CN101993813B - 利用废生物实现能源沼气化 - Google Patents

Abstract

利用废生物实现能源沼气化，是把人畜禽的***物、食物剩余垃圾、农作物废料以及青草水生植物、枯枝、落叶等废物收集起来，利用微生物嫌气发酵产生沼气的办法，以补充天然气供应愈来愈紧缺的问题。同时给农业提供大量优质有机肥，变废为宝，加强环境保护，增加就业机会。

Description

利用废生物实现能源沼气化

一、技术领域

本发明涉及环境保护及生物能源，物别是将人畜禽的***物、食物垃圾、农作物废料以及青草、水生植物、枯枝、落叶等废料在沼气池中利用生物能发酵产生沼气，以弥补天然气愈来愈枯竭的问题。 

二、背景技术

农村居民生活用能源已经在蓬勃发展 

1、国家大力支持农村沼气建设 

沼气是我国目前大力发展的四大重点可再生能源项目之一。 

农业部《2003-2010年全国农村沼气建设规划》提出了：2002年底全国沼气池总量1100万户，计划到2010年，全国沼气池总量达5000万户以上，全国20％的农户可使用沼气；2003-2010年总投资610亿元，中央投资449亿元。中央对投资者的补助标准为：西北、东北地区每户1200元，西南地区每户1000元，其它地区每户800元。从2005年开始，沼气普及工程从中央政策层面开始加速落实到各省、市的执行阶段，是国家为解决中西部落后地区脱贫致富，改善生态环境所采取的重要举措。针对沼气建设，各省、市出台了一系列配套制度来保证沼气项目的顺利进行。 

2006年《中共中央国务院关于推进***新农村的若干意见》(中发[2006]1号)指出：要加快农村能源建设步伐，在适宜地区推广沼气，大幅度增加农村沼气建设投资规模，有条件的地方要加快普及户用沼气...... 

2007年《关于积极发展农业扎实推进***新农村建设的若干意见》(中发[2007]1号)中指出......加快发展农村清洁能源，继续增加农村沼气建设投入...... 

国家不但财政补贴标准在提高，财政补贴的总额也在逐年增加。2002年，国家在农村沼气建设方面的投入资金为3亿元；2003年，国家10亿元农村沼气建设国债资金项目启动，项目涉及全国24个省的540个县，6000多个村，103万农户；2004年、2005年农村沼气建设国债资金均为10亿元；2006年，国家安排国债投资25亿元，用于农村户用沼气建设项目，比2005年增加1.5倍，计划新增沼气用户250万户；2007的农村沼气建设国债资金在2006年25亿元的基础上增加了20％以上。 

除了国家财政补贴外，各省、市地区财政按照中央财政补贴的相应比例，也 投入部分资金。此外，我国大部份省的政府还从国家扶贫、退耗还林，天然林保护资金、建设***新农村、改善农村卫生环境等政策中拿出一部分资金直接补贴农户，各地、市、县、乡在经济条件允许的情况下，也对农户建造沼气池进行了补助。 

2、农村沼气能源给农民带来了实惠 

在国家诸多优惠政策的扶持下，广大农村纷纷建起了沼气池，不仅改变了农村卫生环境，改变了过去煮饭烧锅用材草的烟熏火燎状况，根据专利申请人所在的四川省广汉市农村的实际使用情况证明，农家沼气池只要严格按照安全生产使用操作规范操作使用，一年四季正常产气、出肥，排出尾水清澈透明，用以浇田、种菜、肥果树，肥效都很不错，还有杀灭虫害的作用。沼池渣浆供复合化肥厂作原料，很畅销。 

3、沼气的特性 

沼气含CH₄50-70％，以及CO₂、H₂、N₂、CO、H₂S等气体，每立方米沼气的发热值可达5500-6500大卡，燃烧温度可达1400℃，一个8-10m³的沼气池，可日产沼气1m³，可代替3000～4000斤秸杆燃烧，除了一天三餐作饭外，还可用来烧水洗澡，煮饲料，晚上点灯照明发电等，基本上解决了一家农户生活能源所需。 

沼气发酵是有机物在隔绝空气和一定温度、湿度条件下，经微生物的嫌气发酵产生沼气的过程，参加沼气发酵的各种微生物都属于嫌气性有机营养型细菌，其中主要为各种沼气细菌如奥氏甲烷杆菌、甲烷八联球菌及马再氏小球菌等。 

