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丛书序一
第六章　沼气工程自动化应用案例
第一节　沼气集中供气工程自动化应用
一、工程介绍
北京市昌平区东新城沼气集中供气工程以猪粪为原料，采用厌氧发酵工艺生产沼气，日产沼气400米3，同时供400户居民炊用，沼渣、沼液用作有机肥还田。该工程以沼气为纽带，通过“废水—沼气—有机肥”模式，将养殖业、种植业和可再生能源开发结合起来，形成了一个良好的产业链。
国内大多数沼气集中供气工程都是采用继电器逻辑控制，这类系统方式单一，自动化程度较低，只能处理一些开关量问题，无法处理系统的模拟量，并且电气线路复杂，可靠性不高，不便维修。同时，由于一些较重要的数据不能适时记录和统计，进而使得沼气工程的运行不能方便快捷，并易造成劳动力、原料等资源的浪费。另外，由于沼气站运行过程中的工艺参数（如调料池内物料的温度、USR反应器内的温度、沼气净化室内沼气的流量等）不能在线显示，为了比较精确地控制运行条件，需要操作人员进行现场监测，因此，增加了劳动强度，并且不便管理。
北京市昌平区东新城沼气集中供气工程经过多年的探索，最后利用三菱PLC（Programable Logical Controller）可编程控制系统对沼气工程的进料系统、发酵系统、沼气净化系统和沼气存储系统等实施监测与控制，实现了沼气工程系统的自动控制，并且实现了整个系统的优化控制。这样降低了工人的劳动量，减少了运行成本，提高了沼气工程的管理水平。
二、生产工艺流程
该工程采用三菱可编程控制设计沼气生产工艺控制流程，如图6-1所示。
图6-1　工艺控制流程图
三、自动化控制单元和被控工程设备
（1）温度控制
厌氧发酵需要在特定的温度下进行，所以需要保持USR反应器的温度（35℃）恒定。
（2）报警功能
系统具有故障报警功能（水泵、空压机等的启、停故障）和超限报警（调料池内高、低液位、高压贮气柜的压力报警和USR反应器内的温度报警）。
三菱PLC控制系统可根据沼气发酵工艺的要求，对工艺的各参数进行采集并加以顺序或逻辑控制。根据沼气工艺的特点和需要，PLC控制的单元包含预处理单元、厌氧发酵单元、沼气净化单元和沼气存储单元。为便于对重点工艺环节进行现场观测和操作控制，系统还设置了终端显示操作器。另外，系统还设置了手动操作功能，并配有硬手动／自动切换，以便在开车和设备检修期间，能对工艺设备进行现场硬手动操作。
（一）自动化控制单元
1．预处理单元
定量的粪污和水加入调料池中，液位达到高位；然后开启搅拌机，同时打开锅炉房内蒸汽管道的阀门，当调料池内的温度达到33℃时开启提升泵（开启提升泵的条件：温度和液位同时满足上述要求），将搅拌好的并且温度达到33℃的物料提升到USR厌氧反应器里；当液位达到低位时，提升泵停止运转，搅拌机停止搅拌。
2．USR厌氧发酵单元
物料在USR内进行厌氧发酵，温度显示仪（2个）显示其温度，当USR的温度低于35℃时，报警器开始报警。
3．沼气净化单元
当缓冲罐接触到高位行程开关时，压缩机启动；当缓冲罐接触到低位行程开关时，压缩机停止运转。沼气净化室内安装有甲烷泄露报警仪，空压机房内安装有甲烷泄露报警仪，报警信号均可传送到控制室进行报警，流量同时进行显示。
4．沼气存储单元
高压贮气罐需要安装压力显示。高压贮气柜的压力范围为0～0.8兆帕。
（二）被控工程设备
1．调料池进料泵
1台，380伏/3千瓦；手动方式：手动控制泵的起停；自动方式：自动控制泵的起停；要求：由PLC根据液位自动控制泵的起停。
2．调料池搅拌机
1台，380伏/2.2千瓦；手动方式：手动控制搅拌机的起停；自动方式：自动控制搅拌机的起停；要求：由PLC根据液位自动控制搅拌机的起停。
3．贮肥池提升泵
1台，380伏/3千瓦；手动方式：手动控制泵的起停；自动方式：自动控制泵的起停；要求：由PLC根据液位自动控制泵的起停。
4．沼气净化室压缩机组
1组（2台，1用1备），380伏/5.5千瓦；手动方式：当行程开关不起作用时，手动控制压缩机的起停；自动方式：当缓冲罐的钟罩接触到行程开关的高位时，压缩机自动开启，当接触到行程开关的低位时，压缩机自动停止；要求：由PLC根据液位自动控制压缩机的起停。
四、自动化控制硬件结构和软件结构
1．自动化控制硬件结构
PC电脑（台式机），内装力控6.0组态软件，并配有运行加密狗。三菱PLC：FX2N，热电阻模块FX2N-4AD-PT，模拟量模块FX2N-4AD，通信电缆一根。
2．自动化控制软件结构
力控组太软件上主要显示点：调料池液位、调料池温度、USR反应器上部温度、USR反应器中部温度、沼气贮气柜压力、集气箱行程开关、沼气流量。由于物料是临时放置，所以屏幕上操作以手动操作为主。
五、工程总结
沼气工程与可编程控制系统PLC结合，可实现继电保护和控制系统的操作，提高系统的自动化水平和可靠性，同时也更加便于系统的集中控制和监测，方便系统的信息化管理，降低运行成本，提高工作效率，预防安全事故的发生，具有很高的实际应用价值。
该工程为沼气工程自动化发展做出了良好的示范作用，目前多数企业都按照这种模式进行自动化改造工作，并且运行比较稳定、可靠。
第二节　沼气工程站自动检测系统应用
一、沼气工程概况
上海松江叶榭沼气工程站整个沼气工程主要包括调浆池、调节池、厌氧塔、脱硫罐、沼气流量计、贮气罐、污泥池、固液分离、净化池、氧化池以及全自动监测控制装置。该沼气工程以猪粪、污水为主要原料，日产沼气1000米3（合50米3／小时），生产沼气主要用于发电，少部分余热再利用。其产生的沼渣用作肥料、饲料，沼液经过净化后可用作喷灌施肥或氧化处理达标后排放。目前沼气生产过程全部使用计算机技术进行自动监测和控制。
二、沼气生产工艺流程
首先调节池内调节沼液 （粪便和污水）浓度和温度，并使其保持恒定的浓度和中温发酵温度（30～33℃）；而后由水泵将其抽到恒温恒压的厌氧塔中进行微生物分解发酵，塔内产生的沼气通过流量计进入贮气罐后供用户使用，废液则经溢流管道并检测其pH后，排入沉淀池；经固液分离后又进入净化池和氧化池；再经后处理后用于灌溉农田、作农肥和饲料，或达标排放。全自动监测控制系统就是对这些环节的温度、浓度、压力、流量、pH、甲烷含量等物理参数进行监测和控制，以使整个沼气工程达到高效高质产气，安全、稳定、可靠运行。
三、自动化监控系统
1．系统功能介绍
该检测系统由工业控制计算机完成控制系统监测、控制、报警和管理工作。硬件完成对被控对象（参数）的显示、打印等功能。软件支持被控（测）系统的通信服务、用户接口、测量与计算、执行机构驱动、故障自诊断等功能。
2．系统技术指标
该系统包括液位、温度、压力、流量、pH及浓度等8路输入，并能对各路工作状态作显示、报警、手动自动转换、保护。同时留有备用，以便根据实际需要增减输入及输出功能和路数，并且有10路输出控制（单路控制功率最大为4千瓦）。每个模拟量的转换精度为10位。每个数据采集（采样）周期为1秒，并且显示更新周期也为1秒。
3．系统的功能和特点
本系统采用双芯片工业级微机，结构紧凑、运行可靠、性价比高。主机采用高性能工控机，功能强、性能稳定、可靠。数据采集、处理、巡回检查、记录存储、显示、打印等多种操作可同时进行。自动进行故障状态记录、显示、数据采集和打印。友好的人机界面，显示内容丰富多彩，有工艺流程图、重要部位组态图、棒形图、数据制表、实时曲线、历史趋向图和报警显示。报表形式多样，有定时、实时、历史数据打印和记录。组态画面、数据注释和操作提示全部汉化，组态灵活、方便。可根据用户需要进行参数设定、修改和二次开发。画面具有美观可视性，操作丰富，主体动感和模拟性强，以及多媒体语言功能。系统备有手动状态，可与自动状态互相切换，使系统运行、调试更方便、安全、可靠。
4．系统设计
图6-2、图6-3为监控系统设计方案框图。
图6-2　监控系统设计方案框图1
图6-3　监控系统设计方案框图2
5．系统工作过程
系统开机时，系统先自动检测10个画面，然后要求操作员输入密码。如二次输入错误密码，系统停止运行，退回到操作系统。单击系统的快捷图标，系统重新运行，输入正确密码，则顺利进入系统。主控室画面出现，时钟显示当前时刻。再分别单击画面上的各个切换按钮，均能任意切换。
由于本设计要求的数据采集和处理只在调节池、厌氧塔、沼气处理三个环节。单击调节池按钮，进入调节池显示窗口（图6-4），并可以显示此时调节池内的温度变化，并可以设定报警上下限；单击厌氧塔按钮，进入调节池显示窗口，这里显示厌氧池的含氧量，并可以绘制历史曲线；单击沼气处理按钮，进入沼气显示窗口，这里显示各个设备的运行情况。
图6-4　调节池运行情况
第三节　单片机的沼气发酵装置增温控制系统的应用
一、控制系统的构建
控制系统结构如图6-5所示。该系统装置由生物质炉、贮热水箱、热置换器、电控水泵、温度传感器、微控制机构等组成。电控水泵由继电器根据控制要求打开或者关闭，微控制机构是以AT89S52为控制核心的单片机控制系统。
图6-5　控制系统结构图
环境温度降低致使沼气池内温度低于15℃时，微控制器根据检测的温度，经数据处理分析后向执行元件发出控制信号，使得电控水泵开始工作，此时由生物质炉加热的贮热水箱中的水通过循环管道进入沼气池，通过热置换器与发酵池内的发酵原料进行热量交换。贮热水箱的水经热置换器换热后，温度下降，再通过循环管道由电控水泵送入贮热水箱，由生物质炉再次加热，如此循环将生物质炉产生的热量置换到沼气池内，从而提高发酵温度。当沼气池内温度上升到60℃时，微控制器根据池内温度经数据处理分析后，发出指令，使电控水泵停止工作。此时，沼气系统正常运行，且提高了低温环境沼气系统的产气率。
环境温度较高或者不需要向沼气池供热时，微控制器根据检测的温度，经数据处理分析后使得电控水泵始终处于非工作状态。此时，生物质炉可以用来作为炊事等的热源，贮热水箱中的水也可以为人们提供生活热水。
二、控制原理
温度传感器测得沼气池温度，经信号放大后，通过A/D转换把信号送给单片机处理，单片机根据预定的程序运算后发出指令，通过信号放大送给开关控制机构，并且打开水泵。水泵工作一段时间后，沼气池温度升高，温度传感器又把测得的温度信号传给单片机，如果此时的温度已高于程序设定值，则单片机发出指令关闭水泵，从而保证沼气池正常运行，并使其运行在一个适宜的温度范围内，提高了产气连续性。
三、控制系统的设计
1．系统硬件设计
控制系统硬件结构如图6-6所示。本控制系统硬件主要包括信号采集放大电路、A/D转换电路、硬件时钟电路、系统监控电路、I/O口驱动电路。其核心部件为AT89S52单片机。AT89S52是美国Atmel公司生产的低功耗、高性能CM OS8位微控制器，具有8k的可反复擦写1000次的Flash程序存储器。使用Atmel公司高密度、非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。
图6-6　控制系统硬件结构图
检测温宿这里使用Pt100温度传感器，该传感器主要技术参数如下：测量范围：-200～850℃；允许偏差值±（0.15＋0.002│t│）摄氏度；热响应时间<30秒；最小置入深度≥200毫米；允通电流≤5毫安。
Pt100在工业上一般都采用三线制接法，这是为了消除连接导线电阻引起的测量误差。电路如图6-7所示。传感器电路为Pt100与100欧姆精密电阻串连，同时在它们两端加1伏的基准电压源。流经电阻的电流不能够太大，否则引起电阻发热，阻值会受到很大影响。设计中流经传感器及精密电阻的电流为0～5毫安。Pt100的阻值0℃时为标准的100欧姆，随着温度增加，阻值越大。从0～850℃变化时，其阻值变化范围约：100～400欧姆。V_Pt100输出到运放同相输入端信号为200～500毫伏，可有效地减少干扰，再经过信号调理电路，信号放大至1.2～3.0V，满足LPC2124的内部A/D转换模块采集要求。
图6-7　传感器电路图
图6-8为信号调理电路。传感器Pt100直接输出的电压信号不大（200～500毫伏），当负载较重时会使输出幅度被拉低，且易被干扰，因此有必要接入一个电压跟随电路。电路中为U3，LM6181构成电压跟随器，连接成电压串联负反馈，其反馈系数为1。这种电路的特点：输入阻抗很高，输出阻抗很低，常用在测量仪表的输入极，以提高仪表的输入阻抗，起到隔离作用，减小对被测电路的影响。电路中U4、U5组成两级同相比例放大电路，其作用是将微弱的传感器信号进行电压放大处理。
图6-8　信号调理电路模块图
A/D转换电路使用AD0804进行数据采集。
2．系统软件设计
主程序模块的主要功能是实现系统的初始化和调用数据处理子程序。系统初始化是指完成指定堆栈指针（SP）初值，对内部RAM清零，设定T0、T1的工作方式和定时记数初值，开中断，指定数据存储单元的初值等任务。数据采集判断和驱动程序是整个程序的核心，该部分的主要任务是完成对温度传感器信号的采集、处理判断和执行部件的驱动工作。其工作流程图如6-9所示。微控制器根据沼气池内温度数据信号判断发酵温度是否维持在正常范围内，如果≤15℃，则打开水泵并返回重新读取数据；否则就继续执行下面的判断。如果温度传感器测得池内温度≥60℃时，控制器发出指令关闭加热水泵并返回重新读取数据，否则水泵继续运转。
图6-9　驱动程序流程图
四、系统总结
使用单片机的自动控温方式的控制系统，与简单的太阳能增温系统相比，能够使沼气池内的发酵温度实现在低温环境时的自动加温，使沼气系统的发酵环境始终处于温度适宜的范围内，有效解决了北方冬季低温环境时沼气系统产气率低甚至不产气的弊端，综合提高了沼气系统的稳定性和经济性。
丛书序二
丛书前言
前言
第一章　绪论
第一节　沼气工程概况
一、沼气基本概念
沼气是一些有机物质，在一定的温度、湿度、酸度条件下，隔绝空气（如用沼气池），经微生物作用（发酵）而产生的可燃性气体。它含有少量硫化氢，所以略带臭味。由于这种气体最先是在沼泽中发现的，故称为沼气。在沼泽、湖泊以及河流的淤泥中可以发现沼气，如图1-1所示。
图1-1　湖泊中含有沼气
沼气是多种气体的混合物，一般含甲烷50%～70%，其余为二氧化碳和少量的氮、氢和硫化氢等，其特性与天然气相似。空气中如含有8.6%～20.8%（按体积计）的沼气时，就会形成爆炸性的混合气体。沼气除直接燃烧用于炊事、烘干农副产品、供暖、照明和气焊等外，还可作内燃机的燃料以及生产甲醇、甲醛、四氯化碳等化工原料。经沼气装置发酵后排出的料液和沉渣，含有较丰富的营养物质，可用作肥料和饲料。
二、沼气的产生与利用
沼气的产生需要发酵，发酵是复杂的生物化学变化，有许多微生物参与。沼气的发酵反应大致分两个阶段：
第一个阶段：微生物把复杂的有机物质中的糖类、脂肪、蛋白质降解成简单的物质，如低级脂肪酸、醇、醛、二氧化碳、氨、氢气和硫化氢等。
第二个阶段：由于甲烷菌种的作用，使一些简单的物质变成甲烷。要正常地产生沼气，必须为微生物创造良好的条件，使它能生存、繁殖。
沼气池必须符合多种条件（图1-2）。
图1-2　沼气池简图
第一，沼气池要密闭。有机物质发酵成沼气，是多种厌氧菌活动的结果，因此要创造一个厌氧菌活动的缺氧环境。在建造沼气池时要注意隔绝空气，不透气、不渗水。第二，沼气池里要维持20～40℃，因为通常在这种温度下产气率最高。第三，沼气池要有充足的养分。微生物要生存、繁殖，必须从发酵物质中吸取养分。在沼气池的发酵原料中，人畜粪便能提供氮元素，农作物的秸秆等纤维素能提供碳元素。第四，发酵原料要含适量水，一般要求沼气池的发酵原料中含水80%左右，过多或过少都对产气不利。第五，沼气池的pH一般控制在6.8～7.5。
目前我国农村多数将人畜粪便、秸秆、污水等各种有机物放置在密闭的沼气池内，在厌氧（没有氧气）条件下发酵，即被种类繁多的沼气发酵微生物分解转化，从而产生沼气。产生的沼气可以用来做饭、照明，以及其他用途，沼液和沼渣均可以回收利用。这样一方面可以将废物利用，美化环境；另一方面体现了生态循环概念。图1-3为沼气利用示意图。
图1-3　沼气利用示意图
沼气除了简单地用来做饭与照明以外，还可以用在发电、烘烤农副产品、温室育苗等方面，其示意图见图1-4至图1-7所示。
图1-4　沼气发电示意图
图1-5　沼液育苗
图1-6　沼气炒茶
图1-7　沼气烤烟示意图
三、沼气工程概念
沼气工程是指以规模化畜禽养殖场粪便污水的厌氧消化为主要技术环节，集污水处理、沼气生产和资源化利用为一体的系统工程。按规模大小可分为小型、中型和大型沼气工程（图1-8）。
图1-8　大中型沼气工程示意图
近年来，随着沼气工程技术的发展，沼气池按其发酵容量的大小来分有两种：农村户用沼气池和大中型沼气池。
国外一般按容量大小将厌氧消化池（沼气池）划分以下三类：
小型池：1000～～2500米3；中型池：2500～5000米3；大型池：5000～10000米3。我国则按厌氧消化装置的总池容积和单池容积的大小来划分，将沼气工程分为大型、中型和小型，规模小于中型沼气工程的为小型沼气工程和农村户用沼气池（表1-1）。
表1-1　我国沼气工程的分类
从表中数据看出，大型沼气工程总容积≥1000米3，单池容积也必须≥500米3，如果单池容积为800米3，而总池容积也为800米3，则不属于大型沼气工程，只属于中型沼气工程。中型沼气工程下限总池容积≥100米3，单池容积也必须≥100米3。
大中型沼气工程技术是一项以开发利用养殖场粪污为对象，以获取能源和治理环境污染为目的，实现农业生态良性循环的农村能源工程技术。它包括厌氧发酵主体及配套工程技术，主要是通过厌氧发酵及相关处理降低粪水有机质含量，达到或接近排放标准并按设计工艺要求获取能源——沼气。沼气利用产品与设备技术，主要是利用沼气或直接用于生活用能，或发电，或烧锅炉，或直接用于生产供暖，或作为化工原料等；沼肥制成液肥和复合肥技术，则主要是通过固液分离，添加必要元素和成分，使沼肥制成液肥或复合肥，供自身使用或销售。其关键技术是沼气厌氧发酵技术，包括常规和高效发酵工艺技术。
