生態(tài)農業(yè)是按照生態(tài)學原理和經濟學原理,運用現(xiàn)代科學技術成果和現(xiàn)代管理手段,以及傳統(tǒng)農業(yè)的有效經驗建立起來的,能獲得較高的經濟效益、生態(tài)效益和社會效益的現(xiàn)代化農業(yè)。它是利用傳統(tǒng)農業(yè)精華和現(xiàn)代科技成果,通過人工設計生態(tài)工程、協(xié)調發(fā)展與環(huán)境之間、資源利用與保護之間的矛盾,形成生態(tài)上與經濟上良性循環(huán),經濟、生態(tài)、社會效益的統(tǒng)一。推廣沼氣發(fā)酵技術是發(fā)展生態(tài)農業(yè)的新舉措。這一新舉措不僅能起到保護生態(tài)有效利用能源的作用并且有利于增肥土地,使農業(yè)得到可持續(xù)發(fā)展。目前我國生態(tài)農業(yè)有非常好的發(fā)展前景。
1 沼氣發(fā)酵的微生物原理
沼氣發(fā)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(fā)酵微生物分解轉化,最終生成沼氣的過程。微生物是沼氣發(fā)酵過程中最活躍的因素,它們把各種固體或是溶解狀態(tài)的復雜有機物,按照各自的營養(yǎng)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(fā)酵的3個階段
沼氣發(fā)酵微生物在沼氣發(fā)酵過程中,有發(fā)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(fā)酵,它們在發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(xù)過程,統(tǒng)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(yǎng)和為產甲烷菌創(chuàng)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(fā)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(yǎng)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(fā)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(fā)酵物10%~30%的接種物才能加速發(fā)酵。
4.2 酸堿度
研究表明沼氣池里發(fā)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(fā)酵溫度
雖然沼氣發(fā)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(fā)酵在生態(tài)農業(yè)中的作用
沼氣發(fā)酵的作用主要分為2個。一個是保護生態(tài)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?guī)砘馂碾[患。但是當這些秸稈、廢物等用于沼氣發(fā)酵就能充分利用熱能,并且減少環(huán)境污染。沼氣發(fā)酵的另一個作用是有利于增肥土地,使農業(yè)得到可持續(xù)發(fā)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(yè)的發(fā)展趨勢
在20世紀末，各地的農業(yè)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(tài)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(tài)農業(yè)模式，不僅給國內其他地區(qū)的農業(yè)起到了示范作用，更是享譽國外。聯(lián)合國環(huán)境規(guī)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(tài)養(yǎng)殖場等單位環(huán)境保護全球“500佳”稱號，這些種種都說明生態(tài)農業(yè)在我國有很好的的發(fā)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(tǒng)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(fā)展生態(tài)農業(yè)和農村環(huán)境治理的紐帶。通過農業(yè)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(yè)生產,實現(xiàn)種植、養(yǎng)殖和加工的良性循環(huán),減少環(huán)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(fā)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(huán)節(jié)。因此,建立一種高效的、網絡化的農村沼氣工程監(jiān)測預警平臺,對安全利用沼氣能源,提高沼氣利用監(jiān)管效率和服務質量,具有非常重要的現(xiàn)實意義。
7.1 工作原理
天禹智控的沼氣濃度監(jiān)測系統(tǒng)通過各種傳感器采集沼氣池的環(huán)境信息,數(shù)據(jù)在STC/STM單片機處理之后以數(shù)碼管或LCD屏顯示出來。系統(tǒng)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(shù)據(jù),實現(xiàn)遠程監(jiān)控。單片機通過實時比對數(shù)據(jù)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(tǒng)硬件設計
系統(tǒng)采用模塊化設計,由單片機,傳感器,數(shù)據(jù)顯示模塊,無線傳輸模塊,報警電路等組成的智能監(jiān)測與報警系統(tǒng)。
系統(tǒng)通過各種傳感器采集沼氣池的環(huán)境信息,并通過觸摸屏或LCD顯示出來,可以在非規(guī)定工作時間內對沼氣池安全進行監(jiān)控,而后通過無線通信網絡技術分析現(xiàn)場數(shù)據(jù),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(shù)據(jù),實現(xiàn)遠程監(jiān)控,通過分析數(shù)據(jù)與設定的數(shù)值,當測定數(shù)據(jù)超標時,通過預警系統(tǒng)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(tǒng)實現(xiàn)開機操作之后，系統(tǒng)將調用模塊實時監(jiān)測沼氣環(huán)境中各項指標的情況，如甲烷CH4含量、PH值、溫度等。各項數(shù)據(jù)經單片機的處理，通過數(shù)據(jù)顯示模塊實時滾動顯示，達到時刻監(jiān)測的效果。同時數(shù)據(jù)還將實時與設定閾值進行比較。
出于安全考慮，系統(tǒng)配置聲光報警模塊，一旦環(huán)境中的各項指標超過了設定的閾值，沼氣濃度監(jiān)測系統(tǒng)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(xiàn)池內問題早發(fā)現(xiàn)、早預警、早處理。
7.4 沼氣濃度監(jiān)測的意義
天禹智控的沼氣濃度監(jiān)測系統(tǒng)以物聯(lián)網技術為支撐，實時獲取沼氣池在發(fā)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(jiān)測中心的工作人員實時獲取數(shù)據(jù)，保證沼氣池發(fā)酵安全。
同時，系統(tǒng)的監(jiān)測預警模塊也會實時分析數(shù)據(jù)，在指標臨近閾值時發(fā)出提醒，達到閾值時發(fā)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(jiān)測系統(tǒng)，是為了適應現(xiàn)代農業(yè)發(fā)展而提出的方案。該系統(tǒng)可實現(xiàn)實時顯示、實時預警的功能、具有安全、穩(wěn)定、實用性強、可預警可遠程交互等優(yōu)點，對于當代新型農業(yè)發(fā)展以及清潔能源建設有所幫助，在監(jiān)測的同時也保障了安全。
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