們取沼氣燃燒的熱效率為70%，這樣所需要的池容為:所以沼氣池的體積為108。3. 沼氣池池型的確定根據(jù)豬舍是長方形的特點，而我們選擇的是半連續(xù)發(fā)酵工藝，就是使豬的糞尿能隨時流入沼氣池，所以我們設計的沼氣池占地也應是長方形，在豬舍的下面。因此設計兩個沼氣池串聯(lián)在一起，而兩個沼氣池的體積總和為108。沼氣池的體積主要是指主發(fā)酵間的體積，即圖2-3中發(fā)酵間與貯氣間的體積。圓筒形發(fā)酵間由池蓋、池身、池底組成。三個部分的容積計算公式如下:圖2-3 （2-2） （2-3） （2-4）式中:一分別為池蓋容積、池底容積、池身容積;，一分別為池蓋矢高、池底矢高;一池蓋曲率半徑，它與其他尺寸的關系式為： （2-5）一池底曲率半徑，它與其他尺寸的關系式為： （2-6）綜合圓柱形沼氣池的內力結構計算、材料用量計算和施工、管理、使用技術等因素，一般認為，當池蓋矢跨比=1/5，池底矢跨比=l/9和(對于4、6、8、l0m3，容積的戶用沼氣池可取h=1m)時，沼氣池尺寸比較合理。這樣通過把這些關系式低入公式2-2、2-3、2-4就得到一些簡便公式: (2-7) (2-8) (2-9) (2-10) (2-11)沼氣池要求是兩個串聯(lián)的池子共108，所以設計第一個池子()為58，第二個池子()為50。把第一個池子的體積58代入公式(2-11)及，=l/9和可得其具體尺寸為:因為兩個池子的體積相差不多，且為了施工與設計的方便，第二個池子直徑仍設計為5.5m，上下矢高不變即上下拱的體積不變，需要改變的是中間柱體的體積即柱體高度。上下拱的體積為:中間柱體的體積為：則柱體高度為： （2-12）考慮到實際施工，所以設計柱體高度為1.3。2.2 燃池的設計燃池為沼氣池加熱這一模式現(xiàn)如今并沒有明確的標準可循。因此本試驗中燃池的設計采用了假設法進行設計。通過近幾年燃池與戶用沼氣池(8m3)結合得出一些實踐經(jīng)驗:沼氣池與燃池的體積比例為1:11:1.25。本試驗按1:1比例設計，設計燃池的體積為108 m3。為了檢驗這一假設設計是否合理，對這一設計進行理論的熱量計算即能量守恒計算，看燃池是否能滿足設計要求。如果滿足就按這一設計實施施工，如果不滿足還要對設計進行修正，再次進行熱量計算檢驗，直到燃池滿足設計要求為止28。燃池的設計依據(jù)是能量守恒定律，燃池提供的熱量主要包括三部分。第一部分為使沼氣池維持在30時，由上部球缺與下部球缺向外散失的熱量;第二部分為進料口、出料口、水壓間向上、下散失的熱量;第三部分為燃池向上、下、四周散失的熱量。2.2.1 各散熱部分的面積的計算1. 上部球缺面積上曲率半徑： （2-13）上部球缺對應面積： （2-14） （2-15） （2-16）2. 下部球缺對應面積下曲率半徑: （2-17）下部球缺對應面積： （2-18） （2-19） （2-20）3. 進出料口水壓間面積根據(jù)設計尺寸，進料口長3.96m，寬2m，出料口長3.48m，寬2.2m，水壓間長3.48m，寬lm。4. 燃池上下散熱面積=中間豬舍面積-進出料口水壓間面積-兩個沼氣池面積5. 燃池四周散熱面積=燃池周長高 （2-21）2.2.2 沼氣池、燃池的散熱量的計算1. 沼氣池的散熱上部球缺:因為沼氣池半徑遠大于上矢高，所以把上部當成大平板壁計算其散熱量。豬舍內的溫度為15，沼氣池內溫度為30，回填土厚度0.22m，傳熱系數(shù)0.83w/(mk)，磚厚度為0.12m，傳熱系數(shù)0.49w/(mk)，混凝土厚度0.06m，傳熱系數(shù)0.79w/(mk)。（2-22）下部球缺:與上部球缺一樣當成大平板壁計算其散熱量。地底層溫度為6, 沼氣池內溫度為30，磚厚度為0.2m，傳熱系數(shù)0.49w/(mk)，混凝土厚度0.1m，傳熱系數(shù)0.79w/(mk)。 （2-23）2. 進出料口散熱向上散熱:豬舍內的溫度15，沼氣池內溫度為30，混凝土厚度為0.lm，混凝土傳熱系數(shù)0.79w/(mk)。向下散熱:地底層溫度為6，沼氣池內溫度為30，混凝土厚度為0.15m，混凝土傳熱系數(shù)0.79w/(mk)，磚厚度為0.1m，傳熱系數(shù)0.49w/(mk)。3. 