牛粪生产沼气的影响因素

韩兴燕 孔伟

（甘肃省家畜繁育改良管理站 733000）

1 影响因素

1.1 温度

甲烷菌能在0～80℃的范围内生存，人工控制生产沼气以中温35～37℃为最佳发酵温区，此温度区间牛粪中的有机物易在厌氧条件下经甲烷菌降解成沼气。发酵温度在15～20℃时产沼气率受到抑制，温度高于60℃以上产气多，但菌种老化速度快。调浆温控制在37～42℃，防止发酵罐内温度出现±5℃的波动。发酵罐体采取保温隔热材料防护，影响发酵产气的持续性。发酵罐增加保温或增温措施是提高牛粪日产沼气量和产气率的关键[1]。

1.2 菌种

在沼气发酵罐中存在厌氧和需氧菌，产气与耗氧等5 类微生物菌群。新的沼气池启用前利用老沼气池沼渣（沼液）、污泥等接种，用量一般占牛粪发酵液的30%产气效果最佳[2]。在沼气发酵过程中，不产甲烷细菌和产甲烷细菌之间，相互依赖互为对方创造与维持生命活动所需要的良好环境条件，但它们之间又互相制约，在发酵过程中要通过罐内发酵环境控制，及时补充甲烷菌，防止老化，保障牛粪物料的充分消化利用和产气的持续性。

1.3 浓度

适宜的牛粪发酵浆料是甲烷菌保持自身需求，并产生沼气的营养物质，甲烷菌维持自身生长繁殖的牛粪浆料浓度为6%～12%，在生产实践中保持粪浆浓度恒定在10%产气率相对稳定。

1.4 酸碱度

沼气生产中沼气菌适宜在中性或微碱性的环境中繁殖。自然状态下调浆后的鲜牛粪浆液pH 一般在6.5～6.8。根据牛粪的饲料成分和饲养季节不同牛粪酸碱度有一定变化，在调制发酵液是将pH 控制在6.8～7.5 为宜。调好的发酵浆液经pH 检测，偏酸用5%～10%的草木灰溶液调偏，偏碱用醋酸或食醋加水稀释后纠偏。

1.5 碳氮比

甲烷菌消化牛粪适宜的碳氮比为20～30：1，一般鲜牛粪的碳氮比在22～33，保持好四季的发酵温度和粪浆浓度不需要调配就能直接用于沼气生产。碳源和氮源浓度过高和过低均不利于细胞生长和外源蛋白表达与积累，影响甲烷菌的繁殖，不利于持续产气。

1.6 粪水原料

用于沼气生产的牛粪以新鲜含水量在40%～80%，无影响调浆发酵的杂物和消毒杀菌剂等化学物质，未经发酵腐熟的粪便。调浆水用牛屠宰场血水经过滤加温后调制牛粪浆液，加入发酵罐时保持粪浆温度不低于35℃。牛粪混合后血水等进行混合发酵可有效地提高发酵原料产气量和甲烷含量，还可避免发酵过程中产生的不利影响，进而能高效地提高牛粪生产沼气的速率和综合利用率[3]。

1.7 生产工艺

沼气发酵是一个极其复杂的生物化学过程。全混合式（CSTR) 厌氧消化池是当前用于较多的沼气生产消化器，在该反应器里原料的进入和流出处于动态平衡状态，发酵液中的液体、固体和微生物处于混合状态，出水有机物浓度与反应器内料液浓度相等。其他条件具备情况下，产气率可达到0.5～0.8以上，牛粪的发酵滞留期达到30～40d 以上。

1.8 厌氧环境

沼气生产是一个严格的厌氧发酵过程，沼气发酵的微生物包括产酸菌和产甲烷菌两大类，都是厌氧细菌。因此，建造一个不漏气、不漏水的密闭沼气池是利用牛粪人工制取沼气的关键。在加料过程中，空气随浆料被带入发酵罐内，液体原料里也有溶解氧，对甲烷细菌的生长非常不利。氧的去除需要依赖其他需氧微生物的氧化能力把氧消耗掉。通过这些微生物有顺序地交替生长活动才能为甲烷菌生长创造适宜的条件，使甲烷菌能很好地生长繁殖和产气。

2 沼气生产模式

（1）厌氧消化所产的沼气，其热值达 39300KJ·m3，1m3含60%甲烷的沼气相当于0.6m3的天然气，1.375m3的煤气，0.76kg 的原煤，6.45Kwh 的电[1]。1m3牛粪在良好的生产条件下能产沼气40～50m3，因其良好的生物环保价值，在农业产业化方面逐步地到应用。目前，沼气的利用模式也是影响产业发展的重要因素，从总体布局上分为大循环沼气生态农业示范模式、区域中循环沼气生态农业示范模式和主体小循环沼气生态农业示范模式等3 种模式[4]。

（2）中型沼气循环生产模式，目前这种模式在新农村建设和小城镇建设方面作用突出，发展比较稳定，也符合美丽乡村建设需求，如围绕小城镇分散养殖，粪污集中生产沼气向社区供气，弥补天然气管网无法覆盖的社区、为农村城镇民用和工业生产提供能源。

（3）小型沼气循环生产模式多以家庭和企业为单元，实现自产自用的非商业化模式，如养殖-种植-沼气-肥料循环利用模式，受劳动力、资金、外界气温等因素影响明显，结合暖棚种植减少外界温度影响，产生的 “三沼” 现场就能消化利用，是生产有机蔬菜，生物防虫的有效措施。

3 问题与措施

（1）牛粪综合利用率不高，农村家庭建沼气池后技术服务和生产工艺简单，受季节性和外界气温变化影响较大，沼气存储困难，燃烧时间难控制，进出料费工费时利用率不高[5]。有条件的地区将大棚种植与半地下式玻璃纤维发酵罐结合使用，将发酵罐建在蔬菜塑料暖棚内，降低外界气温对发酵温度的影响，方便沼液、沼渣肥料的就地利用，沼气可以用于一般生活燃料和低温季节大棚内升温保暖，沼液用于防治病虫害。

（2）原料供给不充足，小型沼气生产主要分布在农村，受农业产业结构的影响，养殖业也受饲草料和劳动力的影响，牛的养殖数量变化起伏较大，影响沼气设施的持续利用，加之设施维护工作不能持续，大批已建家庭式沼气设施废弃。

（3）政策性因素，农村沼气后续维护和管理工作，缺乏相应的监管激励政策，影响农村沼气建设效益的发挥，难以适应社会化服务的需要。开展沼气综合利用技术和种养殖技术、粪污治理技术、人畜共患传染病防控技术、公共卫生的知识培训、技术指导、示范应用等政策扶持，鼓励农村发展种植-养殖-能源-肥料的农业生态良性循环发展。

4 小结

利用厌氧消化沼气生产技术处理粪污，处理成本较低，可降低养殖企业环境污染问题，又能获得清洁能源和优质有机肥料，保护环境及废弃物资源化利用，具有环保、经济、能源、生态等诸多效益[6]。在粪污处理方面因地制宜，推广沼气生产技术，与新农村城镇化配套建设沼气工程，结合养殖规模采取多种方式方法利用牛粪资源，是粪污无害化、资源化、能源化利用得到广泛应用和推广的基础。