在沼气发酵过程中，有机物质的分解转化过程大体可分两步：首先是各种嫌气性纤维分解菌、果胶分解菌、丁酸细菌以及在嫌气体条件下分解蛋白质、脂肪、碳水化合物的各类微生物共同作用，将复杂的有机物质分解成以醋酸(CH₃COOH)、乳酸(CH₃CH₂COOH、CH₃CHOHCOO3)、丁酸(CH₃CH₂CH₂COOH、[CH₃]₂CHCOOH)、甲醇(CH₃OH)、乙醇(CH₃CH₂OH)、丁醇(CH₃CH₂CH₂CH₂OH)等为主的有机物，和二氧化碳(CO₂)、硫化氢(H₂S)及氨(NH₃)等无机物。其次，上述复杂有机质分解所产生的有机酸、醇、二氧化碳及氢等，再经沼气细菌的作用，从多种途径生成甲烷，其化学反应如下： 

a.由酸和醇的甲基形成甲烷 

CH₃COOH→CH₄+CO₂

4CH₃OH→3CH₄+CO₂+2H₂O 

b.由醇的氧化使二氧化碳还原形成甲烷 

2CH₃CH₂OH+CO₂→2CH₃COOH+CH₄

2CH₃CH₂CH₂CH₂OH+CO₂→2CH₃CH₂CH₂COOH+CH₄

c.利用氢使二氧化碳还原形成甲烷 

CO₂+4H₂→CH₄+2H₂O 

由于沼气发酵是各种嫌气性微生物综合作用的过程，故在同一沼气池中，有着不同的发酵过程，互相交错进行。 

沼气是多种微生物发酵作用的产物，因此当沼气微生物的生命活动愈旺盛时，产沼气就愈多，沼气池肥亦多，质量也好；否则产气少，出肥亦低，肥效不高。所以，为了进行良好的沼气发酵，就要给沼气微生物创造适宜的环境条件。 

a.要求沼气池必须严格密闭，一定要做到不漏水，气箱不漏气。 

b.接种优质沼气细菌。如在用沼气池渣、老粪池渣、阴沟污泥等均可。 

c.配料要适当，沼气的产量与原材料的碳氮化有关。一般要求其碳氮比为30～40∶1较好。这就要求入池的粪尿、青草、蒿杆、枯枝落叶等按比例加入。 

d.适量水分是沼气池产气的重要因素，一般控制在湿料量的50％左右，而湿料为干基的70～80％左右。 

e.温度一般控制在20～40℃为宜。 

f.酸碱度，沼气细菌在pH6～8范围内活动最旺，产气量高。在发酵液中往往累积大量有机酸，使pH值降低，一般常用原料干重0.1～0.2％的生石灰于以中和。 

g.适时对池内物料进行搅动，使池内物料充分发酵。 

沼气中除含大量甲烷气外，还含少量氨、硫化氢和剧毒的磷化氢(PH₃)。硫化氢和磷化氢易引起人中毒，在使用沼气时，输送管、伐、仪器等应严防漏气，应定时循环检查及时处理。沼气池出肥渣和进行维修时，必须将池内甲烷等气体排出，待充满新鲜空气后，人员才允许进入池内，以免发生伤亡事故。沼气在供用户使用前，应通过铵水脱PH₃塔及脱硫器脱除有害气体后再用。 

沼气不仅含有毒气体，应在居民使用前于以脱除，更因为沼气是可燃气体，一旦与空气混合到一定比例，遇上火花就可发生猛烈的***，破坏威力极大，因此，生产和使用都必须严格按照“安全生产使用操作规程”进行。在设计方面，应在管道上、设备上的关键部位设置防爆板，在必要的管路上设置安全水封装置，以防用气点火时产生回火回气事故。 

