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沼气工程建设如何减少对环境的负面影响

文章来源:沼能环境 人气:发表时间:2020-02-22 作者:电子商务员
随着我国沼气行业的发展和转型升级,我国农村沼气建设也逐步由农村户用沼气建设、村级沼气服务网点建设、沼气工程建设三种模式转变为以沼气工程建设为主的发展模式。
 
沼气工程在改善农村能源结构、消除农村面源污染、改善农村生态环境、促进农民收益等方面起到了重要的作用。但在关注沼气工程积极影响的同时,其可能造成的环境污染也不容忽视。
 
 
 
一、沼气工程对环境影响的因素分析
 
沼气工程能解决畜禽养殖场粪便和各类秸秆荒废造成的环境污染问题,同时能实现秸秆、粪便的能源化转变,沼气工程发酵后产生的沼液、沼渣还可以作为肥料进行还田技术等综合利用。
 
沼气工程厌氧发酵是一个复杂的生物发酵过程,沼液、沼渣中富含有机质和氮、磷、钾等营养元素,同时还富集有各类重金属,而人们大多将沼液作为肥料直接用于农业生产,导致土壤环境重金属含量超标。因此,首要问题需认清沼气工程对环境的负面影响。
 
 
1
沼气排空
 
沼气的成分主要为CH4和CO2,CH4燃烧不会产生SO2、NOx 等有害物质,因此被认为是清洁能源。CH4和CO2是影响大气温室效应的主要有害物质,等质量CH4的增温潜力值是CO2的21倍。因此,沼气工程在应用中应坚决不允许出现“沼气排空”的现象。
 
但是由于我国大型沼气工程建设受到建设资金、建设工艺、沼气使用途径等因素的制约,加上沼气工程的建设单位多为养殖场主,沼气工程在日常运营中出现多余沼气没有储存和使用时,在沼气工程建设和使用过程中多为自身企业利益和保护沼气工程设备正常运行角度出发,就可能会出现“沼气排空”的现象。
 
 
2
原料预处理引起的污染
 
沼气工程发酵原料在预处理过程中大多是露天存放,农作物秸秆一般都是在还未充分晾干之前已被收集完成,在储存过程中遇到降雨或外部其他水分的侵入都将引起秸秆的腐烂降解,生成的CO2和CH4等气体直接释放到周围环境中,造成温室气体的排放。
 
畜禽粪便在运输、调配等预处理中都是在露天环境下进行的,空气中散发有恶臭的味道,同时预处理过程中自然发酵产生的CO2和CH4等气体直接释放到周围环境中。
 
 
3
沼液露天储存
 
由于当前大中型沼气工程的建设模式主要为能源生态型和能源环境型,目前我国沼气建设业主多为规模养殖场,受到建设资金等因素的制约,大型沼气工程建设模式多为能源生态型。建设中对沼液的处理设计都是作为液体肥料和灌溉使用,沼液的储存一般都是露天设计。
 
由于沼液中残存的有机质在厌氧、好氧的共同作用下转化生成 CH4、CO2、NH3、H2S、NOx而直接释放到周围环境中,造成周围的大气污染。
 
 
 
4
沼液直接施用引起的卫生问题
 
目前,我国沼气工程的沼液虽然已经过厌氧发酵,大量的病菌、虫卵、杂草种子死亡,但是受发酵原料、发酵温度等因素的影响,沼液中仍含有有害物质;再者,以畜禽粪便为发酵原料的沼气工程,由于畜禽在养殖过程中需要大量使用抗生素进行各种疾病的预防,以畜禽粪便为发酵原料的沼气工程的沼液中都普遍含有大量抗生素。这种沼液如果长期直接施用于农田,农田生产的农产品存在安全隐患。
 
 
5
重金属超标及地下水污染
 
沼液作为养殖废水厌氧发酵副产物,其重金属含量不容小觑。以畜禽粪便为发酵原料的沼气工程的沼液,使用的畜禽粪便中Cu、Zn含量常常超标。适量使用沼液作为有机肥可有效促进作物增产,但当大量沼液直接施用土壤后,大量的氮通过渗透液进入周围环境,其中相当一部分以硝态氮形式渗透到地下水中,造成地下水质污染。
 
 
二、沼气工程中普遍存在的问题分析
1
缺少必要卫生处理技术装置和消毒措施
 
欧洲的沼气工程技术较为先进,尤其是德国的沼气工程机械化程度很高。欧盟国家十分重视沼肥的安全利用和生态卫生研究,如德国对沼肥的安全利用有严格的管理规定,沼气发酵处理后的残余物——沼肥必须在 70 ℃下处理1h才可作为肥料使用,为了环境卫生和肥效的充分利用,制度规定秋季以后不得将沼肥施于农田,必须贮存 6个月后才能使用。
 
与这些国家相比,我国的沼肥安全利用目前尚处于起步阶段,沼肥利用的研究仍以提高农作物产量为主,对沼肥的安全利用还没有法规性的文件和管理制度。
 
2
发酵原料中抗生素、重金属超标
 
我国沼气工程沼液中物质超标主要有抗生素、重金属这2类物质。规模化养殖畜禽粪便中的抗生素、重金属超标是沼液中超标的主要因素; 秸秆原料中重金属超标主要与农作物生长过程中农药使用、土壤迁移及添加畜禽粪便等因素有关。
 