第二节　沼气工程发展现状
一、国外沼气工程技术现状——以欧洲为例
1．重视原料复配，产气率高
欧洲沼气工程原料不仅包括牛粪、猪粪、鸡粪等畜禽粪便，还有玉米、马铃薯等能源作物，以及屠宰场废弃物、城市餐厨垃圾、城市污泥等。通过这些原料的混合和合理复配，可以提高原料中的碳、氮含量，并调整出可使产气率最高的碳氮比。德国90%以上的农场沼气工程采用混合原料发酵。
2．工艺统一，热电联产，效益高
在德国和丹麦，90%以上沼气工程选用CSTR工艺，统一的工艺有利于制定统一的技术标准和管理办法，同时便于接管运营后续服务的开展。热电联产指产出的沼气主要用于发电，33%～37%的能量转换为电能，在发电的过程中产生大量的余热，用于CSTR加热和农场或社区供热，提高了沼气的利用效率，增加沼气工程的经济效益。
3．实现自动控制，运行管理便捷
利用厌氧消化系统专用的自动控制系统与软件，实现沼气工程的自动化管理和远程监控，节省大量人力的同时又提高了工程生产效率。比如国内一万头牧场大型沼气工程，操作管理人员达30人之多，而同等规模工程在欧洲利用远程监控系统只需1～2人。
4．沼渣沼液及时还田，杜绝二次污染
沼渣沼液贮存期约3～6个月，施于周围农田。许多农场建的沼气工程多采用2个发酵罐串联发酵，其中第一个发酵罐采用连续进出料方式，其排出的料液进入第二个发酵罐贮存并在其中继续产气，同时该罐还兼作沼气贮气装置。贮存在第二个发酵罐的料液经过一段时间后被排放出来，然后作为有机肥喷施到农田里，所以不存在废液二次污染问题。
此外，沼气工程配套设备与技术装备先进，如进料设备、搅拌设备、脱硫设备、沼气存储设备、热电联产成套设备等优良性均处于世界沼气行业的领先地位，并且沼气工程自动化程度高。沼气工程无论规模大小全部只需一人管理即可稳定运行，节省人力资源，降低运行成本。
二、我国沼气工程技术现状
1. 1973-1982年的10年为高速发展与回落阶段
沼气池最早是由广西、四川少数农民自发搞起。1972年年底中国科学院等有关部门在四川绵阳召开了小型现场会，决定从1973年开始在全国推广；1975年和1978年农业部等相关单位又在四川绵阳召开了两次经验交流会，致使沼气池建设迅速发展。截至1978年年底，沼气池统计数达到700万个，震惊了国内外。终因仓促上马、急于求成，缺乏坚实成熟的技术基础和支持，以及管理不善等原因，造成数量上的高速发展，而后紧跟着大幅回落，从1976年的700多万户回落到1982年的400万户。
2. 1983-1991年的9年为调整阶段
此阶段注重沼气技术系统的科研，修理病态池，放慢发展速度，9年新增池扣去报废池仅累计增加82.7万户，平均每年增加10万多户。
3. 1992-1998年的7年为回升发展阶段
由于第二阶段科研与示范工作取得重要成果，如户用高效沼气池技术、南方恭城模式、北方“四位一体”模式等沼气与生态建设等有机结合，沼气建设综合效益日益明显，有回升发展，每年建池在50万户左右。
从1999年起农业部总结了北方“四位一体”、南方“猪—沼—果”、西北“五配套”等卓有成效的沼气能源生态建设经验，提出了“能源环保工程”和“生态家园富民工程”计划，并于2001年和2002两年争取到小型公益农村沼气项目每年补助1亿元的支持和2002年农村基建2亿元支持，并于2003年得到农村基础设施国债资金10亿元的支持，使中国沼气建设进入了一个全新的发展阶段。每年新建沼气池加速发展到2003年的210万户，即2003年新发展的农户沼气池为20世纪中期每年新增50万户的4倍多，2003年沼气池保有量为1288.9万户，是1996年保有量602万户的2倍多。2003年总产沼气量达45.8亿米3，沼气建设进入快速发展的新阶段。
据统计，至1998年，我国已有大中型沼气工程748处，年处理废弃物1990万吨。截至2005年年底，已建养殖场沼气工程3500处，年可处理畜禽粪便等废弃物8700万吨。截至2010年，国家支持新建大中型沼气工程4000处左右（不包括地方政府支持和大型养殖场自主建设的项目）。
我国大型沼气工程技术包括USR、UASB和HCF工艺，应用较多的是USR工艺，小部分采用HCF工艺，UASB工艺多用于高浓度有机废水的处理。USR工艺是先对各类畜禽粪便和其他有机物进行预处理，除去大颗粒和粗纤维物质（进料TS浓度3%～6%）后，进入USR反应器，USR反应器采用上流式污泥床原理，不使用机械搅拌，在中温条件下，视原料不同产气率在0.3～0.8。沼渣沼液COD浓度含量很高，不适宜好氧处理达标排放，一般用于农田施肥进行生态化处理，是典型的能源生态型工艺。
我国沼气工程技术具有如下特点：
1．工艺类型多，效率普遍不高
我国在发展沼气工程的过程中，在户用沼气方面取得较大成就，截至2005年年底，全国户用沼气达到1800万户，大中型沼气工程由于缺乏行业权威组织统一的技术指导，南北方地区差异较大，各地分别用土法建沼气工程，发酵温度低，缺搅拌，沼气产气率低。
2．产品利用率低，经济效益差
我国建大中型沼气工程开始以处理废弃物和生产能源为出发点，而不是以充分利用资源为出发点，在工艺设计中对产品的应用重视不够，包括有机肥的生产、沼气发电余热的利用等。在产品产量低、使用率低的情况下，工程的经济效益自然就差，这也是我国沼气工程发展缓慢、运行困难的根本原因。
3．工程设备化低，生产方式落后
受限于技术水平和成本控制，普遍采用传统的现场加工安装的方式，没有实现工程的设备化和标准化，传统安装方式工期长，难维护，不便于检修，质量难保障。同时，进出料方式落后，手动操作管理，不但需要人工较多，而且外观不佳，影响厂区整体环境。
三、欧洲大型沼气工程技术国产化方法
1．走原料集约化道路
目前我国的沼气原料比较分散，多数以自己供给为主，这样的原料比较单一，且不能维持大型沼气工程的产气需要，重复建设，浪费严重。所以我们在设计沼气工程时，充分考虑当地的原料资源，如工业废水、生活垃圾、生活污水、工厂肥料，农畜粪便等，将这些有用资源全部为我所用，在当地单独建立一个大型的沼气工厂。
2．根据本地的温度环境及原料等综合情况选择合适的工艺
首先整套引进国外的沼气设备，这样不仅可以加快自己的建设步伐，也能消化吸收国外的先进工艺和管理办法。然后根据自己的特点，结合国外的设备，制造出有自己特色的沼气生产设备。
3．沼液、沼渣综合利用，杜绝二次污染
目前我国在处理沼液沼渣技术上仍有不足，不能综合利用，所以个别地方仍有二次污染现象发生，没有完全体现沼气出循环利用的特点。
4．走自动化道路
我国目前的沼气生产基本靠人力装料，人员监控，没有使用自动化设备来进行生产，所以效率较低，且生产维护成本较高，难以推广，故今后我国的沼气生产应走自动化道路，实现自动装料出料，自动监控发酵、存储及输送，这样我国的沼气生产才能提高效率，且有利于推广。
另外，沼气工程本身有公益的性质，应该走“企业自筹资金，申请国家资助，利用国际援助，引进投资运营”的模式，提高项目建设水平，确保项目的收益。
第三节　自动化技术在沼气工程中的应用
一、沼气工程自动化总体结构
1．物料的重量和数量感知
因为沼气发酵需要严格根据物料的配比进行发酵，这样能提高产气效率。那么在输送物料时，可以采用及时和称重等方法对物料的自动配比，减少人员的参与。
2．调料池中液位和温度的感知
沼气生产的调料池有具体的液位要求，故这里加入液位计，进行自动检测液位；调料池的温度也有一定的要求，同样这里可以采取温度传感器感知调料池中的温度信息。这些液位信息和温度信息通过物联网传输到后台中心进行分析和控制使用。
3．后台控制
后台得知温度达到规定要求时，可以自动开启提升泵，同时检测反映池内液位和温度变化，并测算合适停止提升泵运转，搅拌机停止运转等过程。
4．沼气池的沼渣和沼液的回收
要经过自动检测，检测是否达标，达标后可以经行排放。
5．安全存储
沼气产生后，最重要的是如何安全存储，沼气首先经过水封罐。因为沼气中含有硫，故应进行脱硫处理，这里应检测脱硫罐中物质的重量变化，自动检测该脱硫罐是否换新，保证沼气供气质量。
6．沼气经过脱硫后进入缓冲罐
当沼气达到一定量时，行程开关可以使压缩机工作，并将该信息通过通信网络告知后台控制中心。
网络层主要由中心服务器构成，是整个系统的核心，负责收集各个传感器过来的信息量，并且将这些信息量进行存储，供用户查询和分析使用。同时，该服务器也可以与互联网、电话网络相连，供用户及时查询信息。
用户界面层主要是负责用户的使用界面，做到更好的人机交互，方便人们直观地看到现场情况，并能及时地控制现场设备。这里主要包括：
1．检测与控制
主要任务是检测影响沼气工程生产的各个物理量，并且控制设备让这些物理量达到合理的要求，能够实现及时报警等功能。
2．短信通知与查询
当遇到紧急情况，系统可以通过短信告知用户目前现场状况，且用户也可以随时通过短信查询目前现场状况。
3．现场视频监控
每个生产部门均安装有视频摄像头，这样可以在管理中心直接看到现场的工作情况，方便管理部门及时调整。
4．管理与统计
根据用户要求，可以将以往的信息调出，并可以绘制曲线和各种报表，方便管理部门统计信息。
二、自动化控制的常用控制器
（一）单片机
单片机（图1-10）是单片微型计算机的简称，是典型的嵌入式微控制器，常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上，相当于一个微型的计算机。和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。
图1-10　单片机
单片机具有体积小、控制功能强、功耗低、环境适应能力强、扩展灵活和使用方便等优点，用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统、通信系统、信号检测系统、无线感知系统、测控系统、机器人等应用控制系统。
（二）可编程逻辑控制器
1．电源
可编程逻辑控制器的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的。因此，可编程逻辑控制器的制造商对电源的设计和制造也十分重视。
2．中央处理单元
中央处理单元（CPU）是可编程逻辑控制器的控制中枢。它按照可编程逻辑控制器系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当可编程逻辑控制器投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映像区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映像区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映像区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。
3．输入输出接口电路
现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是可编程逻辑控制器与现场控制的接口界面的输入通道。现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用可编程逻辑控制器通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。
此外，可编程逻辑控制器还包括存储器、功能模块、通信模块。
（三）工控机
工控机（图1-12）通俗地说就是专门为工业现场而设计的计算机，而工业现场一般具有强烈的震动，灰尘特别多，另有很高的电磁场力干扰等特点，且一般工厂均是连续作业即一年中一般没有休息。因此，工控机与普通计算机相比必须具有以下特点：
图1-12　工控机
（1）机箱采用钢结构，有较高的防磁、防尘、防冲击的能力。
（2）机箱内有专用底板，底板上有PCI和ISA插槽。
（3）机箱内有专门电源，电源有较强的抗干扰能力。
（4）要求具有连续长时间工作能力。
（5）一般采用便于安装的标准机箱（4U标准机箱较为常见）。
三、自动化控制的常用通信方式
1. RS-232
RS-232是一个串口通信标准，它规范了异步串口通信能力，还有硬件流控制、软件流控制和校验位。由于这个标准已经使用了10年以上，几乎所有的数字通信设备都有控制界面，而且都使用RS-232作为通讯界面。典型的通信距离为9600比特率时最大可达到15米。
2. RS-422
RS-422是一个串口通信标准，它相比RS-232提供更长距离的通信能力，而且使用更少的信号线。RS-422数据传输使用差分信号作为技术，并且最大速率可以达到10兆比特率。在9600比特率的速度下，通信距离最大可达1.2千米。
3. RS-485
RS-485是RS-422的增强版本。它使用2线的总线技术，并且兼容RS-422界面。使用RS-4852线总线，你可以建立一个非常经济的网络，然而RS-485只定义了电气信号特性而没有定义其他的，那么用户就必须用自己的软件或协议来控制RS-485网络。
4. TCP/IP
TCP/IP是一组用于在网络上共享数据的通信协议。它是由ARPAnet组织发起的，精确名称为“Internet Protocol Suite”。其中TCP和IP只是这个群组中的两个，因为它是目前已知最好的协议，逐渐被大众接受。从终端应用甚至到家庭应用都可以用到这个协议，目前几乎所有的电脑都可提供TCP/IP服务。
5. CAN总线通信方式
CAN（Controller Area Network局域控制网）总线由Bosch、Benz研究试验，于1986年2月正式提出，至1993年11月Bosch CAN2.0成为国际标准（ISO11898）。2000年CAN总线芯片年度销售超过1亿片，欧产轿车都至少装配一条CAN总线网络。目前CAN总线的应用已从汽车、火车、轮船迅速扩展到纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械、家用电器及传感器等领域。其被公认为是最有前途的现场总线之一。
第二章　沼气工程的原料
第一节　沼气工程的原料及配比要求
一、沼气主要发酵原料
国内目前农村沼气池主要发酵原料有猪粪、奶牛粪、肉牛粪、骡马粪、作物秸秆等（图2-1）。根据各地原料资源对上述发酵原料进行合理的科学配比，是充分利用发酵原料达到沼气池产气快、产气率高、维持产气高峰时间长的重要技术措施。
图2-1　发酵原料
沼气池发酵原料的配比主要是根据各种原料中所含碳氮比（C/N）来决定的，碳素是沼气细菌活动的能量来源，例如各种作物秸秆、杂草、树叶等，而氮素是合成细菌原生质的主要成分，例如人畜粪便等，这两种原料要进行合理的搭配，混合进料，才能获得较好的产气量，现介绍适合浙江省使用的几种发酵原料配比（表2-1）。
表2-1　沼气发酵原料的碳氮比与营养成分平均值参考表（%）
二、沼气产量的估算
在设计大型沼气工程时，要考虑具体原料有多少，要进行估计，表2-2分别给出牛、猪、羊、鸡等常见养殖畜禽的粪便排泄量的计算参考值。
表2-2　各种粪便排泄计算参考值（千克）
根据各种畜禽粪便的年排放量概算，具体公式如下：
每年产生的畜禽粪便量=排泄参数×动物头数量×365。
按照不同农作物其秸秆资源量不同的特点，在粮食作物中，统计计算主要包括水稻、玉米、小麦、豆杂；在经济作物中主要统计油料作物。按照下面的公式计算出具体的秸秆的资源量（表2-3）。
表2-3　各种农作物的秸秆估计量（万吨）
秸秆资源量=作物产量×谷草比
谷草比=农作物秸秆的发生量／作物产量
有了具体的原料供给，下一步计算沼气潜力，即应产沼气量。根据有关专家研究，计算沼气潜力一半以35℃下产气效率计算其产气量。而某县气候属北亚热带季风气候，年平均气温14.2℃，户用沼气池多采用地埋式的建筑方式，故该县以20℃来计算其产气量，20℃的值依据35℃时原料产气量的60%折算出来，见表2-4。
表2-4　农村各种废弃物的沼气产量（米3/千克）
畜禽粪便年沼气潜力=粪便年总量×TS×产气参数
人粪尿年沼气潜力=人粪尿年总量×TS×产气参数
秸秆年沼气潜力=秸秆年总量×TS×产气参数×60%
60%为总数中可用于沼气发酵的秸秆，其他大约40%的秸秆用作饲料或其他用途。根据表2-2、表2-3各种资源量和农作物的秸秆资源量，计算该县各种粪便和秸秆资源及其沼气潜力（表2-5）。
表2-5　农村各种粪便和秸秆资源及其沼气潜力
三、沼气主要原料配比
（一）以猪粪为主加玉米秸秆
猪粪C/N为13∶1，含氮较多，玉米秸秆C/N为53∶1，含碳素较多，一个10米3沼气池，按沼气池发酵容积的80%计，各原料的配比应为：猪粪4米3、玉米秸秆400千克、接种物3米3，粪草比基本为2∶1。用稀人粪尿代替自来水。如没有人粪尿可加0.3%～0.5%的碳酸氢铵或0.1%～0.3%尿素的水溶液，另加5千克石灰的水溶液。
（二）以牛粪为主加猪粪
鲜牛粪的C/N为25∶1，一个10米3沼气池各原料配比应为牛粪3～4米3、猪粪2米3、接种物3米3，加人粪尿和少量石灰水溶液，若用牛粪加玉米秸秆作为发酵原料，要加5～10千克尿素和5千克石灰的水溶液，最好用人粪尿代替自来水，效果更佳。
（三）以玉米秸秆为主要发酵原料
用玉米秸秆作为沼气主要发酵原料虽然还没有推广，但有些用户一直在利用作物秸秆、杂草发酵，而且积累了不少经验，我们相信在不久的将来玉米秸秆会在沼气建设中发挥作用。