燃池的上下散熱向上散熱:豬舍內的溫度為15，燃池內溫度為50，水泥蓋板厚0.1m，傳熱系數(shù)0.79w/(mk)，回填土厚度為1.3m，傳熱系數(shù)為0.83w/(mk)。向下散熱:地底層溫度為6，燃池內溫度為50，水泥厚度0.02m，傳熱系數(shù)0.3w/(mk)，磚厚度為0.21m，傳熱系數(shù)0.49w/(mk)，珍珠巖厚度為0.lm，傳熱系數(shù)為 0.045w/(mk)。 向四周散熱:土層溫度為6，燃池內溫度為50，磚厚度0.49m，傳熱系數(shù)0.49w/(mk)。4. 求總散熱量則每天的散熱量為： （2-24）因為燃池中的填料是鋸末，所以查鋸末的燃燒值與密度為:燃燒值14235.1kj/kg，密度為179kg/m3。則1m3的熱值為: （2-25）設燃池45天一投料，投料率為80%，鋸末的陰燃熱效率為35%，則需燃池大小為: （2-26）計算所得與假設設計的燃池(108m3)基本一致，這一假設設計成立，燃池與沼氣池的比例可以按l:l設計，即燃池容積為 108 m3。2.3 繪制圖紙根據(jù)以上的設計繪制施工圖紙，具體的圖紙見附圖。2.4 本章小結根據(jù)拜泉縣地區(qū)的概況分析，對主要工藝、主要參數(shù)等進行了遴選，設計了沼氣生態(tài)模式中豬舍、沼氣池尺寸、燃池尺寸，以及各構筑物的平面分布，并且利用以上設計數(shù)據(jù)繪制了施工圖紙。此設計獲得的數(shù)據(jù)較為合理，為該設計的標準化建設提供了理論和技術的支持。第3章 沼氣池生態(tài)模式在畜禽養(yǎng)殖中的應用 3.1 沼氣生態(tài)處理模式的畜禽污染防治作用沼氣生態(tài)處理模式是我國防治畜禽污染的模式之一，在糞污處理模式中發(fā)揮著重要的作用，該模式的畜禽污染防治功能已得到了廣泛認可，能夠有效降低糞便污水的nh3-n、tp、tn、codcr、bod5等有機質，解決糞便污水對水體的污染。沼氣生態(tài)處理模式的污染防治作用是由于畜禽養(yǎng)殖糞便污水經(jīng)過沼氣池發(fā)酵處理，降低了廢水中的有機質含量，改善排放廢水的水質，其厭氧發(fā)酵過程能對污染物質進行無害化處理，控制和降低農(nóng)村面源污染9。對沼氣、沼渣和沼液的資源化利用也會產(chǎn)生更好的環(huán)保效果，減少對環(huán)境的污染。而且，與廢水好氧生物處理技術相比，沼氣池厭氧處理技術具有運行維護低、產(chǎn)生沼氣可再生能源等優(yōu)點。因此，通過建設以厭氧發(fā)酵為主要環(huán)節(jié)的沼氣池，能夠有效地處理畜禽糞污，達到防治畜禽養(yǎng)殖污染的目的10。拜泉縣畜禽養(yǎng)殖業(yè)貢獻的污染物負荷較大，畜禽糞污如不妥善處理，將會破壞農(nóng)田生態(tài)環(huán)境、污染水體、大氣，帶來一系列環(huán)境問題，嚴重影響周圍居民生活，因此控制畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物的排放十分重要。而這些畜禽糞污具有很好的可生化降解性，蘊含著大量的生物質能。在環(huán)境污染和能源短缺日益嚴重的情況下，有效利用生物質能，對實現(xiàn)環(huán)境、能源和經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義11。根據(jù)國家環(huán)境保護總局頒布的畜禽養(yǎng)殖污染防治管理辦法，畜禽養(yǎng)殖場應該采取將畜禽糞污還田、生產(chǎn)沼氣、制造有機肥料、制造再生飼料等方法進行綜合利用12。自2001年以來，黑龍江省畜禽養(yǎng)殖污染綜合整治進入新的階段，通過采取各種措施來控制畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染，幾種常用控制措施的優(yōu)缺點、處理率及費用情況見表3-1。表中各種措施各有特色，關鍵在于因地制宜。其中，沼氣生態(tài)處理模式是處理畜禽糞污的一種有效方法，針對非規(guī)模化養(yǎng)殖產(chǎn)生的畜禽糞污，農(nóng)村戶用沼氣生態(tài)處理模式是糞污處理的最佳方式13。畜禽糞污中的有機物通過厭氧消化技術產(chǎn)生沼氣、沼渣和沼液，實現(xiàn)了畜禽糞污的無害化、減量化和資源化。