青少年喜欢的科技前研:沼气池中的绿色革命——甲烷

释放双眼,带上耳机,听听看~!

青少年喜欢的科技前研:沼气池中的绿色革命——甲烷插图

高效利用生物质能的另一最佳途径就是用生物质产生沼气。所谓“沼气”,就是一种可以燃烧的气体,在沼泽地、河流、湖泊、污水渠、下水道等地所冒出的气泡,就是沼气。沼气是一种高效的气体燃料,可以用于生活能源,也可以用于动力能源。沼气的主要成分是甲烷,约占55%-70%,其次是二氧化碳,约占30%~35%,还有少量的硫化氢、氢气、氨气、磷化三氧和水蒸气等。沼气的产生实质上就是微生物作用的结果。

甲烷是沼气的主要成分,它是一种无色无臭的气体,它的热值比较高,每立方米有9350千卡,沼气中的甲烷含量超过50%时就可以燃烧。甲烷在完全燃烧时,发出蓝色火焰,并放出大量热。为什么人们闻到沼气还有臭味呢?就是由于沼气中所含有的少量硫化氢,氨和磷化三氢的缘故,这些气体是有毒气体。沼气因有这些杂质,使单位热值降低了,以只含60%甲烷的沼气论,其热值每立方米只有5300~5800千卡。为了确保使用安全,在使用沼气之前一定要经过净化处理,脱掉那些有毒气体。

说起沼气的发现,还要追溯到18世纪。1776年,意大利物理学家伏尔泰首先发现,在厌氧状态下有机物质变腐过程中能产生甲烷气体(即沼气)。差不多经过100年后,到1881年,欧洲第一个市政有机废水处理的厌氧消化工程在法国建成并投入运行。由于欧洲能源紧张,在第二次世界大战前后,生产沼气的发酵工艺迅速发展起来,从1941年到1947年间,法国、德国都兴建了一批小型沼气发酵工程。到五六十年代,由于矿石燃料价格便宜,“沼气热”被冷落了,一些沼气工程相继停产。那时的沼气发酵工艺已比较成熟,其中许多技术一直沿用至今。

到1973年发生了世界性石油危机后不久,沼气又被重新重视起来,许多人对“绿色革命”兴趣很浓,积极主张发展沼气能源。瑞士在蒙塞里特于1976年率先建成一个75立方米容积处理牛粪的沼气发酵装置,随后一大批沼气发酵工程发展起来了。截至1987年底,10年时间西欧各国就兴建起来743个沼气工程,其中大型工程有71%是农场沼气工程,29%是工业沼气工程。发酵罐总容积最大的有44.5万立方米。沼气发酵罐的平均产气率,在一般情况下为每天每立方米罐容可造1立方米沼气,有的运用厌氧过滤器等新工艺,产量可达4立方米。其中30%用于自身能源消耗,70%可作为能源输出。

沼气发酵原料十分广泛而丰富,目前,“未利用资源”中,可用于沼气发酵的种类甚多,仅西欧各国就有农业废弃物37种,包括圈养和放养的性畜类便以及农作物废物;工业废水有21种,多为农作物加工和食品工业废水;还有糖厂的废渣、屠宰场的废水等。充分利用这些“未利用资源”,开发沼气能源,这对解决农村能源和处理城市垃圾,都是一条变废为宝的现实途径,而且潜力甚大,据欧共体国家宣布,可供生产沼气的人畜粪便每年约有1410万吨,农作物秸杆等约850万吨,市政污物890万吨,这些总数达3150万吨的废弃物可产出相当欧共体1985年总能耗的3%左右的沼气。如将海藻水生植物等也用来生产沼气,总潜力还可增加三倍。

我国沼气生产潜力也很大,据测算,我国全部农作物废弃物和人畜粪便等,如全部人池发酵,每年就可制取沼气1000多亿立方米。除可全部满足农村生活燃料需用外,还可供数百万个5-8千瓦的沼气动力站每天工作6小时。从80年代初以来,全国平均每年新建沼气池近60万个,产气水平也逐步上升,沼气的利用已从生活领域走向生产领域,并开始从农村走向城镇。沼气是怎样产生的呢?从根本上说,是一种“发酵”的结果,也就是说,在极严格的厌氧条件下,即在没有氧气的情况下,复杂的有机物经多种微生物的分解与转化作用,特别是“产甲烷菌”的参与,使复杂有机物中的碳索化合物彻底氧化分解成二氧化碳,一部分碳素化合物彻底还原成甲烷的过程。在这种复杂的发酵过程中,二氧化碳是碳素氧化的最终产物,甲烷则是碳素还原的最终产物。被分解的有机碳化物中的能量大部分转化储存在甲烷中;一小部分有机碳化物被氧化成二氧化碳,所释放出的能量则用以满足微生物生命活动的需要。