我国有5亿吨左右的农作物秸秆，一吨秸秆能产250～300米3沼气。秸秆不仅数量大，随用随取，还能生产大量的有机肥料。用作物秸秆作为沼气主要发酵原料益处很多，许多农民还是乐于采用玉米秸秆作为主要发酵原料的。
第二节　沼气工程原料收集与预处理
一、原料收集
大中型沼气工程在设计时，应当根据周围的原料供应情况进行合理设计，积极论证安排废物的收集方式和集中地点，不同的原料，分开存放，方便根据不同的原料配比输送原料，进行沼气发酵处理。
在原料收集过程中，可以在堆放场内安装重量检测装置，可以检测原料的目前重量，并将各个堆放场内的原料重量进行收集并通过物联网上报上后台管理中心，后台管理中心根据事先设定好的重量，如果超出重量则进行报警。
收集到原料一般要进入调节池贮存，因为原料收集时间往往比较集中，而消化器的进料常需在一天均匀分配。所以调节池的大小一般要能贮存24小时废物量。在温暖季节，调节池常可兼有酸化作用，这对提高原料可消化性和加速厌氧消化都有好处。若调节池内原料滞留期过长，会因耗氧呼吸作用或沼气发酵的进行而损失沼气产量 。
为了能保证原料在调节池中能有合适的时间，则可以在原料入料时将这批原料进行标示，并上报后台管理中心，后台管理中心结合消化器内的温度，计算出合理的滞留时间。如超过合理时间，及时报警。
二、进料设备
根据沼气原料可以分为固态和液态两种，目前我国固态原料多使用排污泵，液态多使用吸液车。
图2-2是TS自砺式双切刀排污泵，该排污泵是南京铁力流体设备有限公司吸收国外制泵公司技术基础上自主研发生产的。主要适用：
图2-2　排污泵
（1）沼气工程中的牛粪、秸秆湿式进料泵送。
（2）沼液、沼渣的排放。
（3）畜牧业粪渣排放。
（4）造纸厂、皮革厂、食品厂等工业废水排放。
（5）中水、污水处理厂中污水、污泥排放。
（6）楼宇地下室化粪池中粪便水排放。
（7）河道、池塘的清淤。
使用自砺式双切刀泵采用螺旋式对称结构叶轮，叶轮前端外置，优点如下：
（1）可以把浓稠的物料在进入泵腔前强迫导入。
（2）起搅拌、破碎作用。
（3）具有极好的平衡性。
（4）排放能力超强，不仅能通过常规的物质，而且能切断超常规的物质，并能高效排放浓度大的液体。
由于沼气的固体原料多为垃圾，原料不够纯净，故使用该设备可以将非常规原料进行粉碎，不损坏后面的厌氧设备。
目前对于液体原料的收集，我国多使用真空洗液车，其工作原理是：由发动机通过皮带传动驱动真空泵，将罐体抽成真空，利用罐体内外压力差将液体物质吸入罐内，完成工作循环，并可将罐内液体加压排放。它采用名优泵阀，罐体由优质钢板焊接而成，具有防变形、防漏气、防溢罐等功能及有效容积大、操作方便、运输快捷等优点，是对沼液、沼渣等各种流体进行处理、运输作业的理想工具。被广泛用于沼气池出污、厕所出便、鱼塘抽泥浆、鸡厂猪厂出粪、酒店清理饭废渣与生活废水、工厂吸污水，以及城市排污，这些均可以作为沼气生产的原料。
图2-3是奔马公司生产的真空吸液车，目前该车在全国用量较多，该车的具体参数见表2-6所示。
图2-3　BM4020GYJ91（ZY9）型真空吸液车
表2-6　BM4020GYJ91（ZY9）型真空吸液车参数
三、原料预处理
原料常混杂有生产作业中的各种杂物，为便于用泵输送及防止发酵过程中出现故障，或为了减少原料中的悬浮固体含量，有的在进入消化器前要进行升温或降温等，因而要对原料进行预处理。在预处理时，牛和猪粪中的长草、鸡粪中的鸡毛都应去除，否则极易引起管道堵塞。目前，上海星火农场采用搅龙除草机去除牛粪中的长草，可以收到较好的效果，再配用收割泵进一步切短残留的较长纤维和杂草可有效防止管道阻塞。鸡粪中含有较多贝壳粉和砂砾等，必须进行沉淀清除，否则会很快大量沉积于消化器底部，不仅难以排除，而且会影响沼气池容积。
沼气原料，尤其是粪便，均是固液一起的，如果合理发酵，应将固液进行分离。目前，采用的固液分离方式有格栅机、搅龙除草机、卧螺式离心机、水力筛、板柜压力机、带式压滤机和螺旋挤压式固液分离机等。其中，螺旋挤压式固液分离机主要用于SS含量高，且易分离的污水，如新鲜猪粪污水；卧螺式离心机用于酒精厂废醪效果较好；搅龙除草机主要用于纤维较长的废水预处理；板柜压力机和带式压滤机主要用于加凝絮剂后凝絮效果较好的废水，用于好氧污泥的处理效果极佳；水力筛一般均采用不锈钢制成，用于杂物较多、纤维长中等的污水，如猪粪污水、鸡粪污水等，且其分离效果好，安装方便，易于管理，在南方应用较为广泛。
格栅机是一种可连续清除流体中杂物的固液分离设备，是城市污水处理、自来水厂、电厂进水口、纺织、食品加工、造纸、皮革等行业生产工艺中不可缺少的专用设备，是目前国内普遍采用的固液筛分设备。
国内比较先进的格栅机是旋转式细格栅除污机（图2-4），该机是集格栅、传输机和螺杆压榨机三种功能于一体的新型固液分离环保设备。螺旋细格栅机可直接安装在水渠内，也可安装在容器箱中。污水从螺旋式细格栅除污机的栅筐前端流入，从栅缝中流出，滤渣被截留在栅筐内。累积在转鼓式细格栅机栅条上的滤渣又形成过滤层进一步起到过滤作用，从而提高了螺旋式细格栅机滤渣的过滤效率。当螺旋细格栅机栅筐前后的水位差达到设定值时，减速电机自动启动，带动清渣耙旋转，其清渣齿伸入栅条之间，将所有滤渣取出，当转鼓格栅旋转到垂直位置时，滤渣自动落入螺杆下端中央的料斗内，经螺杆传输，同时压榨，最后落入物料箱或传输机进行外运。为了清理齿上的滤渣，清渣耙能自动倒转15度，经过一清渣齿板时能自动清理清渣耙上的余渣，以免螺旋式格栅除污机发生故障。
图2-4　旋转式细格栅除污机
转鼓格栅的滤渣在输送过程中被压榨脱水，固含量可达35%～45%，干渣体积小、污染少，易于外运处理。螺旋格栅机的过滤栅框滤缝尺寸为6～12毫米，直径从600～3000毫米，旋转格栅处理量最大可达237600米3/小时。
水力筛也叫水力斜筛（Waterpower Slanted Screen），是一种用于污水处理中过滤悬浮物、漂浮物、沉淀物等物质的小型无动力分离设备（图2-5）。水力筛主体为由楔形钢棒经精密制成的不锈钢弧形或平面过滤筛面，待处理废水通过溢流堰均匀分布到倾斜筛面上，由于筛网表面间隙小、平滑，背面间隙大，排水顺畅，不易阻塞；固态物质被截留，过滤后的水从筛板缝隙中流出，同时在水力作用下，固态物质被推到筛板下端排出，从而达到固液分离目的。
图2-5　水力筛示意图
固液分离机（图2-6）是让污粪当中的污水和粗纤维进行分离，即进行干湿分离，分离后的固体物质含水率低，这样才能再进一步的处理。
图2-6　固液分离机外观图
带式浓缩压滤机由压滤机主机，转筒浓缩机，絮凝搅拌桶组成（图2-7）。主机由机架、传动装置、滤布装置、纠偏装置、冲洗装置、卸料装置、辊系、集液槽、电气等部件组成。
图2-7　带式浓缩压滤机结构图
其工作原理：经过絮凝的悬浮物料首先进入絮凝桶与絮凝剂充分混合絮凝，然后溢入转筒浓缩机，脱去大量的游离水分，转筒浓缩机出料进入滤带重力脱水区，将污泥均匀排列，进入楔形区内进行预压脱水，经主脱水辊脱水后，进入系列“S”形排列的压辊压榨脱水直至形成滤饼后卸料。在这过程中污泥受到由小到大的挤压，剪切作用力，可脱去其中大部分游离水和部分毛细水分。
第三节　沼气工程进料的自动化技术
一、沼气工程中进料中的自动化技术综合概述
根据沼气工程的进料过程，可以用自动化技术进行全程监控，合理利用资源，及时掌握现场情况，出现问题及时布控，及时处理。物联网在沼气工程的进料过程中可以按照图2-8进行组织实施。
图2-8　沼气工程进料自动化技术示意图
沼气的进料过程全部由沼气工程信息中心服务器负责接收与控制。该服务器为整个沼气自动化的核心单元，通过该服务器可以实现上网查询、在线视频监控和短信查询功能。该服务器的所有信息采集由运输监控模块、原料预处理监控模块、原料配比监控模块等信息采集模块负责完成。下面分别介绍这几个模块信息采集及控制过程。
二、运输监控模块
在原料的运输过程中使用自动化监控技术，如图2-9所示。通过运输监控，可以迅速知道目前的车辆运行状况，及时掌握目前车辆的地理位置信息，通过车辆内部的视频监控摄像头可以得知车辆内部人员自身的状况。
图2-9　运输监控过程示意图
该运输监控系统还有具有操作人员识别功能，该功能不仅可以识别操作人员，还可以为操作人员进行上班打卡，帮助管理人员统计操作人员出勤情况。
当车辆进入沼气生产中心的堆场时，需要经过堆场的网络电子磅秤，该磅秤可以自动称量该车辆的收集原料的多少，并将数据送入原料监控中心进行处理。原料监控中心根据每辆车收集原料情况，计算该堆场目前的原料量有多少。
监控摄像头是一种半导体成像器件（图2-10），因而具有灵敏度高、抗强光、畸变小、体积小、寿命长、抗震动等优点。监控摄像机安全防范系统中，图像的生成当前主要是来自CCD摄像机，CCD是电荷耦合器件（Charge Coupled Device）的简称，它能够将光线变为电荷并将电荷存储及转移，也可将存储的电荷取出使电压发生变化，因此是理想的摄像机元件，以其构成的CCD摄像机具有体积小、重量轻，不受磁场影响，具有抗震动和撞击之特性而被广泛应用。
图2-10　监控摄像头
监控摄像头可以分为彩色和黑白两种：①彩色摄像机：适用于景物细部辨别，如辨别衣着或景物的颜色。因有颜色而使信息量增大，信息量一般认为是黑白摄像机的10倍。②黑白摄像机：适用于光线不足地区及夜间无法安装照明设备的地区，在仅监视景物的位置或移动时，可选用分辨率通常高于彩色摄像机的黑白摄像机。
三、车辆实时跟踪GPS模块（图2-11）
1．实时监控
星软GPS车辆管理系统应用了移动GPRS为监控数据的载体，真正地实现了对车辆的全天候实时监控（速度、方向等），监控频率可达到1秒级。
2．行驶信息管理
系统可对车辆以往的行驶数据信息进行下载、回放、保存等。
3．车辆超速报警
管理员可单独或设定全部车辆的行驶上下限速度，当车辆行驶速度超过该限制时，系统即会提示车辆超速报警，并伴有声音和窗口弹出窗口提示。
4．自建图层
管理员可以通过文字和图像在地图上自行标注公司的以及工地的方位；也可以自行构建道路上没有的路线，更好地完善地图来管理车辆。
5．文字调度管理
管理员可通过文字方式向某一辆车或是某一群车辆发送文字调度信息。发送的信息将保存下来，以供日后查证。
6．超速报警统计
通过系统提供的行驶数据保存功能，在事后可将某车在某天某日某一段时间的行车数据进行回放，并可生成报表供打印，该功能可作考核用。
7．行车线路跟踪
可对单独一辆或是全部车辆进行实时记录行驶路线功能，当车辆驶过后就会在地图上划出一条黑线，管理员可直观地看到车辆的行驶路线情况。
8．区域报警功能
可以设定禁区，当车进入禁区监控处发出警报提醒。定制行驶路线，当驾驶员驶离预定的驾驶路线发出报警。
9．完善的管理员管理功能
（1）车辆信息管理可对车辆信息进行查询、统计、增、删、改的维护工作。
（2）可对管理员进行权限分配，实现分级、多级管理。
（3）日志管理，如登录日志、报警设定、消息发送等进行统计、打印和删除。
10．里程油耗统计
通过系统提供的行驶数据保存功能，可将某车在某天某一段时间的行车公里数及所耗油量，可生成报表供打印，该功能可作参考。
四、人员定位识别卡
识别卡是用于工作人员和目标的跟踪和定位，实现与动态目标识别器之间进行信息交换（图2-12）。卡内具有唯一编号的ID芯片，员工随身携带，标识卡可利用无线载波将此ID号码进行发射。经动态目标识别器接收、识别后即可判别员工身份。整体采用高温改性ABS工程塑料封装，可工作于煤矿井下有煤尘和瓦斯爆炸的危险气体环境中。
图2-12　人员定位识别卡
该识别卡结合人员定位系统具有以下功能：人员位置定位、携卡人员出入工作区时刻考勤、重点区域出入时刻、限制区域出入时刻及报警、工作区内工作时间、工作区内和重点区域人员数量、工作区内人员活动路线等监测、显示、打印、存储、查询、异常报警、路径跟踪、管理等功能。
五、原料预处理监控模块
原料预处理监控主要负责沼气原料的堆积时间监控，原料的预处理监控。当需要原料预处理时，监控系统会打开如固液分离设备、除草机等原料的预处理设备，并且可以根据具体需要设定时间，及工作顺序，保证原料预处理质量。这里物联网需要检测和控制的是设备的转速、设备的工作时间、设备正常工作与否等内容。
图2-13为磁电式转速传感器，主要由旋转的触发轮（被等分的齿轮盘上面有多齿或缺齿）和相对静止的感应线圈两部分组成。当机器运行时，触发轮与传感器之间的间隙周期性变化，磁通量也会以同样的周期变化，从而在线圈中感应出近似正弦波的电压信号，供后面控制单元采集。采集后的信息经过物联网传输到后台管理中心，并根据需要对设备进行控制。
图2-13　磁电式转速传感器
经过固液分离后的原料，根据不同原料的发酵要求，需要进行加热处理，这里选用太阳能加热装置，将物联网用于对太阳能加热的控制（图2-14）。首先通过检测原料目前的温度值，然后根据需要，控制太阳能加热装置对物料进行加热，当达到理想温度时，关闭太阳能加热装置。整个过程均由沼气工程信息中心负责监控及控制。
图2-14　原料预处理过程示意图
图2-15为无线温湿度传感器，由深圳飞比科技开发的一款基于标准Zigbee网络协议无线式温湿度采集设备。与传统的有线式温湿度传感器相比，避免了布线安装与后期维护所带来的困扰，其“终端传感节点”可由5号干电池供电，使用最长可达数年之久。
图2-15　FZB2000系列工业级Zigbee无线温湿度传感器
六、原料配比监控
原料预处理后既可以送入到厌氧单元进行发酵，为了提高产气率，需要严格地按照预定的原料比进行配制。这里可以采用配料单机皮带秤（图2-16），该设备包括主动滚筒、从动滚筒、环形胶带、输送机架、动力驱动部分、料斗物料整形装置、受料接口、内外清扫器、多组托辊及电子皮带秤。该设备能够自动进行计量输送原料的重量，这些信息通过物联网传送到后台管理中心，这样可以准确地控制原料的配比，提高产气效率。
图2-16　配料单机皮带秤
第三章　沼气发酵自动化技术
第一节　沼气发酵
一、沼气发酵基本原理
1．沼气微生物的种类
（1）不产甲烷菌
在沼气发酵过程中，不能直接产生甲烷微生物统称为不产甲烷菌。不产甲烷菌能将复杂的大分子有机物变成简单的小分子量的物质。它们的种类繁多，现已观察到的包括细菌、真菌和原生动物三大类。以细菌种类最多，目前已知的有18个属51个种，随着研究的深入和分离方法的改进，还在不断发现新的种。根据微生物的呼吸类型可将其分为好氧菌、厌氧菌、兼性厌氧菌三大类型。其中，厌氧菌数量最大，比兼性厌氧菌、好氧菌多100～200倍，是不产甲烷阶段起主要作用的菌类。根据作用基质来分，有纤维分解菌、半纤维分解菌、淀粉分解菌、蛋白质分解菌、脂肪分解菌和其他一些特殊的细菌，如产氢菌、产乙酸菌等。
（2）产甲烷菌
在沼气发酵过程中，利用小分子量化合物形成沼气的微生物统称为产甲烷菌。如果说微生物是沼气发酵的核心，那么产甲烷菌又是沼气发酵微生物的核心，产甲烷菌是一群特殊的微生物。它们严格厌氧，对氧和氧化剂非常敏感，适宜在中性或微碱性环境中生存繁殖。它们依靠二氧化碳和氢气生长，并以废物的形成排出甲烷，是要求生长物质最简单的微生物。
产甲烷菌的种类很多，目前已发现的产甲烷菌有3目、4科、7属和13种。产甲烷菌生长缓慢，繁殖倍增时间的15倍。由于产甲烷菌繁殖较慢，在发酵启动时，需加入大量甲烷菌种。
产甲烷菌在自然界广泛分布，如土壤中，湖泊、沼泽中，反刍动物（牛羊等）的肠胃中，淡水或碱水池塘污泥中，下水道污泥、腐烂秸秆堆、牛马粪以及城乡垃圾堆中都有大量的产甲烷菌存在。由于产甲烷菌的分离、培养和保存都有较大的困难，迄今为止，所获得的产甲烷菌的纯种不多。一些菌的培养方法没有过关，所以对产甲烷菌的生理生化特征还不清楚，产甲烷菌的纯种还不能应用于生产，这些直接影响到沼气发酵研究的进展，也是影响沼气池产气率提高不快的重要原因。
2．沼气发酵微生物的作用
（1）不产甲烷菌为产甲烷菌提供营养
原料中的碳水化合物、蛋白和脂肪等复杂有机物不能直接被产甲烷菌吸收利用，必须通过不产甲烷菌的水解作用，使其形成可溶性的简单化合物，并进一步分解，形成产甲烷菌的发酵基质，这样，不产甲烷菌通过其生命活动为产甲烷菌源源不断地提供合成细胞的基质和能源。另外，产甲烷菌连续不断地将不产甲烷菌所产生的乙酸、氢和二氧化碳等发酵基质转化为甲烷，使厌氧消化中不致有酸和氢的积累，不产甲烷菌也就可以继续正常的生长和代谢。由于不产甲烷菌与产甲烷菌的协同作用，使沼气发酵过程达到产酸和产甲烷的动态平衡，维持维持沼气发酵的稳定运行。
（2）不产甲烷菌为产甲烷菌创造适宜的厌氧生态环境
在沼气发酵启动阶段，由于原料和水的加入，在沼气池中随时进入大量的空气，这显然是对产甲烷菌有害的，但是由于不产甲烷菌类群中的好氧和兼性厌氧微生物的活动，使发酵液的氧化还原电位（氧化还原电位愈低，厌氧条件愈好）不断下降，逐步为产甲烷菌的生长和产甲烷菌创造厌氧生态环境。
（3）不产甲烷菌为产甲烷菌清除有毒物质
在以工业废弃物为发酵原料时，其中往往含有酚类、苯甲酸、氰化物、长链脂肪酸和重金属等物质。这些物质对产甲烷菌是有毒害作用的。而不产甲烷菌中有许多菌能分解和利用上述物质，这样就可以解除对产甲烷菌的毒。此外，不产甲烷菌发酵产生的硫化氢（H2S）可以与重金属离子作用，生成不溶性的金属硫化物而沉淀下来，从而解除了某些重金属的毒害作用。
（4）不产甲烷菌与产甲烷菌共同维持环境中适宜的酸碱度
在沼气发酵初期，不产甲烷菌首先降解原料中的淀粉和糖类等，产生大量的有机酸。同时，产生的二氧化碳也部分溶于水，使发酵液的酸碱度（pH）下降。但是，由于不产甲烷菌类群中的氨化细菌迅速进行氨化作用，产生的氨（NH3）可中和部分有机酸。同时，由于甲烷菌不断利用乙酸、氢和二氧化碳形成甲烷，而使发酵液中有机酸和二氧化碳的深度逐步下降。通过两类群细菌的共同作用，就可以使pH稳定在一个适宜的范围。因此，在正常发酵的沼气池中，pH始终能维持在适宜的状态而不用人为的控制。
