生態(tài)農(nóng)業(yè)是按照生態(tài)學(xué)原理和經(jīng)濟(jì)學(xué)原理,運(yùn)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)成果和現(xiàn)代管理手段,以及傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的有效經(jīng)驗(yàn)建立起來(lái)的,能獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益和社會(huì)效益的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)。它是利用傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)精華和現(xiàn)代科技成果,通過(guò)人工設(shè)計(jì)生態(tài)工程、協(xié)調(diào)發(fā)展與環(huán)境之間、資源利用與保護(hù)之間的矛盾,形成生態(tài)上與經(jīng)濟(jì)上良性循環(huán),經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、社會(huì)效益的統(tǒng)一。推廣沼氣發(fā)酵技術(shù)是發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)的新舉措。這一新舉措不僅能起到保護(hù)生態(tài)有效利用能源的作用并且有利于增肥土地,使農(nóng)業(yè)得到可持續(xù)發(fā)展。目前我國(guó)生態(tài)農(nóng)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(jī)物在一定的水分、溫度、厭氧條件下,被各類(lèi)沼氣發(fā)酵微生物分解轉(zhuǎn)化,最終生成沼氣的過(guò)程。微生物是沼氣發(fā)酵過(guò)程中最活躍的因素,它們把各種固體或是溶解狀態(tài)的復(fù)雜有機(jī)物,按照各自的營(yíng)養(yǎng)需要,進(jìn)行分解轉(zhuǎn)化,最終生成沼氣。它的主要成分及構(gòu)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(gè)階段
沼氣發(fā)酵微生物在沼氣發(fā)酵過(guò)程中,有發(fā)酵性細(xì)菌,產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌,耗氧產(chǎn)乙酸菌、食氫產(chǎn)甲烷菌、食乙酸產(chǎn)甲烷菌等5大類(lèi)微生物參加沼氣發(fā)酵,它們?cè)诎l(fā)酵過(guò)程中的作用及對(duì)生存條件的要求,有以下3個(gè)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(jī)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(gè)過(guò)程也就是發(fā)酵性細(xì)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(duì)有機(jī)物進(jìn)行體外酶解。
2.2 產(chǎn)酸階段
這個(gè)階段就是小分子化合物被發(fā)酵性細(xì)菌吸收進(jìn)細(xì)胞,被分解為乙酸、丙酸、丁酸、氫和二氧化碳等,再由產(chǎn)乙酸菌把發(fā)酵性細(xì)菌產(chǎn)生的內(nèi)酸、丁酸轉(zhuǎn)化為產(chǎn)甲烷菌可利用的乙酸、氫和二氧化碳。同時(shí),耗氫產(chǎn)乙酸菌群體利用氫和二氧化碳生成乙酸,以及代謝糖類(lèi)生產(chǎn)乙酸。液化階段和產(chǎn)酸階段是一個(gè)連續(xù)過(guò)程,統(tǒng)稱(chēng)不產(chǎn)甲烷階段。在這個(gè)過(guò)程中,不產(chǎn)甲烷的細(xì)菌為產(chǎn)甲烷菌提供營(yíng)養(yǎng)和為產(chǎn)甲烷菌創(chuàng)造適宜的厭氧條件,從而消除部分毒物。
2.3 產(chǎn)甲烷階段
甲烷是利用以上不產(chǎn)甲烷的3種菌群所分解轉(zhuǎn)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(yíng)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(diǎn)化肥、石灰等稍加堆漚,分解速度快,產(chǎn)氣快。
3.4 下腳料
酒廠、屠宰場(chǎng)、豆腐坊等工廠排放的有機(jī)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(nèi)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(guò)5,沼氣產(chǎn)量會(huì)大減。
5 沼氣發(fā)酵在生態(tài)農(nóng)業(yè)中的作用
沼氣發(fā)酵的作用主要分為2個(gè)。一個(gè)是保護(hù)生態(tài)有效利用能源。在農(nóng)村秸稈資源特別豐富,以前人們對(duì)于秸稈的利用特別初級(jí),就是將其當(dāng)作生活燃料。當(dāng)生活水平日益提高后,農(nóng)民們直接就采取了直接焚燒的方式處理秸稈,這不僅會(huì)造成能源的損失同是還會(huì)嚴(yán)重污染大氣并且?guī)?lái)火災(zāi)隱患。但是當(dāng)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(gè)作用是有利于增肥土地,使農(nóng)業(yè)得到可持續(xù)發(fā)展。一個(gè)體積為6~10m3的沼氣池就可以產(chǎn)出16~20m3的肥料。
6 我國(guó)沼氣農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)
在20世紀(jì)末，各地的農(nóng)業(yè)技術(shù)工作者和農(nóng)民通過(guò)反復(fù)的實(shí)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(yú)塘及豬-沼-果等模式。這些成功的生態(tài)農(nóng)業(yè)模式，不僅給國(guó)內(nèi)其他地區(qū)的農(nóng)業(yè)起到了示范作用，更是享譽(yù)國(guó)外。聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署還先后授予了北京市留民營(yíng)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(chǎng)等單位環(huán)境保護(hù)全球“500佳”稱(chēng)號(hào)，這些種種都說(shuō)明生態(tài)農(nóng)業(yè)在我國(guó)有很好的的發(fā)展前景。
