生態農業是按照生態學原理和經濟學原理,運用現代科學技術成果和現代管理手段,以及傳統農業的有效經驗建立起來的,能獲得較高的經濟效益、生態效益和社會效益的現代化農業。它是利用傳統農業精華和現代科技成果,通過人工設計生態工程、協調發展與環境之間、資源利用與保護之間的矛盾,形成生態上與經濟上良性循環,經濟、生態、社會效益的統一。推廣沼氣發酵技術是發展生態農業的新舉措。這一新舉措不僅能起到保護生態有效利用能源的作用并且有利于增肥土地,使農業得到可持續發展。目前我國生態農業有非常好的發展前景。
1 沼氣發酵的微生物原理
沼氣發酵又叫厭氧消化,是指各種有機物在一定的水分、溫度、厭氧條件下,被各類沼氣發酵微生物分解轉化,最終生成沼氣的過程。微生物是沼氣發酵過程中最活躍的因素,它們把各種固體或是溶解狀態的復雜有機物,按照各自的營養需要,進行分解轉化,最終生成沼氣。它的主要成分及構成比例為甲烷占55%~70%左右,二氧化碳占25%~40%左右,此外還有少量氫氣、硫化氫、一氧化碳、氮和氨等。
2 沼氣發酵的3個階段
沼氣發酵微生物在沼氣發酵過程中,有發酵性細菌,產氫產乙酸菌,耗氧產乙酸菌、食氫產甲烷菌、食乙酸產甲烷菌等5大類微生物參加沼氣發酵,它們在發酵過程中的作用及對生存條件的要求,有以下3個階段。
2.1 液化階段
所謂液化階段就是禽畜糞便、作物秸稈、豆制品加工后的廢水等大分子有機物分解成能溶于水的單糖、氨基酸、甘油和脂肪酸等小分子化合物。這個過程也就是發酵性細菌群利用它所分泌的胞外酶,如纖維酶、淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶等,對有機物進行體外酶解。
2.2 產酸階段
這個階段就是小分子化合物被發酵性細菌吸收進細胞,被分解為乙酸、丙酸、丁酸、氫和二氧化碳等,再由產乙酸菌把發酵性細菌產生的內酸、丁酸轉化為產甲烷菌可利用的乙酸、氫和二氧化碳。同時,耗氫產乙酸菌群體利用氫和二氧化碳生成乙酸,以及代謝糖類生產乙酸。液化階段和產酸階段是一個連續過程,統稱不產甲烷階段。在這個過程中,不產甲烷的細菌為產甲烷菌提供營養和為產甲烷菌創造適宜的厭氧條件,從而消除部分毒物。
2.3 產甲烷階段
甲烷是利用以上不產甲烷的3種菌群所分解轉化的甲酸、乙酸、氫和二氧化碳小分子化合物等生成的。
3 沼氣發酵的原料
3.1 富氮原料
人糞尿、豬糞、雞糞、牛糞、馬糞、羊糞、糖糟、酒精等原料營養豐富或比較豐富,分解速度快,易消化,但含碳少。
3.2 富碳原料
稻草、麥草、玉米秸、高粱秸、干紅薯騰等這些原料分解速度慢,在自然溫度下,利用率低。
3.3 易分解的原料
水葫蘆、水花生、水浮蓮、紅萍、綠肥、青雜草等鮮料,只要切碎加點化肥、石灰等稍加堆漚,分解速度快,產氣快。
3.4 下腳料
酒廠、屠宰場、豆腐坊等工廠排放的有機廢物、污水等。
4 沼氣發酵的條件
4.1 接種物
接種物是指含有豐富沼氣微生物的污泥,一般在池內加入占發酵物10%~30%的接種物才能加速發酵。
4.2 酸堿度
研究表明沼氣池里發酵的pH值最好在6.5~7.5。
4.3 沼氣池的密閉狀況
人工自制的沼氣池要求一定要密閉,不漏水、不漏氣。
4.4 發酵溫度
雖然沼氣發酵溫度范圍比較廣泛,但是溫度變化超過5,沼氣產量會大減。
5 沼氣發酵在生態農業中的作用
沼氣發酵的作用主要分為2個。一個是保護生態有效利用能源。在農村秸稈資源特別豐富,以前人們對于秸稈的利用特別初級,就是將其當作生活燃料。當生活水平日益提高后,農民們直接就采取了直接焚燒的方式處理秸稈,這不僅會造成能源的損失同是還會嚴重污染大氣并且帶來火災隱患。但是當這些秸稈、廢物等用于沼氣發酵就能充分利用熱能,并且減少環境污染。沼氣發酵的另一個作用是有利于增肥土地,使農業得到可持續發展。一個體積為6~10m3的沼氣池就可以產出16~20m3的肥料。