3．沼气发酵微生物的特点
（1）分布广，种类多
上至1.2万米的高空，下至2千米的地层深处都有微生物的踪迹。目前，已被人们研究过的微生物约有3万～4万种之多。沼气微生物在自然界中分布也很广，特别是在沼泽、粪池、污水池以及阴沟污泥中存在有各种各样的沼气发酵微生物，种类达200～300种，它们是可利用的沼气发酵菌种的源泉。
（2）繁殖快，代谢强
在适宜条件下，微生物有很高的繁殖速度。产酸菌在生长旺盛时，20分钟或更短的时间内就可以繁殖一代，产甲烷菌繁殖速度较慢，约为产酸菌的1/15。微生物之所以能够出现这样高的繁殖速度，主要因为它们具有极大的表面积和体积比值，例如直径为1微米的球菌，其面积和体积的比值为6万，而人的这种比值却不到1。所以，它能够以极快的速度与外界环境发生物质交换，具有很强的代谢能力。
（3）适应性强，容易培养
与高等生物相比，多数微生物适应较强，并且容易培养。在自然条件下，成群体状态生长的微生物更是如此。例如，沼气池里的微生物（主要是厌氧和兼性厌氧两大菌群）在10～60℃条件下，都可以利用多种多样的复杂有机物进行沼气发酵。有时经过驯化培养后的微生物可以加快这种反应，从而更有效地达到生产能源和保护环境的目的。
二、沼气发酵工艺类型
（一）以投料方式划分
1．连续发酵工艺
沼气池发酵启动后，根据设计时预定的处理量，连续不断地或每天定量地加入新的发酵原料，同时排走相同数量的发酵料液，使发酵过程连续进行下去。发酵装置不发生意外情况或不检修时，均不进行大出料。采用这种发酵工艺，沼气池内料液的数量和质量基本保持稳定状态，因此产气量也很均衡。
这种工艺流程是先进的，但发酵装置结构和发酵系统比较复杂，造价也较昂贵，因而适用于大型的沼气发酵工程系统。如大型畜牧场粪污、城市污水和工厂废水净化处理，多采用连续发酵工艺。该工艺要求有充分的物料保证，否则就不能充分有效地发挥发酵装置的负荷能力，也不可能使发酵微生物逐渐完善和长期保存下来。因为连续发酵，不致因大换料等原因而造成沼气池利用率上的浪费，从而使原料消化能力和产气能力大大提高。
2．半连续发酵工艺
沼气发酵装置初始投料发酵启动一次性投入较多的原料（一般占整个发酵周期投料总固体量的1/4～1/2），经过一段时间，开始正常发酵产气，随后产气逐渐下降，此时就需要每天或定期加入新物料，以维持正常发酵产气，这种工艺就称为半连续沼气发酵。我国农村的沼气池大多属于此种类型。其中的“三结合”沼气池，就是将猪圈、厕所里的粪便随时流入沼气池，在粪便不足的情况下，可定期加入铡碎并堆沤后的作物质秸秆等纤维素原料，起到补充碳源的作用。这种工艺的优点是比较容易做到均衡产气和计划用气，能与农业生产用肥紧密结合，适宜处理粪便和秸秆等混合原料。
3．批量发酵工艺
发酵原料成批量地一次投入沼气池，待其发酵完后，将残留物全部取出，又成批地换上新料，开始第二个发酵周期，如此循环往复。农村小型沼气干发酵装置和处理城市垃圾的“卫生坑填法”均采用这种发酵工艺。这种工艺的优点是投料启动成功后，不再需要进行管理，简单省事，其缺点是产气分布不均衡，高峰期产气量高，其后产气量低，因此所产沼气适用性较差。
（二）以发酵温度划分
1．高温发酵工艺
高温发酵工艺指发酵料液温度维持50～60℃，实际控制温度多在53℃±2℃，该工艺的特点是微生物生长活跃，有机物分解速度快，产气率高，滞留时间短。采用高温发酵可以有效地杀灭各种致病菌和寄生虫卵，具有较好的卫生效果，从除害灭病和发酵剩余物肥料利用的角度看，选用高温发酵是较为实用的。但要维持消化器的高温运行，能量消耗较大。一般情况下，在有余热可利用的条件下，可采用高温发酵工艺，如处理经高温工艺流程排放的酒精废醪、柠檬酸废水和轻工食品废水等。
2．中温发酵工艺
中温发酵工艺指发酵料液温度维持在35℃±2℃，与高温发酵相比，这种工艺消化速度稍慢一些，产气率要低一些，但维持中温发酵的能耗较少，沼气发酵能总体维持在一个较高的水平，产气速度比较快，料液基本不结壳，可保证常年稳定运行。为减少维持发酵装置的能量消耗，工程中常采用近中温发酵工艺，其发酵料液温度为25～30℃。这种工艺因料液温度稳定，产气量也比较均衡。总之，与经济发展水平相配套，工程上采取增温保温措施是必要的。
3．常温发酵工艺
常温发酵工艺指在自然温度下进行沼气发酵，发酵温度受气温影响而变化，我国农村户用沼气池基本上采用这种工艺。其特点是发酵料液的温度随气温、地温的变化而变化，一般料液温度最高时为25℃，低于10℃以后，产气效果很差。其优点是不需要对发酵料液温度进行控制，节省保温和加热投资，沼气池本身不消耗热量；其缺点是同样投料条件下，一年四季产气率相差较大。南方农村沼气池在地下，还可以维持用气量。北方的沼气池则需建在太阳能暖圈或日光温室下，这样可确保沼气池安全越冬，维持正常产气。
（三）以发酵阶段划分
1．单相发酵工艺
将沼气发酵原料投入到一个装置中，使沼气发酵的产酸和甲烷阶段合二为一，在同一装置中自行调节完成。即“一锅煮”的形式。我国农村全混合沼气发酵装置，大多数采用这一工艺。
2．两相发酵工艺
两相发酵也称两步发酵，或两步厌氧消化。该工艺是根据沼气发酵三个阶段的理论，把原料的水解、产酸阶段和产甲烷阶段分别安排在两个不同的消化器中进行。水解、产酸池通常采用不密封的全混合式或塞流式发酵装置，产甲烷池则采用高效厌氧消化装置，如污泥床、厌氧过滤等。
从沼气微生物的生长和代谢规律以及对环境条件的要求等方面看，产酸细菌和产甲烷细菌有着很大差别。因而为它们创造各自需要的最佳繁殖条件和生活环境，促使其优势生长，迅速的繁殖，将消化器分开来，是非常合适的。这既有利于环境条件的控制和调整，也有利于人工驯化、培养优异的菌种，总体上便于进行优化设计。也就是说，两步发酵较之单相发酵工艺过程的气量、效率、反应速度、稳定性和可控性等方面都要优越，而且生成的沼气中的甲烷含量也比较高。从经济效益看，这种流程加快了挥发性固体的分解速度，缩短了发酵周期，从而也就降低了生成甲烷的成本和运转费用。
（四）按发酵级差划分
1．单级沼气发酵工艺
简单地说，就是产酸发酵和产甲烷发酵在同一个沼气发酵装置中进行，而不将发酵物再排入第二个沼气发酵装置中继续发酵（图3-1）。从充分提取生物质能量、杀灭虫卵和病菌的效果以及合理解决用气、用肥的矛盾等方面看，它是很不完善的，产气效率也比较低。但是这种工艺流程的装置结构比较简单，管理比较方便，因而修建和日常管理费用相对来说，比较低廉，是目前我国农村最常见的沼气发酵类型。
图3-1　发酵贮气一体化示意图
2．多级沼气发酵工艺
所谓多级发酵，就是由多个沼气发酵装置串联而成（图3-2）。一般第一级发酵装置主要是发酵产气，产气量可占总产气量的50%左右，而未被充分消化的物料进入第二级消化装置，使残余的有机物质继续彻底分解，这既有利于物料的充分利用和彻底处理废物中的BOD，也在一定程度上能够缓解用气和用肥的矛盾。如果能进一步深入研究双池结构的形式，降低其造价，提高发酵的运转效率和经济效果，对加速我国农村沼气建设的步伐是有现实意义的。从延长沼气池中发酵原料的滞留时间和滞留路程，提高产气率，促使有机物质的彻底分解角度出发，采用多级发酵是有效的。对于大型的两级发酵装置，第一级发酵装置安装有加热系统和搅拌装置，以利于产气量，而第二级发酵装置主要是彻底处理有机废物中的BOD，不需要搅拌和加温。但若采用大量纤维素物料发酵，为防止表面结壳，第二级发酵装置中仍需设备搅拌。
图3-2　串联式发酵塔
把多个发酵装置串联起来进行多级发酵，可以保证原料在装置中的有效停留时间，但是总的容积与单级发酵装置相同时，多级装置占地面积较大，装置成本较高。另外，由于第一级池较单级池水力滞留期短，其新料所占比例较大，承受冲击负荷的能力较差。如果第一级发酵装置失效，有可能引起整个的发酵失效。
（五）按发酵浓度划分
1．液体发酵工艺
发酵料液的干物质深度控制在10%以下，在发酵启动时，加入大量的水。出料时，发酵液如用作肥料，无论是运输、贮存或施用都不方便。对于旱地区，由于水源不足，进行液体发酵也感到困难。
2．干发酵工艺
干发酵又称固体发酵（图3-3），发酵原料的总固体浓度控制在20%以上，干发酵用水量少，其方法与我国农村沤制堆肥基本相同。此方法可一举两得，既沤了肥，又生产了沼气。干发酵工艺由于出料困难，不适合户用沼气采用。
图3-3　干式发酵塔
（六）以料液流动方式划分
1．无搅拌且料液分层的发酵工艺
当沼气池未设置搅拌装置时，无论发酵原料为非匀质的（草粪混合物）或匀质的（粪），只要其固形物含量较高，在发酵过程中料液会出现分层现象（上层为浮渣层，中层为清液层，中下层为活性层，下层为沉渣层）。这种发酵工艺，因沼气微生物不能与浮渣层原料充分接触，上层原料难以发酵，下层常常又占有越来越多的有效容积，因此原料产气率和池容产气率均较低，并且必须采用大换料的方法排除浮渣和沉淀。
2．全混合式发酵工艺
由于采用了混合措施或装置，池内料液处于完全均匀或基本均匀状态，因此微生物能和原料充分接触，整个投料容积都是有效的。它具有消化速度快、容积负荷率和体积产气率高的优点。处理禽畜粪便和城市浮泥的大型沼气池属于这种类型。
3．塞流式发酵工艺
采用这种工艺的料液，在沼气池内无纵向混合，发酵后的料液借助于新鲜料液的推动作用而排走。这种工艺能较好地保证原料在沼气池内的滞留时间，在实际运行过程中，完全无纵向混合的理想塞流方式是没有的。许多大中型畜禽粪污沼气工程采用这种发酵工艺。
沼气发酵工艺除有以上划分标准外，还有一些其他的划分标准。例如，把“塞流式”和“全混合式”结合起来的工艺，即“混合——塞流式”；以微生物在沼气池中的生长方式区分的工艺，如“悬浮生长系统”发酵工艺，“附着生长系统”发酵工艺。需要注意的是，上述发酵工艺是按照发酵过程中某一条件特点进行分类的，而实践中应用的发酵工艺所涉及的发酵条件较多，上述工艺类型一般不能完全概括。因此，在确定实际的发酵工艺属于什么类型时，应具体分析。比如，我国农村大多数户用沼气池的发酵工艺，从温度来看，是常温发酵工艺；从投料方式来看，是半连续投料工艺；从料液流动方式看，是料液分层状态工艺；按原料的生化变化过程看，是单相发酵工艺，因此其发酵工艺属于常温、半连续投料、分层、单相发酵工艺。
第二节　沼气发酵的影响因素
一、沼气厌氧发酵影响因素
1．严格的厌氧环境
参与厌氧消化的核心菌群——产甲烷菌是专性厌氧菌，它们在生长、发育、繁殖、代谢等生命活动中都需要严格隔绝氧气。
2．原料的碳氮比
在其他条件都具备的情况下，适宜的碳氮比可以使厌氧消化在合适的速度下进行。
3．发酵温度
温度对甲烷菌活性有很大的影响，并最终影响甲烷产量。
4．酸碱度
产甲烷菌对pH的要求非常严格，pH的微小波动有可能导致微生物代谢活动的终止。
5．酶浓度
微生物分泌的酶是一类具有特殊催化能力的蛋白质，它具有引起和加速底物分解的能力，对有机物的分解转化过程起着至关重要的作用。酶浓度越高，反应进行得越快。
6．底物浓度
当其他条件恒定时，底物浓度很低时反应初速度与底物浓度成正比，当底物浓度达到一定限度，随浓度提高，反应速度不再增加，此时的底物浓度为该底物的饱和常数。
二、沼气工程运行调控
1．氧化还原电位（Eh）
氧化还原电位是水质中一个重要指标，它虽然不能独立反应水质的好坏，但是能够综合其他水质指标来反应水族系统中的生态环境。
在水中，每一种物质都有其独自的氧化还原特性。我们可以理解为：在微观上，每一种不同的物质都有一定的氧化—还原能力，这些氧化还原性不同的物质能够相互影响，最终构成了一定的宏观氧化还原性。所谓的氧化还原电位就是用来反应水溶液中所有物质反映出来的宏观氧化—还原性。氧化还原电位越高，氧化性越强；氧化还原电位越低，氧化性越弱。电位为正表示溶液显示出一定的氧化性，为负则说明溶液显示出还原性。
沼气工程发酵体系中的氧化还原电位（Eh）比溶解氧浓度能更全面地反映发酵液所处的厌氧状态。在中温厌氧消化时，Eh应为-380～300毫伏，高温厌氧消化时，Eh应为-600～500毫伏。因此，沼气工程的消化反应装置必须是严格密闭的。
2．配料启动
在沼气发酵中，要获得较高的装置产气率和原料转化率，必须有质优量足的沼气微生物和碳氮比适宜的发酵原料。
沼气发酵的前提条件是要接入含有发酵微生物的接种物。当接种量少时，厌氧消化起始时间延长，产甲烷的速度变慢，而且有可能造成酸的积累，从而使沼气厌氧消化失败。
从营养学和代谢作用角度看，沼气发酵微生物消耗碳的速度比消耗氮的速度要快25～30倍。因此，在其他条件都具备的情况下，原料碳氮比例配成25～30∶1可以使沼气发酵在合适的速度下进行。各种有机物质所含碳素和氮素的量有很大差异。农作物秸秆含碳多，含氮少，碳氮比值大。相反，粪尿等含氮多，含碳少，碳氮比值小，为氮有机物。配料启动或发酵过程中进料时，要根据原料种类调控。
工程实践中，沼气发酵启动时，接种物∶原料∶水以1∶2∶5的比例配料，其中，接种物一般需要添加10%以上。启动原料采用适宜碳氮比的纯净牛粪、马粪、羊粪，或者一半猪粪搭配一半牛马粪。启动原料进入发酵装置前，应在含水率60%～70%的条件下堆沤3～6天，并加盖塑料薄膜封闭，以聚集热量和富集菌种。
3．负荷调控
沼气工程的负荷常用容积有机负荷表示，即单位体积沼气装置每天所承受的有机物的数量，通常以COD 千克/（米3·天）为单位。沼气工程的负荷通常用发酵原料浓度来体现，适宜的干物质浓度有利于沼气微生物吸收养分、排泄废物和生存繁殖。适宜的干物质（TS）浓度为4%～10%。干物质浓度随温度的变化而变化，一般夏季为6%左右，冬季为8%～10% 。冲洗污水量较大的养殖场沼气工程，宜对粪便及其污水采用清、浊分流处理，采用两套沼气生产系统：高浓度（TS 6%～10%），中温厌氧消化；低浓度（1%～2%），常温厌氧消化。
4．温度调控
研究发现，在10℃～60℃，沼气均能正常发酵产气。在这一温度范围内，一般温度愈高，微生物活动愈旺盛，产气量愈高。发酵温度低于10℃，微生物休眠，产气很少，达不到使用的目的。厌氧消化过程中，通常在两个温度下甲烷菌活性较高，即中温37℃和高温55℃，在这两个温度下易于获得高甲烷产量。
沼气工程运行中，可以采用太阳能、工厂余热或沼液回流来调节发酵原料的厌氧消化温度。调节过程中要注意，温度不能调得太高，温度越高产杂质气体也越多，在一定程度上抑制了厌氧微生物的代谢生长，进而影响沼气和甲烷的生产，同时热能损耗越大，发酵产能经济性也降低。因此，温度调节时要兼顾消化效率和产能效益。
5．酸碱度调控
厌氧消化的酸碱度在pH 6～8都可产气，其最适pH为6.8～7.4。过酸过碱的料液都会影响产气，pH 6.4以下或7.6以上都对产气有抑制作用。pH在5.5以下，产甲烷菌的活动则完全受到抑制。
在沼气工程启动和运行过程中，影响pH变化的因素主要有3点：①发酵原料中含有大量有机酸，如果在短时间内大量投入这类原料，就会引起发酵装置内pH的下降；②进料中混入大量强酸或强碱；③发酵装置启动时投料浓度过高，接种物中的产甲烷菌数量又不足时，以及在发酵装置运行阶段突然升高负荷，使产酸与产甲烷的速度失调而引起挥发酸的积累。
沼气工程在正常的启动或运行过程中，一旦发生酸化现象应立即停止进料，分情况进行调节。①如果酸化程度不大，靠发酵装置内的甲烷菌逐渐分解积累的有机酸使pH逐渐恢复正常；②如pH在6.0以上，可适当投入石灰水、Na2CO3溶液或NH4HCO3溶液加以中和；③如果pH在6.0以下，则应在调整pH的同时，大量投入接种污泥，以加快pH的恢复。
6．强化搅拌
搅拌可以加大微生物与发酵料液的接触面积。除此之外，经常搅拌沼气发酵装置内的发酵原料，不仅可以使沼气微生物的生活环境不断更新，实现发酵罐中的物料、微生物以及温度的均匀化，还可以打破上层结壳，使中、下层所产生的附着在发酵原料上的沼气，由小气泡聚积成大气泡，并上升到气箱内。
工程实践中，常用的搅拌方法有3种：①机械搅拌，在反应器上安装机械搅拌器；②沼气回流搅拌，将沼气抽出来然后又从池底部冲进去，产生较强的气体回流达到搅拌目的；③发酵液回流搅拌，将发酵液抽出然后从底部冲入沼气池内，产生较强的液体回流，从而实现搅拌。
7．吐故纳新
在沼气工程运行中，建立与沼气发酵微生物数量及活性相适应的新陈代谢机制是维持沼气工程持续产气和应用的重要前提。沼气工程一旦启动，加入沼气发酵装置的发酵原料，经过沼气发酵微生物的分解利用，逐渐地被消耗或转化。如果不及时补充新鲜原料，沼气微生物就会“吃不饱”、“吃不好”，产气量就会下降。为了保证沼气微生物有充足的“食物”，并进行正常的新陈代谢，使产气正常而持久，就要连续不断地补充新鲜原料。
第三节　沼气发酵自动化技术
一、厌氧发酵的自动化控制模型
图3-4为沼气发酵的物联网监控模型，该模型首先负责收集厌氧池中的酸碱度传感器、温湿度传感器、液体浓度传感器等感知信息。无线装置将这些感知信息发送到后台管理中心，后台管理中心负责计算及控制。
图3-4　沼气发酵物联网监控模型
二、自动化控制厌氧发酵的酸碱度
1．校准
必须在使用前对传感器进行校准，这是对发酵罐进行灭菌的最后一步操作。传感器的校准在发酵罐外进行，将pH电极浸没到含一种或多种标准缓冲液的适当容器中进行校准。这些操作最好均在发酵罐运行温度下进行。pH电极需与发酵过程中使用的pH计相连接，pH计的校准装置可按常规的pH计校准步骤来调整。由于发酵过程中重新校准的时分困难或者不可能，最好能固定pH计的校准控制，以避免实验中的偶发性偏移，许多商业性的仪表都提供一些固定螺丝。
2．灭菌