豬糞尿經(jīng)過沼氣池厭氧發(fā)酵后，bod5去除率為88%，codcr去除率為87%，懸浮物去除率為98%，氨氮去除率為83%，消滅人畜寄生蟲卵達90.6%，消滅大腸桿菌99.9%，消滅細菌99.6%，有效地減少了畜禽糞污排放帶來的面源污染。因此，農(nóng)村戶用沼氣生態(tài)處理模式在畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染治理中具有非常良好的作用14。表3-1畜禽養(yǎng)殖污染控制措施比較措施處理率（%）費用分析沼氣池生化塘50-7011.7元/單位生豬或20.54元/t豬糞當量前提條件:需要一定的前期投入優(yōu)點:在處理污染物的同時，可為農(nóng)民提供生活燃料，減少木柴的砍伐，兼具環(huán)境和經(jīng)濟效益缺點:n和p去除不完全;更新維護較困難水產(chǎn)養(yǎng)殖70-90較低前提條件:在畜禽養(yǎng)殖場周圍有魚塘優(yōu)點:前期投入小，處理率高缺點:處理量有限;受季節(jié)限制還田60-90較低前提條件:在畜禽養(yǎng)殖場周圍有果園和農(nóng)田優(yōu)點:前期投入小;既滿足作物需要，又能去除污染物;可提高土壤肥力;減少化肥施用量缺點:處理量有限;受季節(jié)限制;污染空氣堆肥60-90中等前提條件:畜禽養(yǎng)殖場周圍有足夠大的土地可用于堆肥優(yōu)點:糞便經(jīng)過熟化處理不會對農(nóng)作物物造成傷害;可減少化肥施用量缺點:占用土地;處理量有限有機肥料加工80-90較高前提條件:畜禽養(yǎng)殖場周邊有配套的加工企業(yè)優(yōu)點:前景好、經(jīng)濟效率高缺點:目前養(yǎng)豬場規(guī)模小、場址分散，不利于豬糞尿的運輸和集中;前期投資大3.2 農(nóng)村沼氣生態(tài)處理模式利用中存在的主要問題近兩年，沼氣建設的發(fā)展取得了一些成績，但與先進地區(qū)相比差距還很大。去年才剛開始利用沼氣集中供氣、發(fā)電15。沼氣池建設正處于發(fā)展階段，建池數(shù)量還比較少，綜合利用工作處于初級階段。對農(nóng)村沼氣池建設進行了調研分析，當前農(nóng)村沼氣生態(tài)處理模式利用中存在的問題歸納起來主要有以下幾點:l. 資金問題農(nóng)村沼氣建設是一項社會公益性事業(yè)。近年來，政府撥付資金來扶持農(nóng)村沼氣建設項目，但對建池戶的補貼數(shù)額畢竟有限16。農(nóng)民作為沼氣的直接受益者，大部分資金需要自籌。一些農(nóng)民雖然認識到沼氣利用的好處，但是由于收入還很低，沼氣池建設的一次性投入又比較大而往往負擔不起，無法自行籌建;也有一些農(nóng)戶想建沼氣池，但最后還是因為未拿到政府補貼而擱置17。所以，資金問題限制了沼氣產(chǎn)業(yè)大規(guī)模的發(fā)展，缺乏有效的融資渠道是沼氣產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的重要障礙。2. 技術問題沼氣池建設人員實行持證上崗，因為沼氣池建造，既需要懂理論方面的知識，也需要懂實踐操作技能。熟練技工隊伍建設不成熟，人員缺乏18。如南靖縣能源辦雖然每年都采取措施對技術人員進行專門培訓，但是熟練技工的人員結構仍不能與農(nóng)村沼氣建設發(fā)展的需要相適應。而且現(xiàn)在的技術人員接觸沼氣池建設的工作時間不長，具體指導建池的實踐經(jīng)驗也不足，這為農(nóng)村沼氣項目建設帶來一定的困難19。3. 認識問題全縣沼氣建設發(fā)展不平衡，有的村發(fā)展較快，有的村相對緩慢，這很大程度上是與農(nóng)戶、基層干部的認識差異有關系20。一是部分農(nóng)戶習慣了傳統(tǒng)的生活、生產(chǎn)方式，不易接受新事物，也有部分群眾對沼氣生態(tài)處理模式在生態(tài)農(nóng)業(yè)建設、改善農(nóng)村環(huán)境衛(wèi)生、農(nóng)民增收等方面的作用不了解，認為這樣的投資對改善生產(chǎn)生活條件意義不大，使得建池的積極性、主動性不高，沼氣池建設進展緩慢，普及率低。