随着集约化、规模化养殖业的迅速发展,一些重金属元素如Cu、Zn、As等被广泛应用于饲料添加剂。在畜禽粪便中,Cu和Zn的直接排泄量占总量的95%以上,只有微量排放到尿中。猪粪中Cu、Zn、Mn、Ni的平均含量均较高,其中Cu、Zn最为明显,鸡粪中Cr的平均含量较高,而牛粪中各重金属含量低于其他粪便。
 
 
3
沼气工程管理和维护不当 
 
由于沼气工程产气率受发酵温度的影响,我国大多数沼气工程产气不稳定。在夏季高温季节,由于产气率的提高,许多沼气工程在正常的沼气利用情况下,往往会造成大量沼气剩余,沼气工程企业没有办法利用多余的沼气,出于保护沼气工程安全的需要,部分沼气工程就会出现偷偷进行CH4排空的违规行为。
 
再者缺乏有效的监管措施,难以及时判断、发现沼气工程出现“沼气排空”的违规行为,更难以对这种违规行为进行处罚;最后是当沼气工程发酵装置出现故障无法正常进行,由于配套维护设施不完备,造成 CH4直接排放到空气中。
 
 
4
沼液安全使用技术不成熟 
 
沼液还田利用具有处理量大、成本低以及对氮、磷去除效果好等优点,是目前我国普遍认为最易实施、有效的沼液处理方式。目前,我国沼液安全利用的研究往往以提高产量为主,对沼液的安全使用缺乏法规性的文件或管理制度,对管理、施用数量、施用性质还很模糊。
 
 
三、应对沼气工程对环境负面影响的措施
 
1
完善沼液储存装置建设
 
沼液储存装置目前主要有露天的敞口池型和半封闭的罐型2种形式,由于建设资金有限,前者在我国沼气工程中多为常见,但其自然储存过程中由于沼液中有机质的降解必然伴随着有害气体的释放,仍存在一定的环境污染。
 
而欧美发达国家由于对空气质量有较为严格的限制,为减少沼液储存过程气体挥发对空气质量的影响,其沼气工程的储液装置一般设计为半封闭式储液罐,且多数储液罐直接建设于农场,从发酵罐中排出的沼液通过密封罐车运送至储液罐,其一方面可以方便沼液使用,另一方面通过沼液的分散处理,避免了有害气体在一个地点的高浓度富集。
 
 
2
增加沼液后处理技术
 
由于沼气工程沼液的用途多以资源化利用为目的,主要用于农田的灌溉、制作水溶性肥料和浓缩性肥料。完善沼液后处理技术是保障沼液卫生安全及开展沼液综合利用的前提。
 
沼液卫生杀菌方法大致分为2类: 一类为加热处理,另一类为非加热处理。传统的高温灭菌方法能耗较大、处理时间长,在粪便处理中使用该方法杀菌,需要增加设备,费用也较高。近年来,学者多致力于非加热灭菌方法的研究,并取得了一定进展,常见方法主要有紫外线、氯气、臭氧和电脉冲法。
 
 
3
加强沼气工程监管措施
 
目前我国对沼气建设的监管还仅限于工程建设阶段的监管,采取的各种措施也是多用于监管沼气工程建设单位按照工程的设计目标、建设期限、建设投资等各种批复目标完成建设任务,未对于沼气工程的日常运营和其他方面进行监管,缺乏对沼气应用情况进行全面监管的能力,不能及时发现沼气工程出现“沼气排空”的行为。
 
今后在沼气工程建设方面可以增设沼气工程智能监控系统,监测部门可以在办公室通过终端系统全面监管沼气工程运行情况,可以及时发现沼气工程每天的沼气产气量、沼气的使用量和沼气的用途,一旦出现“沼气排空”的现象,监管部门可以根据相应的法律、法规对企业进行处罚,这样可从制度上防止沼气工程随意排空沼气行为的发生。
 
 
4
加快沼肥利用技术研究 
 
加快沼肥利用技术研究,科学施用沼肥,可以减少不当施用造成的环境污染。
 
一是选用科学的施用方法,推广配方施肥、按需施肥、按季节施肥是提高沼肥肥效及减少沼肥施用对环境影响的重要措施。
 
二是加强沼液增值产品开发,拓展沼液的用途。目前对沼液使用形式的单一性是造成沼液大量储存和剩余的根本问题,加大沼液的增值产品开发可提供沼液的利用途径,从根源上解决沼液富余和过量施用所造成的环境污染。
 
最后可以推广沼液沼渣堆肥处理技术。堆肥是当前固体废弃物中重金属污染控制的主要技术,其主要机理是利用畜禽废弃物有机物形态变化络合固定重金属,使堆肥物料中重金属的活性被钝化,生物有效性降低,是实现废弃物减量化、无害化和资源化利用最便捷、最经济有效的方式。
 
 
结语
沼气工程发酵过程及发酵产物对环境的危害主要表现为沼气的排空、沼液储存及使用过程中有害气体的释放,以及沼液使用不当造成的污染等环境问题。改善和配套沼液储存设施,减少有害气体排放,合理利用沼肥,建设沼气智能系统是减少沼气工程危害环境的主要技术途径。
 
(参考资料:刘向东,《沼气工程对环境的影响因素及应对措施》;甘福丁,李勇江等《中小型沼气工程建设存在的问题及对策》;图片源于网络)
 

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