校准以后，应该将传感器插入到发酵罐中并进行密封。在发酵罐灭菌时，一般将pH计的连接物移开（采用高压灭菌锅灭菌时），灭菌后重新连接，pH传感器开始工作。也有实验操作人员用酒精对pH传感器单独消毒（即不放入灭菌锅），主要是为了延长传感器的使用寿命。然后需将传感器立即插入且密封在罐内。必须指出，这一过程可能染菌。尽管有些报道称在研究中规则地使用这一步骤没有问题。具体方法如下：放好传感器，加上一个合适的配件以使pH探头易于由发酵罐顶盘进行安装，然后将其在无水酒精中至少放置1小时。探头和配件必须是很干净的，探头的浸没位置应高于配件。最后，应迅速地将传感器转移到预先灭好菌的发酵罐中，其已与空气供应系统相连，而且其中的空气已开始流动。
3．校准的检查
在灭菌或使用过程中，很可能会使校准发生偏移。对于状况良好的传感器，这种偏移不会超过0.2个单位。但一些研究人员仍建议在发酵罐灭菌以后进行校准或者再校准。目前已有适用于较大发酵罐的这种系统，可以完全无菌地取出传感器，再将其部分地插入校准缓冲液中进行校准。在实验室规模下，有必要将传感器完全移出，利用前述的化学处理方法来进行再消毒。在实验室中检查一个可疑校准的较好方法是对发酵液进行无菌取样，在发酵罐外测量其pH尽快进行检测、读数。因为细胞在不断变化的条件下（例如在连续培养中氧和基质的消耗）进行连续代谢，如果培养基的缓冲性能较差，pH在几分钟内即可发生显著变化，从而无法正确检查传感器的校准。
三、液体浓度检测
厌氧中的液体浓度检测可以使用污泥浓度计进行检测，污泥浓度计是为测量市政污水或工业废水处理过程中悬浮物浓度而设计的在线分析仪表（图3-6）。无论是评估活性污泥和整个生物处理过程、分析净化处理后排放的废水，还是检测不同阶段的污泥浓度，污泥浓度计都能给出连续、准确的测量结果。污泥浓度计由变送器和传感器组成。传感器可以方便地安装在池内、排水管、压力管道或自然水体中，污泥浓度计能自动补偿因污染而引起的干扰。
图3-6　污泥浓度检测器
其测量原理（图3-7）为：传感器上发射器发送的红外光在传输过程中经过被测物的吸收、反射和散射后仅有一小部分光线能照射到检测器上，透射光的透射率与被测污水的浓度有一定的关系，因此通过测量透射光的透射率就可以计算出污水的浓度。
图3-7　污泥浓度检测器测量原理
四光束技术利用两个发射器和两个检测器，每个发射器发送的光线经过透射后照射到两个检测器上，这样就产生一系列的光路，得到一个数据矩阵，然后通过分析这些数据信号，即可得到介质中悬浮物的准确浓度，并能有效消除干扰，补偿因污染产生的偏差，使仪器能在较恶劣的环境中工作。
这里采用浸入式安装方式（图3-8），该方法是指把传感器通过安装支架浸入池中或罐中的安装方式，适合于曝气池、沉淀池、浓缩池、回流渠等场合。
图3-8　浸入式安装示意图
浸入式安装时，传感器一定要安装在安装支架上，不可以用传感器的电缆将传感器悬挂在水中。传感器应浸没至水面下不小于30厘米的深度，或者浸没至取样时通常到达的深度，并避免阳光直射。
四、厌氧池的温度检测与控制
1．自动补水
采用电磁阀根据水箱的水位进行控制补水，以保证用水量，具体的水量使用液位传感器检测。
2．集热温差循环
白天在阳光下，集热器吸收热量，系统自动控制循环泵将集热器吸收的热量传递到贮水箱内贮存起来。
3．阀门控制
夏季换热器回路的阀门打开，锅炉回路的阀门关闭，贮水箱内的热水进入换热器循环。冬季锅炉回路的阀门打开，换热器回路的阀门关闭，贮水箱内的热水进入锅炉。
4．放水控制
锅炉启动时，系统将贮水箱内的水打入锅炉，锅炉停止运行时停止供水。
5．防冻循环
防止冬季室外管道冻堵。
6．水箱设计
为了能缩短加热时间和提高效率，此处设计水箱为5吨。
五、厌氧池中氧含量检测
厌氧池中的含氧量必须严格控制，故需要一个感知厌氧池中的含氧量的传感器（图3-11）。这里使用荧光法溶解氧传感器，该传感器主要用于污水处理厂内各工艺点的监测：包括调节池、曝气池、好氧／厌氧消解池和对出水的监测等。地表水监测可以有效地检测水中的含氧量，准确率可以达到99%，响应时间低于30秒，不受硫化氢、重金属、油和其他水中化学物质的污染。
图3-11　感知含氧量传感器示意图
其工作原理（图3-12）：测量探头最前端的传感器罩上覆盖有一层荧光物质，LED光源发出的蓝光照射到荧光物质上，荧光物质被激发，并发出红光；一个光电池检测荧光物质从发射红光到回到基态所需要的时间只和蓝光的发射时间以及氧气的多少有关，探头另有一个LED光源，在蓝光发射的同时发射红光，作为蓝光发射时间的参考。传感器周围的氧气越多，荧光物质发射红光的时间就越短。因此，计算出溶解氧的浓度。
图3-12　荧光法溶解氧传感器原理图
第四章　沼气贮存自动化检测技术
第一节　沼气的净化与贮存
一、沼气的净化
（一）沼气中H2S的去除
1．干法脱硫
（1）活性炭法
活性炭与其他吸附剂（如分子筛）相比所具有的优点是发达的比表面、微孔结构、热稳定性，能选择性地脱除液相或气相中某些化学物质，该方法具有较高的吸附容量且价格低廉。它在常温下具有加速H2S氧化为硫的催化作用并使之被吸附。吸附在活性炭上的硫，可用质量分数为12%～14%的硫化铵溶液萃取活性炭上的游离硫而得到回收。
活性炭法适用于H2S含量小于0.3%的沼气的脱硫要求，故可以考虑使用活性炭法来净化大中型沼气工程的沼气。据有关在天然气中的脱硫化氢试验研究表明，其脱硫率可达99%以上，净化后气体的H2S含量小于10×10-6克／米3。其优点在于简单的操作便可以得到纯净度高的硫，如果选择合适的活性炭，还可以除去有机硫化物。H2S与活性炭的反应快（活性炭吸附H2S的速度比氢氧化铁的快）、接触时间短、处理气量大。
（2）膜分离法
20世纪70年代开始，世界上许多国家对膜分离技术用于气体分离进行了工业试验。该方法方便灵活，能够适应各种操作条件变化，处理费用相对较低，因此，膜分离法用于分离大量的H2S及CO2，具有很大潜力，而且对环境影响小。尽管膜分离法有其内在的优点，但至今尚未在工业上广泛应用，主要原因是复杂的制膜工艺使得膜系统造价昂贵。此外，在工业条件下，分离膜的性能也不够稳定。
（3）氧化铁吸收法
氧化铁吸收法是将Fe2O3屑（或粉）和木屑混合制成脱硫剂，以湿态（含水40%左右）填充于脱硫装置内。Fe2O3脱硫剂为条状多孔结构固体，对H2S能进行快速地不可逆化学吸附，数秒内可将H2S脱除到1毫升／米3以下。
采用氧化铁法脱硫时，沼气中的硫化氢在固体氧化铁的表面进行化学反应，沼气在脱硫器内的流速越小，接触时间越长，反应进行得越充分，脱硫效果也就越好。脱硫剂工作一定时间后，其活性会逐渐下降，脱硫效果逐渐变差。一般情况下，当脱硫装置出口沼气中H2S的含量超过20毫克／米3时，就需要对脱硫剂进行处理；当脱硫剂中硫未达到30%时，脱硫剂可进行再生，将失去活性的脱硫剂与空气接触，把硫化铁氧化析出硫黄，即可使失效的脱硫剂再生；当脱硫剂中的硫化铁质量分数达到30%以上时，脱硫效果明显变差，脱硫剂不能继续使用，就要更换新脱硫剂。
氧化铁法的优点是Fe3＋具有相当高的氧化还原电位，能够将S2-转化为单质硫，又不能将单质硫进一步氧化为硫酸盐；在硫化氢的吸收过程中所生成的单质硫颗粒对整个吸收过程具有催化作用；此外氧化铁资源丰富，价廉易得，是目前使用最多的沼气脱硫方法。但其缺点是脱硫剂的吸收与再生需交替进行，从而增加了劳动强度，影响了设备运行的连续性。
（4）氧化锌吸收法
将上述的氧化铁脱硫剂改用氧化锌作为脱硫剂，就形成了氧化锌法沼气脱硫净化法。氧化锌还具有部分转化吸收的功能，能将CO2、CS2等有机硫部分转化成硫化氢而吸收脱除。由于生成的ZnS难离解，且脱硫精度高，脱硫后的气体含硫量在0.1×10-6毫克／米3以下。所以一直应用于精脱硫过程。氧化锌法沼气脱硫净化技术与氧化铁法相比，其脱硫效率极高，吸附H2S的速度快。氧化锌脱硫能力随温度增加而增加，但脱除H2S在较低温度下（200℃）即可进行，从而节约了能耗成本。该方法适合于处理H2S浓度较低的气体，脱硫效率高，据其在工业煤气脱硫净化中的试验研究表明，其脱硫率可达99%。
但氧化锌法脱硫后一般不能用简单的办法来恢复脱硫能力，而且目前氧化锌在常温下硫容低，且价格昂贵。
（5）铁锰锌复合氧化物吸收法
铁锰锌复合氧化物是一种新型催化剂，可称MF.1型脱硫剂，用于大型氨厂和甲醇厂的原料脱硫。这种催化剂以含铁、锰、锌等氧化物为主要活性组分，添加少量助催化剂及润滑剂等加工成型。
铁锰锌复合氧化物脱硫法的优点如下：①脱硫费用省，它的操作费用比通用的一些方法都省；②效果好，脱硫精度高可将天然气中总脱硫至0.5×10-6毫克／米3以下；③设备简单，运行稳定，操作弹性大；④压力降小，即使入口天然气的总压低至1千克／厘米2（表压），也不致引起减产停车；⑤脱硫原理为热化学反应，在脱硫过程中，气体中的活性组分反应生成稳定地金属硫化物，对环境无二次污染。
2．湿法脱硫
（1）碳酸钠吸收法
该方法采用碳酸钠溶液吸收酸性气体，由于弱酸性的缓冲作用，pH不会很快发生变化，保证了系统的操作稳定性。此外，碳酸钠溶液吸收H2S比吸收CO2快，由于在沼气中这两种酸性气体同时存在，可以部分地选择吸收H2S。该法通常用于从气体中脱除大量CO2，也可以用来脱除含CO2和硫化氢的天然气及沼气中的酸性气体，净化气中硫化氢质量浓度下降到20毫克／米3。
该方法的主要优点是设备简单、经济。主要缺点是一部分碳酸钠变成了重碳酸钠而使吸收效率降低，一部分变成硫酸盐而被消耗，因而需要及时补充碳酸钠，从而增加人力成本；实际运行中碳酸钠溶液的吸收受到流速、流量、温度等因素的影响，H2S的溶解度很可能达不到100%。此外，脱硫时易形成NaHS而非Na2S，NaHS再生时会与O2反应生成硫酸盐和硫代硫酸盐，有害物质在吸收液中富集，并使溶液的吸收能力降低，从而需不定期地排除脱硫循环液，浪费了大量的原辅材料也可能带来二次环境污染。
（2）氨水吸收法
采用碱性的氨水吸收沼气中的硫化氢，第一阶段是物理溶解过程，气体中硫化氢溶解于氨水；第二阶段是化学吸收过程，溶解的硫化氢和氢氧化铵起中和反应。再生方法是往含硫氢化铵的溶液中吹入空气，以产生吸收反应的逆过程，使硫化氢气体解析出来。解析后的氢氧化铵溶液经补充新鲜氨水后，继续用于吸收；再生时产生的硫化氢必须进行二次加工，避免造成环境污染。如采用氨水液相催化脱硫，借助溶液对苯二酚的氧化作用，使硫化氢氧化成元素硫而被分离，同时溶液获得再生。
该方法的缺点是生成的硫颗粒由于比较细，不易过滤回收，对填料和器壁附着力强，塔内易形成硫堵影响生产。此外，氨水吸收法采用氨水作吸收剂，对设备腐蚀较大，且污染环境。
（3）萘醌氧化—空气再生法脱硫法
有研究表明，某些醌系物具有将硫化氢转化为单质硫的能力，因为它们具有合适的氧化还原电位，但由于各自特殊的物理性质和化学性质，并不是所有醌系物都适合于工程的应用。另外，在沼气中含有浓度较高的二氧化碳，副反应的发生也使得这些物质的应用受到了一定程度的限制。萘醌作为醌系物中的一种物质，具有足够高的氧化还原电位，溶于水，常温下不升华，不挥发，而且在作为氧化剂氧化硫化氢的过程中不受二氧化碳的影响。
萘醌脱硫效率很高且不受温度的影响，在常温条件下就可以接近100%完成。另外，该方法还适用于气态硫化氢向单质硫的转化过程，因此可以广泛应用于化工厂、炼油厂及污水的厌氧处理设施的脱硫过程。但采用萘醌脱硫时需注意的是随着单质硫的分离会有部分萘醌的流失，为了维持吸收剂的平衡需要向系统中不断补充吸收剂。因为萘醌的价格比较贵，所以萘醌法脱硫并没有得到广泛应用。
（二）沼气中CO2的去除
1．物理吸收法
（1）水洗法
水洗法是利用CO2和H2S在水中溶解度与甲烷的差异，通过物理吸收过程，实现CO2和H2S与甲烷的分离。通常沼气经压缩后从吸收柱底部进入，水从顶部进入进行反相流动吸收。为提高CO2在水中的溶解度，水洗工艺一般采用较高压力，吸收了CO2和H2S的水可以再生循环使用，可以在吸收柱中通过减压或者用空气吹脱再生，增加了运行成本。吸收过程需要大量纯化工业用水，产生的废水需进行回收处理，净化后气体也需干燥处理，设备比较复杂。此外，当水中的H2S浓度比较高的时候，一般不推荐使用空气吹脱，因为水很快又会被硫污染。如果有废水可以利用，不推荐对水进行再生。
（2）聚乙二醇洗涤法
聚乙二醇洗涤和水洗一样也是一个物理吸收过程。现多采用一种商品名为Selexol的溶剂，主要成分为二甲基聚乙烯乙二醇（D米 PEG）。和在水中一样，CO2和H2S在Selexol中的溶解度比甲烷大，不同之处是CO2和H2S在Selexol中溶解度比水中大，这样所需Selexol的量也会减少，更加经济和节能。另外，水和卤代烃（填埋场沼气中的成分）也可以用Selexol洗涤去除。可以再生重复使用可以使用水蒸气或者惰性气体（净化后的沼气和天然气）吹脱Selexol中的元素硫，但是不推荐使用空气。
（3）膜分离法
气体膜分离技术的基本原理是根据混合气体中各组分在压力的推动下透过膜的传递速率不同，从而达到分离的目的。膜法分离主要有两种方法：一种是膜的两边都是气相的高压气体分离；另一种是通过液体吸收扩散穿过膜的分子的低压气相—液相吸收分离。
① 高压气相分离法。将压缩到3.6×106帕的沼气首先通过活性炭床以去除卤代烃和H2S，接着通入滤床和加热器。膜是由醋酸纤维素制成，可以用来分离像CO2，水蒸气和残留的H2S等极性分子，它有一定的选择性，即在不同的区域吸收H2S和CO2，但不能分离甲烷中的N2。
经验表明，膜可以持续使用三年，在使用一年半后，因为萎缩的缘故，膜的渗透性会减少30%。
② 气相—液相吸收膜分离法。气相—液相吸收膜工艺最近才被用在沼气净化上，其实质是沼气中的H2S和CO2分子穿过一个多孔的疏水膜在液相中被吸收去除，从吸收膜下方进入的气体，其中的H2S和CO2分子能够扩散穿过膜，然后被相反方向流过的液体吸收，吸收膜在一个标准大气压下工作。在25～35℃，可以非常有效地把沼气中的H2S浓度从2%减少到小于250毫升／米3，液相的吸收剂可以用NaOH溶液。
由于气体分离效率多受膜材料、气体组成、压差、分离系数以及温度等多种因素的影响，且对原料气的清洁度有一定要求，膜组件价格昂贵，膜分离法中使用的膜需要经常更换，运行成本较高。因此，气体膜分离法一般不单独使用，常和溶剂吸收、变压吸附、深冷分离、渗透蒸发等工艺联合使用。
2．化学吸收法
（1）热钾碱吸收法
热钾碱法是有效去除二氧化碳的方法，特别适合低含量或不含H2S的气体（沼气），其原理为利用少量有机物或大量无机物作为热碳酸钾法的活化剂，以去除二氧化碳。包括二氧化碳的吸收过程和溶剂的再生反应过程。由于两个反应过程互为可逆反应，所以其吸收效率相对较低。若要提高其吸收效率则需要加大容器的体积，而且经气水分离出的CO2气体可能含有极微量对人体有害的砷化物，因此必须加以清除。清除的方法是利用KMnO4、Na2CO3、分子筛、活性炭等化学或物理吸附去除。通过以上分析，采用热钾碱吸收法时要增加一个过滤程序将该吸收方法产生的有害物质脱除。
热钾碱法的缺点是气体不仅被加湿，而且还被加热，这可能引起相当大的热量浪费，特别是下游气体要冷却以分离NGL或LPG，且热钾碱也不是很活泼。因此，当产品要求的CO2浓度低时就需要采用两级吸收法以达到要求。热钾碱法最适合于从高浓度的原料气中大量脱除CO2，另一个好处是吸收剂成本相对低。
（2）石灰水溶液吸收法
石灰水溶液吸收法脱除沼气中的二氧化碳，主要利用二氧化碳与氢氧化钙水溶液生成碳酸钙沉淀，从而去除沼气中的二氧化碳。这种工艺的特点是成本较低，相对来说石灰的成本也较低。所以，脱除二氧化碳的原料获取方便，成本低。净化产物是碳酸钙和水，没有造成二次污染。所以，采用石灰水溶液脱除沼气中的二氧化碳是一种较为经济和有前途的方法。
（3）氨水法吸收
氨水法既可以除掉CO2，又可以除掉H2S。具体内容可见前文，其主要缺点是脱硫过程要在加压装置下完成，这就增加了运行成本。
（4）有机胺吸收法
最普遍的溶剂是胺基溶剂，许多化合物都利用它来脱除酸性气体，如一乙醇胺（米EA）、二乙醇胺（DEA）、三乙醇胺（TEA）和二异丙醇胺（DIPA），它们活性强而不仅限于CO2脱除。这些胺类溶剂也适合脱除其他酸性种类，如H2S。目前主要溶剂是甲基二乙醇胺（米EDA），如果其他杂质需要脱除，可以由更具活性的二胺激活。采用米EDA的其他优点是降低了再生负荷，降低了腐蚀性和提高了抗降解性。低的胺类蒸汽压可以使其在较高的浓度下操作，因而提高了富胺的负荷。其他具有位阻效应的胺有二甘醇胺和二异丙醇胺。从再生能耗和溶剂受原料气杂质影响的敏感性上去判断以甲基二乙醇胺（米DEA）为基础的工艺具有胺类溶剂的低挥发度和可利用中间闪蒸减少再生负荷的优点，此外，CO2通过胺溶液作液相去除后，胺溶液可以通过加热再生，释放处纯净的CO2可作工业应用。其缺点是当原料气被吸收塔里产生的流态或胶体的重烃污染时，化学溶剂吸收工艺容易产生发泡问题。
3．变压吸附（PSA）法
变压吸附法（简称PSA）是近年来兴起的基于吸附单元操作发展起来的气体分离循环过程的新工艺，用于混合气中某种气体的分离与精制。吸附的工艺原理是利用吸附剂对不同气体的吸附力不同，不同气体在吸附剂上的吸附能力差异、扩散速率的不同（如N2、O2分离）或气体分子大小不同来实现选择性吸附气体混合物中的某种组分，使之与其他气体得到分离。同时，组分的吸附量受温度、压力影响，当温度升高时吸附量减小，温度降低时吸附量增加，而当压力升高时吸附量增加，压力降低时吸附量减少。
变压吸附法沼气提纯系统是利用脱碳吸附剂将沼气中的CH4、CO2以及N2等气体进行分离，从而达到提纯CH4的目的。因气体中某些微量组分如硫化物、氨化物、烃类氯化物在吸附剂上的吸附力都比CO2强，所以对气体的来源要求非常严格。比如要求待分离混合气体含尘质量浓度低于5毫克／米3，CO2的体积分数高，约为25%以上，所以变压吸附法能耗高，成本价格偏高，设备较复杂，一般要求选择合适的吸附剂，而且需要多台吸附器并联使用，以保证整个过程的连续性，并多在高压或低压下操作对设备要求高。但其具有耐磨性能好，一般可以使用10年以上。