近年來(lái),農(nóng)村沼氣建設(shè)收到了黨中央、國(guó)務(wù)院和各級(jí)地方黨委、政府的高度重視。沼氣的利用,有效的促進(jìn)了農(nóng)村科技進(jìn)步,引導(dǎo)農(nóng)民改變傳統(tǒng)的生活和生產(chǎn)方式,提高農(nóng)民生活質(zhì)量。沼氣技術(shù)是農(nóng)村廢棄資源化利用,發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)和農(nóng)村環(huán)境治理的紐帶。通過(guò)農(nóng)業(yè)廢棄物和生活垃圾為原料,可產(chǎn)出沼氣來(lái)提供生活和生產(chǎn)用能,沼渣和沼液可用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn),實(shí)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(dāng)達(dá)到一定濃度后,若泄漏會(huì)造成人員中毒,遇明火則極易產(chǎn)生爆炸,造成傷亡事故,對(duì)人民群眾的人身和財(cái)產(chǎn)安全造成危害。目前,我國(guó)的沼氣池工程正朝著設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、自動(dòng)化的方向發(fā)展。沼氣成分的測(cè)定是維持沼氣工程正常運(yùn)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(wǎng)絡(luò)化的農(nóng)村沼氣工程監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái),對(duì)安全利用沼氣能源,提高沼氣利用監(jiān)管效率和服務(wù)質(zhì)量,具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。
7.1 工作原理
天禹智控的沼氣濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)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(jī)處理之后以數(shù)碼管或LCD屏顯示出來(lái)。系統(tǒng)將同時(shí)允許授權(quán)的用戶(hù),通過(guò)多種移動(dòng)終端(如手機(jī)、PC等)掌握實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。單片機(jī)通過(guò)實(shí)時(shí)比對(duì)數(shù)據(jù)與設(shè)定的閾值,來(lái)決定是否采取預(yù)警措施,保障沼氣池的安全和正常工作。
7.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì),由單片機(jī),傳感器,數(shù)據(jù)顯示模塊,無(wú)線(xiàn)傳輸模塊,報(bào)警電路等組成的智能監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)。
系統(tǒng)通過(guò)各種傳感器采集沼氣池的環(huán)境信息,并通過(guò)觸摸屏或LCD顯示出來(lái),可以在非規(guī)定工作時(shí)間內(nèi)對(duì)沼氣池安全進(jìn)行監(jiān)控,而后通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)分析現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù),對(duì)沼氣池內(nèi)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),以便允許授權(quán)的用戶(hù)通過(guò)多種移動(dòng)終端(如手機(jī)、PC等)掌握實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控,通過(guò)分析數(shù)據(jù)與設(shè)定的數(shù)值,當(dāng)測(cè)定數(shù)據(jù)超標(biāo)時(shí),通過(guò)預(yù)警系統(tǒng)通知客戶(hù)或管理人員,保障沼氣池的安全和正常工作。
7.3軟件設(shè)計(jì)
在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)開(kāi)機(jī)操作之后，系統(tǒng)將調(diào)用模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)沼氣環(huán)境中各項(xiàng)指標(biāo)的情況，如甲烷CH4含量、PH值、溫度等。各項(xiàng)數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)的處理，通過(guò)數(shù)據(jù)顯示模塊實(shí)時(shí)滾動(dòng)顯示，達(dá)到時(shí)刻監(jiān)測(cè)的效果。同時(shí)數(shù)據(jù)還將實(shí)時(shí)與設(shè)定閾值進(jìn)行比較。
出于安全考慮，系統(tǒng)配置聲光報(bào)警模塊，一旦環(huán)境中的各項(xiàng)指標(biāo)超過(guò)了設(shè)定的閾值，沼氣濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將通過(guò)遠(yuǎn)程終端（PC 端或APP）提醒工作人員，以便及時(shí)采取措施。通過(guò)這樣的設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)池內(nèi)問(wèn)題早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)警、早處理。
7.4 沼氣濃度監(jiān)測(cè)的意義
天禹智控的沼氣濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為支撐，實(shí)時(shí)獲取沼氣池在發(fā)酵過(guò)程中池內(nèi)甲烷CH4含量、二氧化碳CO2含量、PH值、溫度等指標(biāo)，并通過(guò)顯示模塊實(shí)時(shí)顯示，能夠使監(jiān)測(cè)中心的工作人員實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)，保證沼氣池發(fā)酵安全。
同時(shí)，系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)預(yù)警模塊也會(huì)實(shí)時(shí)分析數(shù)據(jù)，在指標(biāo)臨近閾值時(shí)發(fā)出提醒，達(dá)到閾值時(shí)發(fā)出警報(bào)，及時(shí)告知工作人員。這樣保證了即使遠(yuǎn)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(cè)系統(tǒng)，是為了適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展而提出的方案。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示、實(shí)時(shí)預(yù)警的功能、具有安全、穩(wěn)定、實(shí)用性強(qiáng)、可預(yù)警可遠(yuǎn)程交互等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于當(dāng)代新型農(nóng)業(yè)發(fā)展以及清潔能源建設(shè)有所幫助，在監(jiān)測(cè)的同時(shí)也保障了安全。
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