沼气池中生存着许多微生物,这些微生物由于在发酵过程中的作用不同,产生的产品不同,各自发挥功能,根据它们的作用不同,分为纤维素分解菌、脂肪分解菌、果胶分解菌。按它们的代谢产物不同,分为产酸细菌、产氧细菌、产甲烷细菌。实际上,在发酵过程中,它们的确是在相互协调、分工合作中完成沼气发酵的。因此,“沼气发酵”是集纤维素发酵、果胶发酵、氧发酵、甲烷发酵等多种单一发酵于一“罐”的混合发酵过程。

沼气发酵过程好比作战,可分为“三大战役”:第一战役水解液化,这是发酵的第一阶段。参加这一战役时前面谈到的四大“菌种”全部出动,其任务是将复杂的有机物分解成为较小分子的化合物。它们各自使用自己的独特“攻击武器”-“胞外酶”,专攻击自己的猎物,使之能转化为可溶于水的物质。比如,纤维分解菌,它能专门分泌一种纤维素酶,用它就可使纤维素“土崩瓦解”而溶于水,变为双糖或单糖。蛋白质分解菌则可将蛋白质分解为氨基酸。脂肪分解菌则可将脂肪分解为甘油和脂肪酸。

对于用纤维素作主要发酵原料的沼气发酵,纤维分解菌就是这个战役中的主力军,它们的战斗力强弱,直接关系着沼气产量的多少。

第二战役产酸,这是发酵的第二阶段。参加这一战役的包括细菌、真菌和原生动物,其“主力军”是产醋酸菌“兵团”,它们的任务就是使第一战役的“战俘”进一步转化为小分子化合物,同时还要产生二氧化碳和氢气。“生力军”是产氢细菌“兵团”,它们的任务就是使那些不能为产甲烷细菌所利用的中间产物进一步转化为乙酸、氢、二氧化碳等物质,以作为产甲烷菌用以生成甲烷的“军需品”,为产甲烷菌提供原料,准备下一阶段的最后战役。

第一战役和第二战役是连续进行的,也统称为“不产甲烷阶段”,实际上这是一个甲烷原料的加工阶段。

第三战役产甲烷,这是发酵的第三阶段。这一战役的“主力军”就是产甲烷菌“兵团”了。产甲烷菌是一类极其古老而又极其特殊的细菌,它们是沼气发摩过程中微生物食物链中最后一个战斗员,按它们的形态分为球菌、杆菌、八叠球菌和螺旋菌。它们分别把“不产甲烷阶段”的战利品-氢、二氧化碳、乙酸(醋酸)、甲酸盐、乙醇等,都统一生成甲烷和二氧化碳。它们的攻击目标-底物,虽不相同,但最终成果却都能改造成甲烷。

整个沼气发酵的“战争”就这样胜利结束了。在这里,立了最后奇功的是产甲烷菌。因此人们把它誉为“核心中的核心”。

目前,沼气的应用范围不断扩展,不仅能烧,还能作为汽车燃料使用。

近年来,美国通用电气公司加拿大分公司为加拿大生产了一批名叫“吕米娜”的以沼气为燃料的汽车。用85%的沼气、15%的汽油混合燃料。已交付10辆;1992年再交100辆;另生产2300辆运往美国市场。加拿大是沼气生产大国,产量居世界首位。

我国是世界上应用沼气较早的国家之一,已有60多年历史。20世纪20年代初,台湾人罗国瑞就首先进行了人工制取沼气的研究。在30年代时,已有10多个省建立了沼气公司,仅上海、江苏就建造了100多个沼气池。有些池子保存完好,至今还可继续使用。目前,我国农村已有家用沼气池500多万个,约使2000万人口用上了沼气,年产沼气10多亿立方米,是世界上建造沼气发酵装置最多的国家。

我国在农村推广的沼气池,多为水压式沼气池。这种形式的沼气池又称“中国式沼气池”,已为第三世界各国采用。在我国南方这样一个池子正常情况下,一般可年产250-300立方米沼气,可提供一家8至10个月炊事燃料。
印度也在积极推广农村沼气池,印度的戈巴沼气装置也是一种典型的农村家用沼气池。它是以牛粪为原料的。已建成80多万个沼池。

我国城镇生活污水净化沼气池的发展也很迅速,主要解决城镇生活污水和粪便问题,已有10多个省市修建了9000多处。还把产能和节能相结合,在一些农牧场、食品厂、酒厂、制药厂修建大中型沼气工程1000多处。年产沼气约2.5万立方米,既可解决生产补充用能,又能向5.4万户居民集中供气。

沼气作为生物质能源的一种重要组成部分,发挥着重要作用。人类的生产活动,从根本上说,就是能量的转换和物质的转换,农业生产实质上就是生物生产。现实生活迫使人们必须要建立以沼气为纽带,促进生物质良性循环,发展庭园经济,建立生态农业,维护生态平衡的大农业意识,要把能源、生态和生活环境纳入农业生产的总系统。

为TA充电
共{{data.count}}人
人已赞赏
科技改变世界

青少年喜欢的科技前研:新颖高效的磁流体发电技术

2021-8-21 11:43:00

科技改变世界

青少年喜欢的科技前研:载波电话与“海底蛟龙”

2021-8-21 17:20:00

搜索