（三）沼气中H2O的去除
1．冷分离法
冷分离法是利用压力能变化引起温度变化，使蒸汽从气相中冷凝的方法。常用的有2种流程方法：①节流膨胀冷却脱水法。该法一般用于高压燃气，经过节流膨胀或低温冷凝分离，使部分水冷凝下来。这种方法简单、经济但除水效果欠佳。②加压后冷却法。该法对于高、中温沼气为脱除部分蒸汽可进行初步冷却。冷却方式有3种，即管式间接冷却、填料塔式直接冷却和间—直接混合冷却。对于上述装置需要冷却源和热交换器。为了满足不同脱硫剂合理量的要求，对高、中温沼气需要考虑适当冷却降温，脱除沼气中的部分蒸汽。为了避免沼气在管道输送过程中所析出的凝结水对金属管路的腐蚀或堵塞阀门，常采用在管路的最低处安装凝水器的方法，并将沼气中冷凝下来的蒸汽聚积起来定期排除，以使其后的沼气内所含水分减少。
2．液体溶剂吸收法
液体溶剂吸收法是沼气经过吸水性极强的溶液，使水分得以分离。属于这类方法的脱水剂有氯化钙、氯化锂及甘醇类。氯化钙价格低廉，损失少，但与油类相遇时会乳化，溶液能产生电解腐蚀；与H2S接触又会发生沉淀，为此，目前该法已逐渐淘汰。氯化锂溶液吸水能力强，腐蚀性较小，不易加水分解，明显优于氯化钙，但价格昂贵。甘醇类脱水剂比其他类型脱水剂性能要优越得多，二甘醇和三甘醇吸水性能都较强，因此，三甘醇使用最多，但该方法的主要缺点是初期投资较高。
3．固体物理吸收法
固体物理吸收法根据表面力的性质分为化学吸附（脱水后不能再生）和物理吸附（脱水后可再生）法。能用于沼气脱水的有硅胶、氧化镁、活性氧化铝、分子筛以及复式固定干燥剂，后者综合了多种干燥剂的优点。与溶液脱水比较，固体吸附脱水性能远远超过前者，能获得露点极低的燃气；对燃气温度、压力、流量变化不敏感；设备简单，便于操作；较少出现腐蚀及起泡等现象。通常使用两套装置，当一个工作的时候，另外一个可以再生。干燥剂的再生可以通过两种途：一种是可以用一部分（3%～8%）的高压干燥气体再生干燥剂，这部分气体可以重新回流至压缩机入口；另外一种是在常压下，用空气和真空泵来再生干燥剂，此法会把空气混入沼气中，一般不会用。此外，物理吸附法中的干燥剂的吸附和再生要交替进行，影响了其连续性操作。
二、沼气的存储设备
经过净化后的沼气，需要进行存储。沼气贮气装置在整个沼气工程中占有举足轻重的作用，按照工作压力可分为高压贮气装置和低压贮气装置，低压贮气装置又可分为低压湿式贮气装置和低压干式贮气装置。早期的沼气工程多采用高压贮气罐或低压湿式贮气柜，也有采用干式贮气柜或贮气袋贮存的。然而，高压贮气柜对罐体的材质和密封性能要求较高，成本较高；湿式贮气柜的使用过程中会产生一定量的污水，且在北方冬季易结冰不能正常使用，因而目前沼气工程多采用低压干式贮气装置。随着膜材料生产技术水平的提高及生产成本的下降，低压贮气膜柜被越来越多的应用于沼气工程中。
沼气贮气装置有分体式贮气装置和一体式贮气装置。传统的沼气贮存装置通常为分体式沼气贮存装置，具有独立的沼气贮气膜柜，贮气膜柜有3/4球形和卧式圆筒形等形式。一体化贮气装置的上方为贮气膜柜部分，常用形式为圆锥形或球冠形（图4-1至图4-5）。
图4-1　贮气袋
图4-2　半地下式贮气柜
图4-3　地上式贮气柜
图4-4　湿式贮气柜
图4-5　3/4球形一体化贮气柜
三、膜式沼气贮气柜
（一）膜式沼气贮气柜基本组成
1．沼气贮气柜主体材料
高强聚酯织物，沼气专用型膜材，一般分内膜和外膜，也可订制成单膜系统。
2．进出气系统
制式管道。
3．增压气泵
按要求订制。
4．观察窗
制式不锈钢。
5．探测系统
容量、温度、沼气浓度等均可探测。
6．显示系统
按要求订制。
7．自动控制系统
按要求自制。
8．报警系统
按要求订制。
9．安全
物理安全水封、电子安全泄压。
10．功能柜
各类金属材料。
11．各类管线、阀门、密封件
按要求配置。
（二）膜式沼气贮气柜相比于传统沼气贮气柜的优点
1．沼气100%可利用
膜式沼气贮气柜内部的沼气可被全部挤出；传统贮气柜一般难以完成。
2．膜式沼气贮气柜重量轻
其重量是传统沼气柜的几十分之一，这对其制作、运输、安装和基础，都大大节省了建造的时间和材料成本。
3．免维护的时间长
由于膜式沼气贮气柜膜体是用极耐腐蚀的特质材料制成，寿命在沼气环境下可达15年以上，而其材料的拼接采用热熔式等材料等强度焊接，所以在使用膜式沼气贮气柜时，其膜体是无需定期维护的。
4．安装省时省力
由于质量轻、体积小，且膜式沼气贮气柜膜体在工厂已经全部成型，现场只是将很少的连接点和设备连接上去就可以了，现场安装时间一般为1～2天。
5．防冻
由于膜式沼气贮气柜内部没有水，在寒冷地区就不担心结冰的问题，这点是传统湿式贮气柜无法比拟的。
6．保温
由于膜式沼气贮气柜是由两层膜体组成，中间是空气层，而空气是保温的极好介质，所以其保温效果远好于传统贮气柜。
7．美观
由于膜式沼气贮气柜膜体材料的表面颜色一般为均匀的灰白色，而白色是典型的中性色，可以与任何颜色搭配而不落俗套。另外，膜式沼气贮气柜的外形不管是球体还是半球体，均是自然天成的造型，建造在任何建筑环境下，均可自然融入、脱颖而出，其建筑美的贡献不言而喻，而传统的贮气柜外形多为色彩纷杂、体积笨拙、缺乏美感。
8．安全性好
沼气毕竟是可燃气体，在发生意外的情况下，如有爆炸，膜式沼气贮气柜是柔性的，就像气球爆炸一样，不会产生很多的冲击式杀伤碎片，其安全性自然优于其他硬性材料制成的沼气贮气柜。
9．维修简易
膜式沼气贮气柜如遇到不可预见因素导致的维护维修，大部分均可在现场轻易解决，比如：补漏只需在膜体外面简易粘贴即可，解决完问题后，再次充气使用就可以了，无需拆除再造，停产停气时间很短。
10．迁移容易
如果客户需要将膜式沼气贮气柜更换地方，只需像拆卸气球一样简单实现迁移、重装，不会产生拆卸报废、运输困难等情形。这一点优于任何传统贮气柜。
11．防火
膜式沼气贮气柜膜体材料是不燃产品，其防火等级达到欧洲标准B级。
从以上几点足可以看出，膜式沼气贮气柜在建造和使用时的总成本明显远远低于传统式的贮气柜。例如：由于沼气的100%可利用，设计时的贮气体积可小于传统的贮气柜；由于重量很轻，建造贮气柜的基础、支撑件、运输、安装等环节均可大大节省时间和金钱；由于免维护时间长，在使用过程中无需频繁停产维护，自然节省了维护费用；安装省事就意味着节省安装的人工开销。
（三）几种常见的膜式沼气贮气柜
1．单体球形膜式沼气贮气柜
如图4-7所示，可放置于地面，进行独立的沼气贮存与输出。其优点：① 可以较多地贮存沼气，适合日产气量较多的沼气生产线；② 使用、观察、检修时无需过多爬高；③ 该膜式沼气贮气柜与发酵罐分离，在这两个系统其中一个检修时，无需影响另一系统。
图4-7　单体球形膜式贮气柜
2．罐体之上球形膜式沼气贮气柜
如图4-8所示。其优点：① 比A米A型膜式沼气贮气柜造价低；② A米B型膜式沼气贮气柜既可当成发酵罐的顶盖，同时也使沼气贮气系统设计紧凑；③ 适合日产气量中等或以下的沼气生产线；④ 较为省地。
图4-8　罐体之上球形膜式沼气贮气柜
此外，罐体之上膜式沼气贮气柜还可以有其他形状，如圆锥形（图4-9）、桃形等，这种设计有利于雪水的融化。
图4-9　罐体之上圆锥形膜式沼气贮气柜
第二节　沼气的综合利用
一、沼气日常应用
1．沼气灶具的构造
（1）喷嘴
喷嘴是控制沼气流量（即负荷），并将沼气的压能转化为动能的关键部件。一般采用金属材料（最好是铜）制成。喷嘴的形式和尺寸大小，直接影响沼气的燃烧效果，也关系到吸入一次空气量的多少。喷嘴直径与燃烧炉具的热负荷、压力等因素有关，家用沼气炉具的喷嘴孔径，一般控制在2.5毫米左右。喷嘴管的内径应大于喷孔直径的3倍，这样才能使沼气在通过喷嘴时，有较快的流速。喷嘴管内壁要光滑均匀，喷气孔口要正，不能偏斜。
（2）调风板
调风板一般安装在喷嘴和引射器的喇叭口的位置上，用来调节一次空气量的大小。当沼气热值或者炉前压力较高时，要尽量把调风板开大，使沼气能够完全和稳定地燃烧。
（3）引射器
引射器由吸入口、直管、扩散管三部分构成。三者尺寸比例，以直管的内径为基准值，直管内径又根据喷嘴的大小及“沼气─空气”的混合比来确定。前段吸入口的作用是减少空气进入时的阻力，通常做成喇叭形；中间直管的作用是使沼气和空气混合均匀；扩散管的作用是对直管造成一定的抽力，以便吸入燃烧时需要的空气量。扩散管的长度一般为直管内径的3倍左右，扩散角度为8°左右。初次使用沼气炉具之前，应认真检查一下引射器，如果里面有铁砂或其他东西堵塞，应及时清除。
（4）灶具头部
灶具头部是沼气炉具的主要部位，它由气体混合室、喷火孔、火盖、炉盘四部分构成，其作用是将混合气通过喷火孔均匀地送入炉膛燃烧。头部的截面积应比燃烧孔总面积大2.5倍，燃烧孔的截面积之和是喷嘴孔面积的100～300倍，孔深应为其直径的2～3倍。支撑头部的部位叫炉座，炉座高度对充分利用沼气燃烧时的最高温度，提高燃烧效率有着举足轻重的作用。因此，一定要认真调试，使其保持在最佳高度。
沼气热水器如图4-11所示，是利用沼气的燃烧来进行热水的装置。
图4-11　沼气热水器
1．沼气热水器的基本结构
热水器主要由五大组件构成，分别为：外壳、热交换器（俗称水箱）、燃烧器（火排）、三阀总成（包括气阀、水阀、水气联动阀）和脉冲点火器。
2．工作原理
（1）负离子保护装置
该保护装置的作用是当热水器意外熄火时可自动关闭气阀门。
（2）超水压保护
当水压超高时，可自动泄压保护。
（3）防冻保护装置
热水器在寒冷地区或长期不使用时，防冻装置可放掉热水器内残留的水分，以免结冰而损坏热水器。
（4）后制式设计
热水器冷水端和热水可随意调节，以保证热水均匀度。
（5）过热保护装置
热水器内设恒温器，当热水温度超过80℃时，热水器则自动关闭。
沼气灯如图4-12所示，是通过燃烧沼气所产生的高温，使纱罩上的氧化钍激发出白光的，其亮度相当于40～60瓦的电灯泡，深受用户欢迎。
图4-12　沼气灯外观与结构
1．沼气灯的基本结构
由玻璃灯罩、弹片、纱罩、灯头、灯体、锁紧螺母、引射管、喷嘴接头和吊钩构成。该沼气灯重点解决现有技术中一些问题，比如玻璃灯罩装卸的结构复杂、操作不方便，易出故障跌坏灯罩、损坏纱罩等。弹片上端固接在灯体的反射罩上，弹片下端有弯曲卡环，灯罩上端口卡装在弹片的弯曲卡环内，具有结构简单、卡装牢固、装卸方便、燃烧稳定、亮度高、光线稳定等特点，适于用沼气作燃料的照明沼气灯使用。
2．沼气灯的工作原理
第五章　沼渣与沼液处理自动化技术
第一节　沼渣和沼液的达标排放
一、沼渣的达标排放
1．圆盘混合造粒工艺
圆盘混合造粒工艺流程简图如图5-1所示。原料干燥除去一定水分后（干燥时，即对原料进行了灭菌处理）进行破碎，然后加入一定量酸碱调节载体pH后与无机肥部分混合均匀，送入圆盘造粒机，在成粒过程中喷入一定量菌剂，成粒的产品再进行低温烘干、筛分后，即可得成品。
图5-1　圆盘混合造粒工艺流程简图
2．混合后挤压造粒流程
混合后挤压造粒流程混合后挤压造粒流程简图如图5-2所示。原料干燥到含水量低于10 %后，破碎，然后与酸碱调节剂、无机化肥、微生物菌剂混合均匀后，送入造粒机造粒，过筛后即得产品。
图5-2　混合后挤压造粒工艺流程简图
3．挤压造粒后喷加菌剂流程
挤压造粒后喷加菌剂流程挤压造粒后喷加菌剂流程简图如图5-3所示。工艺流程与混合后挤压造粒基本相同，但微生物菌剂的加入是在成粒后。
图5-3　混合后挤压造粒工艺流程简图
4．分开造粒流程
菌剂粒子与化肥粒子分开造粒后再混合流程菌剂粒子与化肥粒子分开造粒后再混合流程简图如图5-4所示。为了减少化肥对微生物菌剂的影响，先将载体与菌剂造粒后，存放至中间料仓，再与载体和无机肥造粒后的粒子混合，最后得产品。
图5-4　分开造粒工艺流程简图
二、沼液的达标排放
1．步骤一（图5-6）
图5-6　五步净化步骤一
将贮液罐中污水用污泥泵抽至高位沉降池（塔），水头8～10米，或抽至山坡落差8～10米 的水池中，采用出口喷泉式曝气，提高污水与空气接触比表面积，以便有效降解COD。
2．步骤二（图5-7）
图5-7　五步净化步骤二
自高水位池修筑带挑鼻坎的溢流堰，利用落差（7～9米）高速水流形成挟气，产生气蚀现象，充分曝气净化污水。该二次挟气不再耗能。
3．步骤三（图5-8）
图5-8　五步净化步骤三
利用挑鼻坎的高速射流束冲动叶轮（水车），借助此能量推动水车旋转，进行第三次曝气净化，随后将净化水引至环状折流式集水槽贮存和沉降。
4．步骤四（图5-9）
将环状折流集水槽中的水再引至太阳能蒸发器中，利用太阳能加热空气促使污水进一步蒸发，然后将蒸发水（蒸馏水）收集利用，此水质可达畜禽饮用水标准，但需加以调配矿物质含量，而沉积物可定期收集，烘干制肥。
图5-9　五步净化步骤四
5．步骤五（图5-10）
图5-10　五步净化步骤五
将第三步净化水，即环状折流池中积存的水，引入生化塘（中间也可再设一座折流池），通过养殖水生物植物和鱼类实施自净、降解；工作人员定期清淤，而污泥可用于施肥。这样可同步达到自然水体净化，不致造成富营养化，并能获得水生植物和鱼、蚌类产品。
此外，第三步净化水也可作为水培营养液引入温室大棚进行无土栽培，生产无公害蔬菜、瓜果、花卉或制作叶面肥、保水营养剂等高档商品肥，进入市场销售。为节约用水，富集菌种也可将其回流至发酵罐作为发酵物料稀释用水（图5-11）。
图5-11　五步净化第三步净化水应用示意图
第二节　沼渣与沼液的综合利用
一、沼渣的利用
（一）沼渣作有机肥
1．配制营养土
沼渣含有30%～50%的有机质、10%～20%的腐殖酸、0.8%～2.0%的全氮、0.4% ～1.2 %的全磷、0.6%～2.0%的全钾和多种微量元素等，是配制营养土和营养钵的优质营养原料。
营养土主要用于蔬菜、花卉和特种作物的育苗，因此，对营养条件要求高，自然土壤往往难以满足，而沼渣营养全面，可以广泛生产，完全满足营养条件要求。用沼渣配制营养土和营养钵，应采用腐熟度好、质地细腻的沼渣，其用量占混合物总量的20%～30%，再掺入50%～60%的泥土、5%～10%的锯末、0.1 %～0.2%的氮、磷、钾化肥及微量元素、农药等拌匀即可。如果要压制成营养钵等，则配料时要调节黏土、沙土、锯末的比例，使其具有适当的黏结性，以便于压制成形。
2．配制树苗容器土
（1）配制营养土
将沼渣晒干、打散，用孔眼17毫米×17毫米的大筛筛除渣草。营养土配方为每1万株苗用沼渣粉30千克、土3500千克 （其中森林表土占40%、苗根土40%、肥土20%）、过磷酸钙7.2千克、氯化钾4.3千克。将其混合拌匀，然后装入特制的塑料袋中。每袋装营养土约0.35千克。此种配方基肥充足，可减少追肥次数和用量。
（2）沙床芽苗移栽
先将催芽后的种子点播在沙床上，并罩上塑料薄膜，待种苗长到3厘米左右时，再移栽到容器袋里。据测算，采用这一方法出苗率可达91.5%，比直接点播种子在容器袋里，出苗率高30%左右。
（3）追施沼肥
随着树苗的生长，用1∶3的沼液（即1千克沼液对水3千克）喷施，对长势差的弱苗喷施1～3次。
3．作农作物基肥
一般作底肥每公顷施用量为22.5吨左右，可直接施于地表，立即耕翻，以利沼渣入土，提高肥效。根据田间试验，每公顷增施沼渣15～22.5吨（含干物质4.5～6.75吨），水稻或小麦可增产10%左右；每公顷施沼肥22.5～37吨，可增产粮食9%～26.4%，并且连施3年，土壤有机质增加0.2%～0.83%，活土层从34厘米增加到42厘米。
4．作农作物追肥
每公顷用量1000～1500千克，可以直接开沟挖穴施于作物根部周围，并覆土以提高肥效。根据在玉米上的试验，沼渣密封保存施用比对照增产8.3%～11.3%，晾晒施用比对照增产8.1%～10%。
5．沼渣与碳酸氢铵堆沤
沼渣内含有一定量的腐殖酸，可与碳酸氢铵发生化学反应，生成腐殖酸铵，增加腐殖质的活性，提高肥效。当沼渣的含水量下降到60%左右时，可堆成1米高左右的堆，用木棍在堆上扎无数个小孔，然后按每100千克沼渣加碳酸氢铵4～5千克，拌和均匀，收堆后用稀泥封糊，再用塑料薄膜盖严，充分堆沤5～7天。可作底肥，也可作苗期追肥，每亩用量250～500千克。
6．沼渣与过磷酸钙堆沤
每100千克含水量50%～70%的湿沼渣，与5千克过磷酸钙拌和均匀，堆沤腐熟7天，能提高磷素活性，起到明显的增产效果。一般作基肥每亩用量500～1500千克，粮食可增产13%以上，蔬菜增产15%以上。
（二）沼渣栽培食用菌
1．沼渣栽培蘑菇
（1）培养料的准备和堆制
第一，沼渣的选择。一般来说，沼渣都能栽培蘑菇，但优质沼渣更能促进蘑菇的增产。所谓优质沼渣，是指在正常产气的沼气池中停留3个月以上出池后的无粪臭味的沼渣。第二，栽培料的配备。蘑菇栽培料的碳氮比要求30∶1左右，所以每100米3栽培料需要5000千克沼渣、1500千克麦秆或稻草、15千克棉籽皮、60千克石膏、25千克石灰。含碳量高的沼渣可直接用于栽培蘑菇。第三，栽培料的堆制。栽培料按长8米、宽2.3米、高1.5米堆制，顶部呈龟背形。堆料时，先将麦草铡成30厘米长的小段，并用水浸透铺在地上，厚16厘米；然后将发酵3个月以上的沼渣晒干、打碎、过筛后均匀铺撒在麦草上，厚约3厘米。照此方法，在第一层料堆上再继续铺放第二层、第三层。铺完第三层时，向堆料均匀泼洒沼液160～200千克，第四至七层都分别泼洒相同数量的沼液，使料堆充分吸湿浸透。堆料7天左右，用细竹竿从料堆顶部朝下插一孔，把温度计从孔中放置料堆内部测温。当温度达到70℃时，进行第一次翻料。如果温度低于70℃，应适当延长堆料时间，使温度上升到70℃时再翻料；并注意控制温度不要高于80℃以上，否则原料腐熟过度，会导致养分消耗过多。第一次翻料时，加入25千克碳酸氢铵、20千克钙镁磷肥、4千克棉籽皮、14千克石膏粉。加入适量化肥，可补充养分和改变培养料的理化性状；石膏可改变培养料的黏性而使其松散，并增加硫、钙矿质元素。拌和均匀后，继续堆料。堆沤5～6天，测得料堆温度达70℃时，进行第二次翻料。此次用40%的甲醛液1千克对水40千克，在翻料时喷入料堆消毒，边喷边拌。如料堆变干，应适当泼洒沼液，以手捏滴水为宜；如料堆偏酸，可适当加入石灰，使料堆的酸碱度以pH7～7.5为宜。然后继续堆料3～4天，当温度达到70℃时，进行第三次翻料。在此之后，堆料2～3天即可移入菌床使用。整个堆料和3次翻料共18天左右。