4、人畜禽***物、食物垃圾、农作物废料以及青草、水生植物、枯枝、落叶等是沼气生产的宝贵源料 

人畜禽***物肥份含量高、腐熟快、肥效良好，适用于各种土壤和多种作物，增产效果显著，故历来为农民所重视。但其中藏有大量寄生虫卵，应通过沼气池生物发酵除去。 

人畜禽粪尿是食物经过消化未被吸收利用而排出体外的部分。其中约含70～80％的水分，20％左右的有机物质，主要成分是纤维素、半纤维素、脂肪、脂肪酸、蛋白质及其它分解的中间产物等；矿物质含量约5％，主要是硅酸盐、磷酸盐、氯化物及钙、镁、钾、钠等盐类。这些都是农作物必须的养分。 

人畜禽粪尿不仅养分含量较高，而且数量很大，在肥源上占有重要地位。目前城市化居民住宅，基本上是高楼大厦，厕所都实现抽水马桶，大量人粪尿全部随自来水冲入化粪池，液化后从下水道流入江、河、池、湖，造成环境污染，也浪费掉宝贵的有机肥源和水源。 

既然农村一家一户能够利用人畜禽粪便，建沼气池生产沼气，以解决农村燃料照明等生活所需能源问题，也获得了大量优质有机肥料，改善了环境卫生条件，减少蚊蝇孳生场所。按理说城市更有条件，把排放的人粪尿集中起来，通过大、中型(根据小区户数决定大小)沼气池，生产沼气，补充居民生活能源。如：以居民小区为单元，或以几幢相邻公寓为单元，分别建沼气池、站，设专人管理，也可解决部分就业问题。沼气池尾水与池渣的可溶成分一致，可直接用作肥液，用不完的集中作净化处理后，专供抽水马桶或清洁、浇花等的“再生水”用。沼气池渣是优质的有机肥，一个大区可建一个有机肥厂，定期从各居民区的沼气池、站，用槽罐车拉进肥料厂作生产原料。根据粗略计算，按目前情况，每立方米沼气，送到用户的商品价约1元人民币左右，这个价低于天然气或煤气价，一定很受居民用户欢迎。 

5、天然气资源缺口很大，形势逼人 

据报导，我国2008年中石油天然气产量为617亿m³，同比增长了13.8％，占全国产气量70％以上。可是到2010年我国天然气需求量缺口在200亿m³左右，到2020年缺口将达到900亿m³。天然气是不可再生能源，供应量会越来越少，形势非常严峻。 

世界上一些发达国家，正在进行利用微生物厌氧消化农场废物生产甲烷的较大规模试验。英国建立了甲烷化的自动化工厂，可以代替整个英国25％的煤气消 耗量。美国一牧场兴建了一座甲烷发酵工厂，每天可处理1650吨厩肥，可提供11.3万m³/天的甲烷气，足够10万户家庭使用。目前美国已拥有24处生物能发酵工程，可见它们在能源危机威协下，已然捷足先登。 

我国改革开放以来经济情况有了很大的发展，当前金融危机席卷全球的严酷形势下，仍然担当着中流砥柱的关键作用。但是，在能源危机咄咄逼人的情况下，别的国家都早采取了未雨绸缪的先行策略。而我国人口众多，资源奇缺的情况下，怎么能放弃城市人口集中，人粪尿、食物剩余垃圾等大量生物能优质原料这样宝贵的资源白白浪费掉呢！ 

三、发明内容

1、本发明的目的是利用城市白白排放掉的大量人粪尿及食物垃圾，用沼气池生物发酵产生沼气，供城市居民生活能源愈来愈供应不足的严峻形势。 

2、本发明的目的是这样实现的。 

生物能源能在农村利用人、畜、禽粪尿及秸杆、青草、枯枝落叶等农村废料来实施成功，关键在于技术上过关，及政府的大力支持，所以才得如雨后春笋般蓬勃发展起来。20世纪60年代，四川省委书记李井泉曾希望能在他居住的城市里用上沼气。但好像没人愿啃这第一只螃蟹，一直未能实现。 