6 我國沼氣農業的發展趨勢
在20世紀末，各地的農業技術工作者和農民通過反復的實踐，依照地域資源條件使沼氣生態模式都逐步形成，北方主要是4位一體模式，南方主要是桑基魚塘及豬-沼-果等模式。這些成功的生態農業模式，不僅給國內其他地區的農業起到了示范作用，更是享譽國外。聯合國環境規劃署還先后授予了北京市留民營村、浙江省蕭山市山一村、遼寧省大洼縣、西安生態養殖場等單位環境保護全球“500佳”稱號，這些種種都說明生態農業在我國有很好的的發展前景。
近年來,農村沼氣建設收到了黨中央、國務院和各級地方黨委、政府的高度重視。沼氣的利用,有效的促進了農村科技進步,引導農民改變傳統的生活和生產方式,提高農民生活質量。沼氣技術是農村廢棄資源化利用,發展生態農業和農村環境治理的紐帶。通過農業廢棄物和生活垃圾為原料,可產出沼氣來提供生活和生產用能,沼渣和沼液可用于農業生產,實現種植、養殖和加工的良性循環,減少環境污染。沼氣是一種以甲烷和二氧化碳為主要成分的可燃性混合氣體,若管理不善,容易造成氣體蓄積,當達到一定濃度后,若泄漏會造成人員中毒,遇明火則極易產生爆炸,造成傷亡事故,對人民群眾的人身和財產安全造成危害。目前,我國的沼氣池工程正朝著設備標準化、模塊化、自動化的方向發展。沼氣成分的測定是維持沼氣工程正常運行、確保沼氣正常使用的重要環節。因此,建立一種高效的、網絡化的農村沼氣工程監測預警平臺,對安全利用沼氣能源,提高沼氣利用監管效率和服務質量,具有非常重要的現實意義。
7.1 工作原理
天禹智控的沼氣濃度監測系統通過各種傳感器采集沼氣池的環境信息,數據在STC/STM單片機處理之后以數碼管或LCD屏顯示出來。系統將同時允許授權的用戶,通過多種移動終端(如手機、PC等)掌握實時數據,實現遠程監控。單片機通過實時比對數據與設定的閾值,來決定是否采取預警措施,保障沼氣池的安全和正常工作。
7.2 系統硬件設計
系統采用模塊化設計,由單片機,傳感器,數據顯示模塊,無線傳輸模塊,報警電路等組成的智能監測與報警系統。
系統通過各種傳感器采集沼氣池的環境信息,并通過觸摸屏或LCD顯示出來,可以在非規定工作時間內對沼氣池安全進行監控,而后通過無線通信網絡技術分析現場數據,對沼氣池內各項指標進行綜合評價,以便允許授權的用戶通過多種移動終端(如手機、PC等)掌握實時數據,實現遠程監控,通過分析數據與設定的數值,當測定數據超標時,通過預警系統通知客戶或管理人員,保障沼氣池的安全和正常工作。
7.3軟件設計
在系統實現開機操作之后，系統將調用模塊實時監測沼氣環境中各項指標的情況，如甲烷CH4含量、PH值、溫度等。各項數據經單片機的處理，通過數據顯示模塊實時滾動顯示，達到時刻監測的效果。同時數據還將實時與設定閾值進行比較。
出于安全考慮，系統配置聲光報警模塊，一旦環境中的各項指標超過了設定的閾值，沼氣濃度監測系統將通過遠程終端（PC 端或APP）提醒工作人員，以便及時采取措施。通過這樣的設計，能夠實現池內問題早發現、早預警、早處理。
7.4 沼氣濃度監測的意義
天禹智控的沼氣濃度監測系統以物聯網技術為支撐，實時獲取沼氣池在發酵過程中池內甲烷CH4含量、二氧化碳CO2含量、PH值、溫度等指標，并通過顯示模塊實時顯示，能夠使監測中心的工作人員實時獲取數據，保證沼氣池發酵安全。
同時，系統的監測預警模塊也會實時分析數據，在指標臨近閾值時發出提醒，達到閾值時發出警報，及時告知工作人員。這樣保證了即使遠離工作崗位，也能即使采取措施。
天禹智控的沼氣濃度監測系統，是為了適應現代農業發展而提出的方案。該系統可實現實時顯示、實時預警的功能、具有安全、穩定、實用性強、可預警可遠程交互等優點，對于當代新型農業發展以及清潔能源建設有所幫助，在監測的同時也保障了安全。
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