（2）菇房和菇床的设置
蘑菇是一种好气性菌类，需要充足的氧气，属中温型菌类，其菌丝体生长的最适宜温度是22～25℃；子实体的形成和发育需要较高的湿度；菌丝体和子实体对光线要求不严格。因此，设置菇房时，要求菇房坐北朝南，保温、保湿和通风换气良好。菇房的栽培面积不宜过大。床架与菇房要垂直排列，菇床四周不要靠墙，靠墙的走道宽50厘米，床架与床架之间的走道宽67厘米。床架每层距离67厘米，底层离地17厘米以上。床架层数视菇房高低而定，一般4～6层，床宽1.3～1.5米。床架要牢固，可用竹、木搭成，也可以用钢筋混凝土床架，每条走道的两端墙上各开上、下窗一对，床架5层以上的菇房还要开一对中窗。上窗的上沿一般略低于屋檐，下窗高出地面10厘米左右。大小以40厘米宽、50厘米高为宜。
（3）装床接种
第一，菇房消毒。16米2的菇房用500克甲醛液对水20千克喷在菇房内面和菇床上，喷完后随即将敲碎的150克硫黄晶体装在碗内，碗上盖少量柏树枝和乱草，点燃后，封闭门窗熏蒸1～2小时，3天后，喷高锰酸钾水溶液（20粒高锰酸钾晶体对水7.5千克），次日进行装床接种。第二，装床接种。把培养料搬运到菇床上摊铺15厘米厚，即可接种，每瓶菌种可播0.3米2左右。穴播，行株距10厘米见方。接种时，菌种要稍露出培养料的表面。气候干燥，培养料偏干或草多粪少，接种稍深些；气候潮湿，料偏湿或粪多草少，接种可浅些。
（4）管理
接种后，菇房通风要由小到大，逐渐增加。接种后3天左右以保湿为主，初次通风一般只开个别的下窗。7天以后，进行大通风，并且在床架反面料内戳些洞或撬松培养料，以使料中间的菌丝繁殖生长。播种后18天左右，当培养料内的蘑菇菌丝基本长到料底时进行覆土。
① 覆土应选团粒结构好，吸水保湿能力强，遇水不散的表层15厘米以下的壤土。覆土分粗细两种，粗土27千克／米2，以蚕豆大小为宜。细土稍大于大豆粒，粒径约6毫米，22千克／米2左右。覆土前5天左右，每110米2栽培面积的土粒，用5升甲醛1000～3000倍对水600～100升喷洒后，用塑料薄膜覆盖熏蒸消毒12小时。再用0.1千克敌敌畏对1000～3000倍水喷洒，盖上薄膜12小时，待药味散发后进行覆土。先用粗土覆盖培养料。3天后进行调水，接连调水3天，每平方米用水9千克左右，调至粗土无白心，捏得扁。覆粗土后8天左右，当菌丝爬到与粗土基本相平时，覆盖细土。一般覆细土后的第二天开始调水，连调2天，调到细土捏得扁，其边缘有裂口即可，每平方米用水12千克左右。覆土能改变培养料中氧和二氧化碳的比例与菌丝体生长的环境，促进子实体的形成。覆土层下部土粒大，缝隙多，通气良好，利于菌丝生长。上层土粒小，能保持和稳定土层中的湿度。
② 温度和湿度。20～25℃是菌丝生长的最适宜温度。低于15℃，菌丝体生长缓慢；高于30℃，菌丝体生长稀疏、瘦弱，甚至受害。调节温度的方法：温度高时，打开门窗通风降温；温度低时，关门或暂时关闭1～2个空气对流窗。培养料的湿度为60%～65%，空气相对湿度为80 %～90%。调节湿度的办法：每天给菇床适量喷水1～2次；湿度高时，暂停喷水并打开门窗通风排湿。
③ 补充营养。当最初菌丝长得稀少时，用浓度为0.25～1.00毫克／升的三十烷醇（植物生长调节剂）10毫升对水10升喷洒菇床。
④ 加强检查，经常保持空气流通，避免光线直射菇床。
⑤ 每采摘完一次成熟蘑菇后，要把菇窝处的泥土填平，以保持下一批菇的良好生长环境。
2．沼渣栽培平菇
（1）沼渣的处理
选用经充分发酵腐熟的沼渣，将其从沼气池中取出后，堆放在地势较高的地方沥水24小时，其水分含量为60%～70%时就可作培养料使用。注意不要打捞池底沉渣，以免带入未死亡的寄生虫卵。在沥水过程中，要盖上塑料薄膜，防止蝇虫产卵污染菇床。
（2）拌和填充物
由于沼渣是经长期厌氧发酵的残留物，大都成不定形状态，通气性差。因此，用沼渣作培养料，需添加棉籽壳、谷壳、碎秸秆等疏松的填充物，以增大床料的空隙，有利于空气流通，满足菌丝生长发育的需要。沼渣与填充料的比例以3∶2为宜。填充料先加适量的水拌匀后，再与沥水后的沼渣拌和即可上床。如果用棉籽壳作填充料，必须无霉变，使用前要晾晒。
（3）菇床的选择
平菇在菌丝生长阶段，最适温度为25～27℃，空气相对湿度为70%，长菇阶段，最适温度为12～18℃，培养料表面湿度和空气相对湿度为90%左右。平菇对光线要求不高，有漫射光即可。菇床地一般选择通风的室内。如果菇床设在楼房的地面，需用塑料薄膜垫底保湿。菇床面宽0.8～1.0米，长度视场地而定，培养料的厚度6.5～8厘米。
（4）掌握播种期
平菇培养时间是9月下旬至翌年1月底，这期间均可播种。每100千克培养料点播菌种4千克。菌种要求菌丝丰满，无杂菌，菌龄最好不超过1个月。播种按6.5厘米见方点播，点播深度3.3厘米，每穴点蚕豆大小一块，播后用塑料薄膜覆盖，以保温、保湿。
（5）日常管理
平菇的菌丝体生长阶段是积累养分的阶段，水分和氧气需要量不大，因此需用薄膜盖好，以保湿、保温和防止杂菌污染。一般每隔7天揭膜换气一次。当子实体形成后，需水量和需氧量增大，这时要注意通风和补充水分。当菌珠开始出现，菇床表面湿润，薄膜内有大量蒸发水时，应将薄膜支起通风。通风后，若菇床表面干燥，可进行喷水管理。喷水的原则是天气干燥时，勤喷、少喷，雨天不喷。
（6）适时采收
在适宜条件下，从出菇到长成子实体（供食用部分），需经过7天左右，子实体长到八成熟即可采收。采收要适时，过早会影响产量，过迟会影响品质。第一批采收后，经过15～20天又可采收下一批。培养料接种后，一般可采收三四茬平菇。
（7）追施营养液
收获一茬平菇后需追施营养液，以促进下批平菇早发、高产。追施的方法：用木棒在培养料表面打2厘米深的孔，用0.1%的尿素溶液或0.1%的尿素溶液加0.1%的糖水灌注。
（8）病虫害防治
在高温、高湿的条件下，培养料容易生虫，长杂菌，发现杂菌生长，应及时挖净；发现虫害，可用0.2%～0.3%的敌敌畏喷雾或用敌敌畏棉球熏杀，但要注意防止药害。
3．沼渣瓶栽灵芝
（1）沼渣处理
选用正常产气3个月以上的沼气池中的沼渣，其中应无完整的秸秆，有稠密的小孔，无粪臭。将沼渣烘至含水量60%左右备用。
（2）培养料配制
由于沼渣有一定的黏性，弹性较差，通气性不好，不利于菌丝下扎。因此需要在沼渣中加50%的棉籽壳，以克服弹性差和透气性差的缺点。另外，可加少量玉米粉和糖。配制时将各种配料放在塑料薄膜上用手拌匀。
（3）装瓶及消毒
用750毫升透明广口瓶装料，料装至瓶高的3/4处。要边装边拍，使瓶中的培养料松紧适度，装完后将料面刮平。然后用木棍在料面中央打一孔洞至料高的2/3处，旋转退出木棍。装瓶后，将瓶倒立于盛有清水的容器中，洗净瓶的外壁，再将瓶提起并倾斜成45°左右，让水进人瓶内空处，转动瓶子以清洗内壁。然后取出，擦干瓶口，塞上棉塞，蒸煮6小时，再消毒。蒸后在蒸笼里自然冷却。
（4）接种
接种前，接种箱和其他用具需先用高锰酸钾消毒。接种时，将菌种瓶放入接种箱内，先将菌种表面的菌皮扒掉，再用镊子取一块菌种，经酒精灯火焰迅速移入待接种的培养瓶内，放在培养料的洞口表面，塞上棉塞，一瓶就接种完毕。
（5）培养管理
接种后的培养瓶放在培养室里培养，温度控制24～30℃（菌丝最适温度为27℃），相对湿度控制在80%～90%。发现有杂菌的培养瓶应予以淘汰。灵芝的菌丝在黑暗环境中均能生长，但在子实体生长过程中需要较多的漫射散光，并要有足够的新鲜空气。
（三）沼渣养殖土鳖虫
1．准备工作
将经厌氧发酵45天后的沼渣从沼气池水压间（出料间）取出，自然风干后，再按60%的沼渣、10%的烂碎草和树叶、10%的瓜果皮、菜叶、20%的细沙土混在一起拌和，堆好后备用。饲养时，可根据条件分别采用洞养或池养。洞养一般是在室内挖一瓮形的地洞，深1米左右，口径0.67米左右，如果地下湿度大，洞可挖浅一些。洞壁要光滑，洞内铺放0.33米厚的沼渣混合料，如果有掉了底的大口瓮埋到土里作饲养池则更好。大量饲养土鳖虫用池养比较合适。饲养池可用砖砌成1米长、0.67米宽、0.5米高的长方形池子，池子壁墙要密封，池口罩上纱网，防止土鳖虫逃走及鸡、鸭、猪、猫偷吃。池底铺上0.17米厚的沼渣混合料，混合料要干湿均匀，其湿度以手捏成团、一扔即散为佳，这样的湿度最适合土鳖虫的生长。
2．饲养管理
（1）正确投饵
土鳖虫是一种杂食性昆虫，树叶、青草、菜叶、烂水果、玉米棒等都吃。在饲养初期的1～2个月，土鳖虫依靠底铺料生活，不需投料。以后每天可按铺料的配比适当添加沼渣混合饵料。如果每隔一个星期再加喂一点玉米、麦麸、豆饼之类的精料，土鳖虫长得更快。但精料不宜多喂，过多，土鳖虫全身发亮，像出油样，慢慢地死去。土鳖虫喜湿怕干，喜静怕光，白天一般躲在暗处，到了夜晚或白天寂静无人时才出来活动或找食吃，所以投料时间最好选择在傍晚。每个池子一般养4千克土鳖虫，每次投料量1～1.5千克。新鲜的饵料最好均匀地撒在铺料上。铺料时，若发现池中的铺料干燥可喷洒些水，使铺料保持一定的湿度。
（2）掌握饲料温度
土鳖虫在温度为20～40℃最活跃，这段时间可勤喂料、喂精料。温度低于10℃土鳖虫就开始休眠，不需要喂食。土鳖虫耐寒力极强，即使在-60℃也不会冻死，有时候看上去已经干瘪，可一到春天气温转暖，它又能起死回生。
（3）产卵期的管理
一只土鳖虫大约能活5～6年，其中产卵期只有2～3年。土鳖虫的一生分为卵、幼虫、成虫3个阶段。第一年卵化幼虫不产卵，第二年开始少量产卵，第三年是产卵盛期（一只雌虫一个星期能产一个卵块），从第四年开始产卵越来越少。土鳖虫产卵时尾部拖一个绿豆大的卵块，一个卵块内有8～12粒卵子，平均一个卵块能出幼虫10只左右。在土鳖虫产卵盛期，每隔7天要用细筛子轻轻地筛一遍池子里的铺料，卵块筛出来以后，放在装有细沙土的破瓮里，使温度保持在28℃以上，不超过40℃，40天以后小幼虫就可孵化出来，饲养得好，1千克成虫能产1千克卵，即能产出2万多只小土鳖虫。
二、沼肥的利用
（一）沼肥养鱼
1．养殖方法
（1）养鱼种类及比例
沼肥养鱼放养结构与沼肥施放方式有关，如果用沼肥直接作饵料，一般每公顷放养鱼苗6000尾左右，花、白链等滤食性鱼类比例不低于70%，搭配放养20%～30%的鲤鱼、鲫鱼等杂食性鱼类和少量草食鱼类如草鱼、蝙鱼等。如果将沼渣制成颗粒饲料，可按一般常规池塘养鱼放养，草食性鱼类不少于40%～50% ，再搭配其他鱼类。同时可实行鱼蚌混养，养蚌育珠，以充分利用沼肥营养和天然饵料优势，提高鱼塘的经济效益。
（2）沼肥用量
用沼肥池塘养鱼，应按照少量多次的原则，以水色透明度为依据投用沼肥。5～6月和9～10月水色透明度不低于20厘米，7～8月以10厘米为宜。适宜的水色为茶褐色或黄绿色，水色过淡，透明度过大，要加大投肥量；水色过浓，透明度过小，要减少或停止投肥。投肥宜选在晴朗天气的上午进行，7～8月为高温季节，投用沼液效果最好。
（3）沼肥养鱼的效应
① 提高鲜鱼的产量。鱼池使用沼肥后，改善鱼池的营养条件，促进浮游生物的繁殖和生长，从而提高鲜鱼产量。据南京市水产研究所用鲜猪粪与沼肥作淡水鱼类饵料进行对比试验，结果后者比前者增产鲜鱼19%～38%。
② 改善鲜鱼的品质。施用沼肥的鱼池，水中溶解氧增加10%～15%，改善了鱼池的生态环境，使各类鱼体的蛋白质含量明显增加，而且对影响蛋白质质量的氨基酸组成也有明显的改善，并使农药残留量呈明显的下降趋势，鲜鱼营养价值高，食用更加安全可靠。
③ 减少鱼病的发生。沼肥经腐熟和发酵，消除了其中的虫卵和病菌。沼肥作为饵料养鱼，减少了鱼病的发生，烂腮、赤皮、肠炎、白嘴等鱼类常见病和多发病得到了有效的控制。
2．注意事项
应用沼肥养鱼要根据天气变化及时调整沼肥用量，天气闷热和阴雨连绵时少投或不投。投肥后，要经常对鱼塘进行检查，以鱼类浮头时间不宜过长，日出后很快下沉为宜。若用沼渣制成颗粒饲料，可按饲料系数为2的比例进行投放即可。年终需将未吸收的鱼池沉积物进行清理，并施放一定量的石灰中和酸性，增加钙质，以利于鱼池水质的调节和控制。
（二）沼肥养殖鳝鱼
1．养殖方法
（1）建好鳝鱼池
鳝鱼池池基选择向阳、靠近水源、不易渗漏、土质良好的地方。面积4～5米2，可联片建成池组，池深1.2米，宽1.7米，为地下平底结构，采用水泥或三合土建池。池墙四周用20～30厘米大小的石头砌一道高0.5～0.6米、宽0.6米的巢穴埂。用田里的稀泥糊盖石墙的缝口，以便鳝鱼在巢穴埂的稀泥缝中打洞做穴。再将沼渣与田里的稀泥各半混合好后，均匀地铺在池内，厚度为0.5～0.6米，作为鳝鱼的基本饲料和夜间活动场地。
（2）饲养管理
铺完料后，向池中放水，水深冬、春为0.17米，夏为0.6米，秋为0.35米左右。3月中下旬投放鳝鱼种，不投放其他饲料。7月下旬至8月初，鳝鱼陆续产卵孵化，食量渐增，应加喂饲料一个月左右，按0.5千克／米2左右投放沼渣。投沼渣后7～10天进行换水，以保持池内良好的水质和适当的溶氧含量，防止缺氧。鳝鱼是肉食性鱼类，喜吃活食。在催肥增长阶段，每隔5～7天定点投喂一次切碎的螺蚌肉或蚯蚓，投喂量为鳝鱼体重的4%。
（3）日常管理
① 养殖期间，要随时观察鳝鱼池，发现鳝鱼缺氧浮头时，应立即换水。
② 鳝鱼是一种半冬眠的鱼类，在入冬前要大量摄食，贮藏养分供过冬消耗，入冬前要喂足饵料；入冬后放干池水，并用稻草覆盖，厚度以不窒息鳝鱼为宜，以保护池温，避免冻死鳝鱼，鳝鱼池加盖塑料薄膜保温效果更好。
③ 养殖期间，如发现鳝鱼背部出现黄豆大小的黄色图形病斑时，可在池内投放几只活癞蛤蟆，其身上的蟾酥有预防和治疗梅花斑状病的作用。
2．注意事项
（1）在鳝鱼生长期内，要防止洪水冲毁、淹没鱼池。
（2）大小鳝鱼应分开饲养，避免大鳝鱼吃小鳝鱼。
（三）沼肥养殖泥鳅
1．养鳅池建造
养鳅池以面积1～100米2，池深0.7～1米为宜。池壁要陡，并夯紧捶实，最好用三合土或水泥建造，以防泥鳅逃跑。进出水口要安装铁丝网，网目以泥鳅苗不能逃跑为度。池底铺设20～30厘米厚的沼渣和田里稀泥各一半混合好的泥土，并做一部分带斜坡的小土包。土包掺入带草的牛粪，土包上可以种点水草，作为泥鳅的基本饲料和活动场地。在排水口处底部挖一鱼坑，坑深30～40厘米，大小为养鳅池的1/20，以便泥鳅避暑和捕捉。养鳅池建好后，用生石灰清塘消毒，待药性消失后，即可放水投放泥鳅苗。
2．泥鳅的繁殖
（1）自然产卵
选择一小型产卵池（水泥池、土池均可），适当清整后注入新水。按每米3水体用生石灰100克化浆泼洒全池，待药性消失后，按雌、雄比例1∶2投放雌鳅0.3千克／米2，当水温达到15℃以上时，即用棕片或者柳树根、水草扎成鱼巢分散放在池中。发现泥鳅产卵于巢上，应及时取出转入孵化池孵化。也可在原产卵池内孵化，但必须将雌鳅全部捕出，以免雌鳅大量吞食泥鳅苗。
（2）人工孵化
孵化池的水流量以翻动泥鳅苗为度，过小则泥鳅苗沉池底窒息致死；过大则消耗泥鳅苗体力，导致泥鳅苗死亡。泥鳅卵在适宜水温（20～28℃）下，一般1～2天即可出膜孵出幼苗。为了能及时掌握雌鳅发情时间，可将其捕出进行人工授精。即将泥鳅精、卵挤入盆中，用鹅毛搅拌1分钟后，徐徐加入适量滑石粉水（黄泥浆水也可）充分搅拌。受精卵失去黏性后，便可放入孵化缸或孵化槽中孵化。一般每立方米水体可孵化鳅卵50万粒左右。
3．泥鳅苗的饲养管理
刚孵出的泥鳅苗必须专池培育。池内水深30～50厘米，放养密度为800尾／米2左右。如实行流水饲养，放养密度可加大到2000尾／米2。饲养初期投喂蛋黄、鱼粉、米糠等，随后日投饵按泥鳅苗总重量的2%～5%投喂配合饵料和适量的沼液。沼液既可使泥鳅苗直接吞食，又可繁殖浮游生物，补充饵料。6～9月投饵量逐渐提高10%左右，沼液也要适量增加，每天分上、下午各投喂一次。沼液投入后，使浮游生物大量繁殖，保持池水呈浅绿色或茶褐色，有利于吸收太阳热能，提高池水的温度，促进泥鳅的生长。投用沼液后要经常对养鳅池进行检查，若溶氧量偏低，应及时采取增氧措施。8～9月水温增高，泥鳅生长快，耗食量大，可适当多投。一般水的透明度不低于20厘米，如透明度过低，应换水。
4．成鳅的饲养管理
成鳅池水深50厘米左右。放养密度为0.1千克／米2（尾长5厘米），投喂麦麸、米糠、米饭、菜子饼粉、玉米粉、沼渣、沼液等，日投入量按泥鳅体重计算：3月为1%，4～6月为4%，7～8月为10%，9～10月为4%，11月至翌年2月可不投饵。沼渣、沼液可交换投放，以次多量少为佳，根据水质变化而定。刚投完沼肥不宜马上放水（除溶氧量太低外），以利于泥鳅直接吞食和浮游生物的生长。酷暑季节，养鳅池上方要搭设遮阴棚（最好栽葡萄或瓜果），并定期加注新水入池。冬季可在养鳅池四角堆放沼渣，供泥鳅钻入保温。
（四）沼肥养殖蚯蚓
1．修建养殖床
选择地势较高的向阳地面作蚯蚓养殖床，床下的泥土应拍实。床体用砖块围成，长10米、宽1.5米，后墙高1.3米，前墙高0.3米。床的四周需挖排水沟，以防积水渗入床内。床的两头留有对称的风洞，后墙留一排气孔。冬季床面要搭架覆盖薄膜防风，上面加盖草席保温。夏季拆除塑料薄膜，可在饵料上盖10～15厘米的湿草，并搭简易凉棚遮阴防雨。
2．配制饵料