3、本发明的特点和优点： 

城市居民在兴办沼气问题方面，条件比农村优越，除上述有利条件外，可采取以下措施： 

a、合理规划居民用水管道和下水管道 

上水管道分设自来水管道和再生水管道两系。自来水管系专供生活饮用、做饭、淘菜、洗衣服等用；再生水管系供冲厕所、抽水马桶、拖地板、作清洁卫生浇花草等用。下水管道也分两系：一系包括抽水马桶排水和厨房食物剩余垃圾经处理器粉碎处理后用水冲洗，一并流入沼气池，供发酵产沼气；另一系包括洗衣机、厨房洗涤、洗脸、漱口刷牙、洗澡以及清洁用后污水，一并排入下水管道送到污水处理站，经无害化处理后作再生水利用或排放入沟渠(见附图1) 

b、沼气池建于居民小区适当位置地面以下4米标高处(以进料口为准)，既便于公寓楼一系下水管排放入沼气池，又不占地面的绿化场地。每池配套一台耐腐蚀离心泵，用以输送沼液、沼渣和定期从进料口向池内喷射返冲将物料冲入池内，一方面使一部分沼渣回流与进料充分混匀，作自然接种用，同时对池内沼料进行搅动，使之发酵更充分更迅速。产气效率更高。 

c、沼气池渣定期用槽罐车运送到肥料厂作有机肥原料，尾水自然流放作液体肥料，就地浇灌绿化花木、草坪，用不完的自流进池塘、湖泊、藻泽、湿地、供水浮莲、芦苇、菱角、荷花等水生植物养料，美化环境，水生植物既净化了水质又可收集作畜、禽饲料，或粉碎后返回沼气池，增加碳氮比，确保沼气池良性运作。达到了生态平衡。 

d、沼气池设计成一个圆球形(或圆鼓形)，钢筋混凝土结构池，它散热面积最小，容积最大，受压力均匀。根据生活小区人口多少确定圆球直径。要求能耐压1kg/cm²，外壁涂一层2cm左右厚度的膨胀蛭石粉水泥浆保温层，可稳定沼气池内温度在最佳发酵温度内。内壁衬以耐酸碱瓷板，或氯丁橡胶，或硅胶橡胶或玻璃钢保护层，以防返冲液冲刷损坏池壁。(见附图2) 

e、另一系下水管(污水)排至污水处理站，统一处理后供作再生水，或排入水沟放掉。 

f、安全方面，沼气与天然气的性质相似，都是易燃易爆易中毒的气体，其安全要求完全一致。目前绝大多数城市居民已经安全的使用天然气，对天然气的安全使用管理已经有了完整的规章制度，将它移植到沼气的安全使用规范来，是完全可行必要的。 

在安全设施方面，除了在输送管及设备方面，按需要设置防爆装置外，在配气站设置一个水槽浮罩式气柜，缓冲居民用气量不均衡的矛盾。并在进出气柜的管道间各设置一安全水封，防止回火倒流气破坏设备；(见附图1) 

g、由于出池沼气中含有少量H₂S及PH₃气体，不仅对人体具毒害性，而且对金属设备管件等具腐蚀性，本项目采用一个PVC塑料制成的筛板脱PH₃塔下部，沼气均匀的窜过筛板孔眼与上部喷入的浠铵水作逆向对流质换处理，以脱除其中的PH₃剧毒气体，变成磷酸铵作化肥用，沼气再进入下一个内装固体脱S剂氧化铁屑或锰矿的脱硫器来脱除H₂S。脱硫器是一个圆柱形，上下用碟形封头封闭，沼气从脱硫器底部进入，经脱硫层，脱除H₂S气体后，从上部出气口，再进入储气柜水封槽后入气柜。 

四、具体实施方式

1、本发明实施依据： 

政府政策的支持和鼓励： 

早在2002年国家***、***、国家环保总局就以(计投资[2002]1591号)文件《关于推进城市污水、垃圾处理产业化发展的意见》中规定，及省政府 有关文件也规定，在城市生活垃圾实行资源化处理上，制定了优惠政策给予大力扶持： 

①按照国家规定，以行政划拨方式提供项目所需用地，由政府交纳土地使用税和各种补偿费； 

②政府实行特许经营制度，承诺在30年经营期内和项目覆盖区域内，不再重建同类项目，保证建设方特许经营的唯一性。 

③由政府负责项目用地的基础设施配套建设的协调工作。 

④政府开征垃圾费，按有关政策规定，向项目建设单位支付每吨垃圾的处理专项补助费用。 

⑤政府应协调环境卫生管理及相关部门、负责把城市垃圾清运至本项目所在的垃圾资源化工厂进行处理。 

⑥政府应对资源化处理项目的水、电费按国家相关规定给予优惠，并帮助企业争取减免税待遇。 

⑦在项目建设中，政府应从城市建设维护税、工地出让金等财政性资金中适当安排给予支持，并协调国债资金、商业贷款等，以弥补投资方建设资金的不足。 

⑧由政府协调相关部门，按照国家有关规定办理特许经营权手续，协调立项、规划、环保、林业、水保等报批手续。 

这些优惠政策，大力鼓励和支持公益性企业的兴建和发展。生物能源在城市居民集中区开发利用，让城市居民生活能源沼气化，其节能环保的意义不亚于农村沼气化。如前所述，技术方面不存在任何困难，居民也已经掌握了安全使用天然气的常识和经验。 