二是有的農(nóng)戶對當前沼氣技術的發(fā)展情況了解不深入，沒有看到沼氣在農(nóng)村社會、經(jīng)濟中的獨特地位和作用，沒能將其與當?shù)厣鷳B(tài)農(nóng)業(yè)、環(huán)境保護等結合來21。認為目前沼氣技術不過關，把因“重建輕管”而造成沼氣池停用現(xiàn)象歸因于技術不過關22。三是部分基層干部認識不正確，認為自然資源豐富，不缺乏能源，建不建沼氣池無所謂，沒有把農(nóng)村沼氣開發(fā)利用與改善生態(tài)環(huán)境結合起來，而是從狹隘的經(jīng)濟利益出發(fā)，認為推廣使用沼氣僅僅是農(nóng)民“增收節(jié)支”，政府在稅收方面沒有顯而易見的好處，因而沒有積極配合沼氣池建設工作，宣傳力度不夠23。4. 沼氣沼液沼渣綜合利用低農(nóng)民在沼氣沼液沼渣綜合利用上重視不夠，有的人建沼氣池就為了解決炊事和照明，對沼氣池的認識僅僅停留在沼氣用來“節(jié)柴節(jié)煤、點燈燒飯”的層次，沼液沼渣利用少甚至沒有使用就廢棄，對“三沼”(沼氣、沼液、沼渣)的綜合利用技術理解不深，如利用沼氣搞水果保鮮、儲糧;沼液浸種、噴施果樹蔬菜、養(yǎng)豬、養(yǎng)魚;沼渣種蘑菇、養(yǎng)殖蛆蝴等沒有開展起來，種植業(yè)與養(yǎng)殖業(yè)結合不緊密，因而“三沼”綜合利用率較低，“三沼”的利用潛力還未很好的挖掘而獲得更大的經(jīng)濟效益。所以，要以沼氣為切入點，充分利用沼渣、沼液，發(fā)揮其綜合效益，堅持按照農(nóng)業(yè)規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化的思路發(fā)展24。5. “重建輕管”問題突出建池易、管理難是影響沼氣生態(tài)處理模式利用的因素之一。農(nóng)村人口的文化素質相對偏低，對農(nóng)業(yè)科技的認知水平和運用能力較差，沼氣技術對大多數(shù)農(nóng)戶來說是屬于先進和較難掌握的農(nóng)業(yè)技術25。在調查中發(fā)現(xiàn)，有的沼氣池剛開始使用效果不錯，用不了多久就出現(xiàn)產(chǎn)氣不良，甚至根本不產(chǎn)氣，常常是夏季產(chǎn)氣好，冬季產(chǎn)氣不夠用26。這是因為建池之初農(nóng)民普遍比較重視，政府負責把沼氣池建好后，農(nóng)戶只使用，不搞日常管理，不及時地出料、抽渣，致使沼氣池不能持續(xù)產(chǎn)氣，平時必需的器械、配件供應也跟不上。也看到部分農(nóng)戶對沼氣安全管理不重視，沒有嚴格遵照沼氣設備使用章程，如脫硫器和壓力表壞了沒有及時更換仍繼續(xù)使用，存在很大的安全隱患27。另外，由于經(jīng)費及人員編制問題，配備的沼氣技術人員遠遠不夠，從事沼氣建設后續(xù)管理的人員很少，農(nóng)村沼氣技術維護服務中心尚不完善28。因此，后續(xù)服務不到位，沼氣池建成后的長期維護管理工作比較薄弱，不能滿足建池農(nóng)戶的需求，農(nóng)戶未經(jīng)正規(guī)培訓所掌握的技術仍無法及時解決問題，這是關系到沼氣池長期良好運轉的保障29。3.3 本章小結本章簡單分析了畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)生的動物排泄物對農(nóng)村環(huán)境的污染，并簡單比較幾種生態(tài)模式對畜禽養(yǎng)殖污染控制的比較，得出了沼氣生態(tài)模式是在防治畜禽養(yǎng)殖造成的污染的最家模式30。同時也指出利用沼氣生態(tài)模式存在的一些問題，但我們可以發(fā)現(xiàn)在使用沼氣池可以減少畜禽糞便污染，所以沼氣生態(tài)模式應該普及。第4章 效益分析4.1 經(jīng)濟效益分析經(jīng)濟分析主要從以下幾方面考慮：1.采暖:建筑面積100，冬季采暖需用煤3t，每噸700元，則計算得:3700=2100元/年。2.炊事:按每戶平均每天三餐用1.2，沼氣，每立方米沼氣折合成1.25煤氣，按每煤氣按1元計算，經(jīng)濟效益為1.2xl.25x365=548.00元/年。3.發(fā)電:利用沼氣發(fā)電，l沼氣可發(fā)1.8度電，此設計