2、具体实施 

首先应征得当地政府的支持，选择城市居民区的城乡结合部，根据小区人口数的多少，设计出沼气池容积，再根据产气量多少配置脱PH₃塔、脱硫器、储气柜等设施。 

如：以一个居民小区人口1000人为例，兴建一个沼气池和配气站。 

根据农村沼气池使用实况，每立方米容量的沼气池每天能处理物料1kg，可产沼气0.3m³。 

以每人每天的食物量(包括主副食)经消化吸收后，***粪尿平均约1kg，另外食物剩余垃圾(包括剩菜剩饭畜禽骨渣菜屑等)1kg，即平均每人每天大约有2kg废弃物可供排入沼气池，用作发酵产生沼气的原料。 

则：1000人居民小区的沼气池容积应为 

1000人×2kg/人·天÷1kg/m³·天＝2000m³

直径D_球＝7.86m，外表面积S_球＝195m²

每天产沼气量： 

2000×0.3＝600m³/天(可供600人用气量) 

由于居民用沼气作饭洗澡是集中在三餐饭前后，及晚睡觉前，用气量不均衡，故选用储存气量400m³气柜作缓冲。 

3、经济效果方面： 

每m³沼气的商品价确定为1元/m³

每天沼气的收益为600元 

沼气池渣供有机肥厂作原料，每天约有3000kg湿料，以每kg湿料2角计，每天收益600元。 

(有机肥市场商品价，吉林磐石市产施泽葆价为2900元/T，在沼气投产运行正常后，条件具备情况下，经政府批准后，再着手建一喷雾干燥生产有机肥厂) 

4、人工方面： 

沼气池生产操作按三班制，每班1人，共3人，沼气配气站操作管理人员按二班制，每班1人，共2人，另设一人全面调配及管理日常事务，共计6人。 

每人每天平均工资80元计，每天人工开支80×6＝480元 

正常生产情况下，每天除人工开支外，可余1200-480＝720元。用作维修及日常开支。 

如以上予估算符合实际情况，则此项目基本上可以维持正常生产，而不需政府特别补贴。 

5、安全方面： 

由于沼气属易燃、易爆、易使人中毒的气体，必须建立一整套严格的安全生产、使用操作规程，要求本***所有管道设备，开始使用前都必须经试漏、试压合格，并需经自产的沼气进行置换处理，经检验合格，证明其中含氧量已除净或控制在安全范围内，才准予投入运行。运行中操作人员应严格按照操作规程操作，每隔两小时应沿工艺管线、设备、各联接处等进行检测一遍，是否有泄漏或不正常现象，如一经发现不正常情况，应及时处理，确保全***在安全状况下运行。还需制订每一季度小修一次，每年大修一次的计划检修，关键转动设备，如耐腐蚀泵，应增设一台作备用。 

全***沼气压力按150cm～200cm水柱压力运行，以确保沼气输送到使用终端有足够的气压。 

除此之外，还要借鉴天然气安全使用的管理经验及规章制度，做到任何时候无任何安全隐患存在。 

有机肥国家标准GB8172-87 

有机质≮8％ 

总氮≮0.4％ 

总磷≮0.2％ 

总钾≮0.8％ 

pH 6～9 

水份≯40％ 

五、附图说明：

附图1为流程示意图：a、球形沼气池；b、沼渣浆返冲输送泵；c、喷射脱PH₃器；d、铵水循环泵；e、铵水槽；f、脱硫器；g、钟罩式储气柜；h_1、2、安全水封；i、沼渣浆运送车；j、抽水马桶；k、食物垃圾处理器；l、烧开水壶；m、炒菜锅；n、煮饭煲；o、淘菜桶；p、洗漱处；q、洗衣机；r、清洁用水；s、洗澡热水器；t、水生植物破碎机；u、气水分离器；v、沼气计量表；w、预沤池。 

附图2为主要设备示意图： 

图2-1为球形沼气池：a、进料口；b出沼液口；c、出沼气口；d、出沼渣口；e、沼渣液返冲口；f、人孔。 

图2-2为脱硫器：a、进气口；b、出气口；c、装脱硫剂孔；d、卸脱硫剂孔。 

图2-3为喷射脱PH₃器：a、进气口；b、出气口；c、进铵水口；d、出铵水口。 

Claims (9)

1.一种利用废生物实现能源沼气化的方法，其特征在于，由一个钢筋混凝土制成的圆球形或圆鼓形，能耐压1kg/cm²，具进料口，出沼气口，出沼液口及出渣口，沼液循环返冲口的密闭式沼气池为主体，配套一铵水喷射减压脱PH₃器及一只装有固体脱硫剂的脱硫器，铵水循环泵，沼气池渣液循环返冲输送泵，水封式储气柜和气水分离器组成的配气站，实现能源沼气化，以补充天然气供应紧缺的问题。

2.根据权利要求1所述的一种利用废生物实现能源沼气化方法，其特征在于，所述的钢筋混凝土圆球形或圆鼓形沼气池，内衬耐酸碱瓷板或硅橡胶衬里或玻璃钢衬里或氯丁橡胶衬里，以防腐蚀及返冲搅动的冲刷；设置进料口，出沼气口，出沼液口及出渣口，沼液循环返冲口，人孔，窥视孔，测温口；外壁涂一层膨胀蛭石粉水泥浆保温层。

3.根据权利要求1所述的一种利用废生物实现能源沼气化方法，其特征在于，所述的铵水喷射减压脱PH₃器，采用PVC塑料或A₃钢制成，沼气从上侧部进入器内，用稀铵水从顶部，通过一缩口高速喷入喇叭口，与进入的沼气进行同向质换，脱除沼气中的PH₃，使之生成磷酸铵用作肥料，沼气因铵水高速喷射，同向喷射产生负压，而且位置放得愈高产生的负压愈大，因而使沼气池内减压，以利于生物发酵。

4.根据权利要求1所述的一种利用废生物实现能源沼气化方法，其特征在于，所述的内装固体脱硫剂的脱硫器，是一个圆柱形，上下以碟形封头作成的容器，内装氧化铁屑或锰矿脱硫剂，沼气从下部进入器内，通过脱硫层，脱除其中硫化氢气体后，从上部输出。

5.根据权利要求1所述的一种利用废生物实现能源沼气化方法，其特征在于，所述的沼气池渣液循环返冲输送泵，是一只耐腐蚀的离心式输液泵，整个沼气池***的沼液、沼渣，用此离心泵从进料口顺向池内高速返冲使之易于进料，同时对池内沼液、沼渣进行搅动，以提高池内微生物发酵率，并用此泵输送沼液、渣入槽车，运送到肥料厂作有机肥原料。

6.根据权利要求1所述的一种利用废生物实现能源沼气化方法，其特征在于，所述的圆球形或圆鼓形沼气池，以进料口为准设置在地平面下4米标高处，一方面利于居住楼房的粪尿，厨房食物垃圾经处理器后自流入沼气池，它不占地面位置，也有利于沼气池保温。

7.根据权利要求1所述的一种利用废生物实现能源沼气化方法，其特征在于，所述的水封式储气柜，是一只金属钟罩浮于水槽内，能上下随沼气用量的多少而浮动，内外壁经防腐处理，以解决用气量不均衡问题。

8.根据权利要求1所述的一种利用废生物实现能源沼气化方法，其特征在于，所述的水封式储气柜，在它的进气管口及出气管口分别设置一个安全水封器，以防止气体回火或倒流事故发生。

9.根据权利要求1所述的一种利用废生物实现能源沼气化方法，其特征在于，是先在一个城市的城乡结合部居民小区兴建沼气池，利用居民日常***的粪尿和食物剩余垃圾、枯枝、落叶、青草、水生植物，农作物废料经处理器、破碎机后，自流进入沼气池，利用嫌气性微生物发酵产生沼气供生活能源需要。

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