将出池的沼渣晾干，让氨气、沼气逸出。用70%的沼渣、20%的烂碎草、10%的树叶及烂瓜果皮拌土后上床，堆放厚度为20～25厘米。
3．引种和管理
床内堆置饵料后即可投放蚓种。一般每平方米养殖面积可养成蚓1万条，养幼蚓2万～2.5万条，两者混养1.2万～1.6万条为宜。投放后盖上10～15厘米厚的碎稻草，保持饵料的含水量在65%左右。一般每隔一个月左右加一次饵料。冬季晴天，可以在上午将草席揭开，让阳光射入床内，下午再将草席盖上。下雪时，应及时清除床面积雪。
4．温湿度控制
蚯蚓生长的正常饵料温度应保持在5～30℃，适宜温度为15～20℃，最高不得超过35℃。饵料的含水量为60%～70%，孵化蚓卵环境的含水量为60%～65%。因此，如果养殖床温度超过22℃时，应打开风洞通风，使温度保持在最适范围之内。
5．调节酸碱度
蚯蚓饵料的pH一般控制在6～8。沼渣一般都为中性，用作蚯蚓的饵料，可不必调节pH。
6．清理蚓粪
在养殖过程中，需要定期清理蚓粪，清理时，既要将蚓、粪分开，又不要伤害蚯蚓。可利用蚯蚓喜湿畏光的特性，采取4种办法分离。
① 引诱法。将床内蚓、粪混合物堆缩1/2，空下1/2的空面，在空面上投放新鲜腐熟饵料，经40～60小时，蚯蚓就进入新鲜饵料中去，诱蚓率达95% 以上。
② 网取法。将4毫米×4毫米网孔的铅丝网放在蚓床上，再把新鲜饵料投在网上，厚50毫米，经过24小时后，蚯蚓诱到网上，再把网移开，分离率可达90%以上。
③ 光照法。先将表层蚓粪扒开，再用220伏、500瓦的碘钨灯光照射并移动灯光，逼使蚯蚓下钻，即可清除上层蚓粪，分离率达90%以上。
④ 干湿法。使蚓床的一端保持湿度，另一端让其水分蒸发，蚯蚓便自动转移到湿润的一端，48～72小时后，可使90%的蚯蚓分离出来。
7．提取成蚓
蚯蚓从产卵到成蚓，一般需3～4个月，每年至少可以成熟三批，年产量22.5千克／米2。因此，在养殖过程中，要不定期地提取成蚓。重量达到0.5克左右即为成蚓。提取方法是用孔目2毫米×2毫米，长1米，宽0.7米的塑料网平放在蚓床上，在网上投放新料（可加5%的五香液），厚度5厘米，24小时后，小蚯蚓移到网上，成蚓留在网下。再用光照法或用4毫米×4毫米的铅丝网处理，即可使成蚓分离出来。
8．注意事项
养殖蚯蚓要防止水蛙、蟾蜍、蛇、鼠、鸟、蚁、螨等天敌伤害，养殖床应有遮光设施，切忌强直射；要始终保持养殖区安静的环境，不要随意翻动养殖面；要避免农药、废气的污染；刚出池的新鲜沼渣不能马上放入蚓床喂蚯蚓，需要散开晾干后饲喂，以免引起蚯蚓缺氧死亡。
三、沼液的利用
（一）沼液浸种
1．沼液浸稻种
（1）晒种
选用上年生产的高纯度和高发芽率的新水稻种子，浸种前晒种1～2天，以提高种子的吸水性能，并杀灭部分病菌。
（2）浸种
首先用浸种袋（如化肥袋、尼龙编织袋等）将稻种装好，每袋装15～20千克，扎紧袋口，投入已正常使用40天以上的沼气池水压间内浸泡。常规稻种以一次性浸种为主，24小时左右为宜；杂交稻采取间歇式浸种，即在沼液中浸泡8～10小时后，提出来晾6小时，三浸三晾，直至种子吸足水分。
（3）清洗
捞出浸种袋，用清水漂洗2～3次，晾干，方可催芽。沼液浸种会改变有些种壳的颜色，但不会影响发芽。
2．沼液浸麦种
（1）种子的处理
在浸种前要选择晴天将麦种晒2～3次，提高种子的吸水性能。
（2）沼液的选择
选用发酵时间长且腐熟较好并与猪圈、厕所结合正常使用的沼气池发酵液。于浸种前几天打开水压间盖，在空气中暴露数日，并搅动数次，使少量硫化氢气体逸散，还要将水压间内水面上的浮渣清除。
（3）浸种时间
小麦浸种时间依据当地正常播种时间，在播种前一天进行浸种。浸泡时间要根据水温而定，一般17～20℃浸6～8小时。
（4）浸种操作
将要浸泡的麦种装入透水性好的塑料编织袋。每袋种子量占袋容的2/3。将袋子放入水压间沼液中，并拽一下袋子的底部，使种子均匀松散于袋内，以沼液浸没种子为宜。
（5）播种
麦种浸6～8小时后，取出种子袋，用清水洗净，并使袋里的水漏去，然后把种子摊在席子上，待种子表面水分晾干后即可播种。如果要催芽的，即可进行催芽播种。
3．沼液浸玉米种
先将玉米种子晒1～2天，去杂、去瘪粒后，用发酵好的沼液浸种。将要浸的玉米种装在塑料编织袋内，不可装得太满，然后放入沼液中，浸12小时。取出用清水冲洗一下，晾干即可。
4．沼液浸甘薯种
将选好的薯种分层放入大缸或清洁的水池内；将沼液倒入，液面超过上层薯块表面6厘米为宜，并在浸泡中及时补充沼液；2小时后捞出薯种，用清水冲洗净后，放在草席晾晒，直至种块表面无水分为止；然后按常规排列上床。苗床土培养基为30%的沼渣肥和70%的泥土混合而成。
5．注意事项
（1）用于沼液浸种的沼气池，一定要正常使用40天以上。长期停用的沼气池中“沼液”不能用于浸种，以免伤害种子。
（2）种子浸泡时间不宜过长，否则影响出芽。
（3）如沼液浓度过高，浸种前加1～3倍清水。
（4）浸种时要考虑天气情况，如遇阴雨，可将种子摊在席子上自然发芽，播种更好。
（二）沼液防治农作物病虫害
1．防治农作物虫害
（1）防治农作物蚜虫
用沼液喷施小麦、豆类、蔬菜、棉花、果树等，可防治蚜虫侵害，施用方法如下：①按沼液28千克，洗衣粉溶液1千克（溶液按洗衣粉和清水0.1∶1比例配制），配制成沼液复方治虫剂，用喷雾器喷施；②每公顷一次喷施525千克，第二天再喷施一次；③喷施时间最好选择晴天的上午进行。
生产实践表明，用产气好的沼液防治蔬菜和果树蚜虫、菜青虫，喷施一次，防治率为70%左右，喷施两次可达96%以上。
（2）防治玉米螟幼虫
玉米螟幼虫是春玉米、夏玉米的主要虫害。常规是用药液浇洒于玉米心叶防治。用农药与沼液混合浇玉米心叶，可取得防虫、施肥双重效果。具体做法：在螟虫孵化盛期，每公顷用沼液750千克，加2.5%敌杀死乳油150毫升配成药液。使用时将喷雾器喷头朝下浇心施药。施药6天和11天后观察，用加入敌杀死药的沼液与单独用药液防治效果完全相同，没有出现玉米蟆幼虫为害。此外，还发现用沼液浸种、浇心叶后的玉米，叶色稍深，长势旺盛。
（3）防治果树红蜘蛛
在苹果、柑橘等果树生长期间，用沼液原液或添加少量农药喷施果树，可防治果树蚜虫，红、黄蜘蛛以及蹒、蚧等虫害；用沼液涂刷病树体，可防治苹果树腐烂病；沼液灌根，可防治根腐病、黄叶病、小叶病等生理性病害。沼液原液喷施果树，对红蜘蛛成虫杀灭率为91.5%，虫卵杀灭率为86%，黄蜘蛛杀灭率为56.5%；沼液加1/3水稀释施用，红蜘蛛成虫杀灭率为82%，虫卵杀灭率为84%，黄蜘蛛杀灭率为25.3%，所以沼液浓度越高，杀虫效果越好。用沼液喷施果树时，加入1/2000～1/1000的氧化乐果，或1/3000～1/1000的灭扫利，杀虫、杀卵效果非常显著，成虫和虫卵杀灭率可达100%，而且药效期可持续30天以上。
在整个果树生长期内均可喷施沼液。喷施时间根据气温高低决定，气温高于25℃时，宜在下午5时后喷施，气温低于25℃以下时，可在露水干后全天喷施。使用前应先将沼液从正常产气使用2个月以上的沼气池水压间内取出，用纱布过滤，存放2小时左右，然后再用喷雾器喷施。喷施时重点喷在叶片的背面，因为叶子表面角质层较厚，喷施后不易被吸收利用。
在喷施沼液时，根据树冠大小和树体营养状况，补充有益元素和养分效果更好。对于上年结果多、树势弱的果树，因树体养分不足，可在沼液中加入0.1%的尿素。对幼龄树和结果少、长势弱的树，应在沼液中加入0.2%～0.5%的磷钾肥，以利花芽的形成。
根据果树不同生长季节进行喷药保护，柑橘实蝇一般可选用5%红糖液＋5%甜酒酿＋5%醋＋5%酒＋90%晶体敌百虫500倍水溶液或用氯氰菊酯1000倍液全园喷杀；红蜘蛛一般可选用晶体石硫合剂250～400倍液或用20%速螨酮2000～3000倍液；蚧壳虫一般可选用16%的蚧休乳剂1000～1500倍液；蚜虫一般可选用10%吡虫啉（仟红）可湿性粉剂2000～2500倍液。
2．防治农作物病害
科学实验和大田生产证明，沼液及用沼液制备的生化剂可以防治作物的土传病、根腐病和赤霉病。
赤霉病是小麦生产中的主要病害之一，其发病率高，流行面大。沼液防治小麦赤霉病试验结果表明：正常发酵产气的沼气池 的沼液对小麦赤霉病有明显的防治效果，其作用和生产上所用的多菌灵效果相当；使用沼液原液喷施效果最佳，使用量以每公顷喷750千克以上效果最好，盛花期喷一次，隔3～5天再喷一次，防治率可达81.53%。
此外，沼液对棉花的枯萎病和炭症病、马铃薯枯萎病、小麦根腐病、水稻小球菌核病和纹枯病、玉米的大小斑病以及果树根腐病也有较强的抑制和灭杀作用。
3．提高农作物抗逆性
沼液中富含多种水溶性养分，用于农作物浸种、叶面喷施和灌根等，吸收率高，收效快，一昼夜内叶片可吸收施用量的80%以上，能够及时补充作物生长期的养分需要，强健植株机体，增强抵御病虫害和严寒、干旱的能力。
试验证实，用沼液原液或50%稀释液进行水稻浸种，可提高低温胁迫下秧苗素质和秧苗存活率，减轻低温胁迫对原生质的伤害，保持细胞完整性，提高根系活力，从而增强秧苗抗御低温的能力。用沼液对果树灌根，对及时抢救受冻害或其他灾害引起的树势衰弱有明显效果，用沼液长期喷施果树叶片，可防治小叶病和黄叶病，使叶片肥大，色泽浓绿，增强光合作用，有利于花芽的形成和分化。花期喷施能提高坐果率；果实生长期喷施，可使果实肥大，提高产量和水果质量。
在干旱时期，对农作物喷施沼液，可引起叶片气孔关闭，从而起到抗旱的作用。
（三）果树叶面喷施沼液
1．喷施方法
（1）纯沼液喷施
果树喷施纯沼液的杀虫效果比稀释液好。喷施纯沼液对急需营养的树体还能提供比较丰富的养分，因此对长势较差、树龄较长、坐果不佳的树等均应喷施纯沼液。
（2）稀释沼液喷施
根据气候以及树的长势，有时必须将沼液稀释喷施。如气温较高时，不宜用纯沼液，应加入适量水稀释后喷施。
（3）药肥配合喷施
当果树虫害猖獗时，宜在沼液中加入微量农药，这样杀虫效果非常显著。据树体营养需要，配合一定的化肥喷施，以补充果树对营养的需要。大年产果多时，可加入0.05%～0.1%尿素喷施；对幼龄及长势过旺的树、当年挂果少的树，可加入0.2%～0.5%磷钾肥喷施以促进长芽形成。
2．喷期和效果
果树地上部分每一个生长期前后，都可以喷施沼液。叶片生长期喷施沼液，可增强光合作用，有利于花芽的形成与分化；花期喷施沼液，可保证所需营养，提高坐果率；果实生长期喷施沼液，可促进果实膨大，提高产量。
果树喷施沼液，对虫害有一定的防治效果。用纯沼液喷施果树，对红蜘蛛、黄蜘蛛、蚜虫等有明显的杀灭作用，杀灭率达94%以上。
（四）果树根部施用沼液
果树长期用沼液进行根部施肥，树势茂盛，叶色浓绿，病虫害明显减少，抽梢整齐，幼果脱落较少，果实味道纯正，产量比施化肥或普通有机肥高。
不同树龄采取不同的施肥方法。幼树施用沼液结合扩穴，以树冠滴水为直径向外呈环向开沟，开沟不宜太深，一般为10～35厘米深、20～30厘米宽，施后用土覆盖，以后每年施肥要错位开穴，并每年向外扩展，以增加根系吸 收范围，充分发挥肥效。挂果树成辐射状开沟，并轮换错位，开沟不宜太深，不要损伤根系，施肥后覆土。
（五）沼液用作无土栽培营养液
无土栽培是人工创造的根系环境取代土壤环境，并能对这种根系进行调控以满足植物生长的需要。它具有产量高、质量好、无污染，省水、省肥、省地，不受地域限制等优点。目前国内外均采用化学合成液作营养液，配制程序比较复杂，不易为农民掌握。利用沼液作无土栽培营养液栽培蔬菜，效果好，技术简单，易于推广。其技术方法如下：
经沉淀过滤后的沼液通过供液管自动流入栽培槽再进入贮液槽，通过水位控制器连接的微水泵，将贮液池里的沼液抽回供液池，从而完成营养液的循环过程，依次周而复始，如图5-12所示。
图5-12　沉淀后沼液循环利用示意图
将育好的蔬菜苗按宽行60厘米、窄行30厘米移栽入栽培槽内，株距均为33厘米。沼液必须取自正常产气一个月以上的沼气池出料间的中层清液，无粪臭，深褐色，根据蔬菜品质不同或对微量元素的需要，可适当添加微量元素，并调节pH为5.5～6.0。在蔬菜培植过程中，要定期更换沼液。
沼液的营养成分齐全，经厌氧发酵腐熟后，各种养分的可供态得到提高，是一种营养丰富的液体肥料，用作无土栽培的营养液，具有明显的增产效果。
从表5-1沼液与无土栽培专用营养液成分比较所示，沼液的营养成分除钾和硫外，其他营养元素均高于专用营养液4～5倍，稀释后可替代专用营养液。
表5-1　沼液与无土栽培专用营养液成分比较（微克／毫升）
沼液中的氮均以铵态氮的形式存在，这对于优先吸收硝态氮或对硝态氮与铵态氮并行吸收的蔬菜作物来说，不能直接利用，必须先经过硝化细菌的作用，将铵态氮转化成硝态氮。
采用毛管孔隙度的煤渣、谷壳灰和泥炭作为沼液无土栽培的基质，有利于硝化细菌的富集和培养，适宜于番茄、黄瓜、生菜以及康乃馨等蔬菜、花卉的无土栽培。
据大棚对比试验结果，沼液用作无土栽培营养液增产效果十分显著，番茄产量比专用营养液增产22.6%（表5-2），不仅产量高，而且品质优。沼液无土栽培的花卉，花期长，颜色鲜艳。
表5-2　沼液无土栽培番茄增产情况
第三节　沼渣与沼液自动化技术
一、沼渣处理的自动化技术
1．电子标签
如图5-14所示，又称为射频识别即RFID（Radio Frequency IDentification）技术。无线射频识别是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。常用的有低频（1.25×105～1.34×105赫兹）、高频（13.56兆赫兹）、超高频，无源等技术。RFID读写器也分移动式的和固定式的，目前RFID技术应用很广，如图书馆、门禁系统、食品安全溯源等领域。
图5-14　电子标签
最初在技术领域，应答器是指能够传输信息、回复信息的电子模块。近些年，由于射频技术发展迅猛，应答器有了新的说法和含义，又被叫做智能标签或标签。RFID电子电梯合格证的阅读器（读写器）通过天线与RFID电子标签进行无线通信，可以实现对标签识别码和内存数据的读出或写入操作。典型的阅读器包含有高频模块（发送器和接收器）、控制单元以及阅读器天线。RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无需人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。
RFID是一种简单的无线系统，只有两个基本器件，该系统用于控制、检测和跟踪物体。系统由一个询问器（或阅读器）和很多应答器（或标签）组成。
标签（Tag）：由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象。
阅读器（Reader）：读取（有时还可以写入）标签信息的设备，可设计为手持式RFID读写器或固定式读写器，如图5-15所示。
图5-15　手持读写器
RFID技术的基本工作原理并不复杂：标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（Passive Tag，无源标签或被动标签），或者由标签主动发送某一频率的信号（Active Tag，有源标签或主动标签），解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。
一套完整的RFID系统，是由阅读器（Reader）与电子标签（TAG）也就是所谓的应答器（Transponder）及应用软件系统三个部分所组成，其工作原理是Reader发射一特定频率的无线电波能量给Transponder，用以驱动Transponder电路将内部的数据送出，此时 Reader便依序接收解读数据，送给应用程序做相应的处理。
以RFID卡片阅读器及电子标签之间的通信及能量感应方式来看大致上可以分成：感应耦合（Inductive Coupling）及后向散射耦合（Backscatter Coupling）两种。一般低频的RFID大都采用第一种式，而较高频大多采用第二种方式。
阅读器根据使用的结构和技术不同可以是读或读／写装置，是RFID系统信息控制和处理中心。阅读器通常由耦合模块、收发模块、控制模块和接口单元组成。阅读器和应答器之间一般采用半双工通信方式进行信息交换，同时阅读器通过耦合给无源应答器提供能量和时序。在实际应用中，可进一步通过Ethernet或WLAN等实现对物体识别信息的采集、处理及远程传送等管理功能。应答器是RFID系统的信息载体，目前应答器大多是由耦合原件（线圈、微带天线等）和微芯片组成无源单元。
2．产品的溯源
（1）RFID信息技术采集
产品追溯管理系统将利用RFID先进的技术并依托网络技术及数据库技术，实现信息融合、查询、监控，为每一个生产阶段以及分销到最终消费领域的过程中提供针对每件货品安全性、食品成分来源及库存控制的合理决策，实现食品安全预警机制。RFID技术贯穿于食品安全始终，包括生产、加工、流通、消费各环节，全过程严格控制，建立了一个完整的产业链的食品安全控制体系，形成各类食品企业生产销售的闭环生产，以保证向社会提供优质的放心食品，并可确保供应链的高质量数据交流，让食品行业彻底实施食品的源头追踪以及在食品供应链中提供完全透明度的能力。
（2）WSN物联网技术
WSN（无线传感器网络）就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。而构成WSN网络的重要技术——Zigbee技术以其低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本的优势，逐渐被市场所接受。
Zigbee无线技术具有远距离传输特性。顺舟科技采用加强型的Zigbee技术，推出的Zigbee无线数传模块是符合工业标准应用的无线数据通信技术。它具有安装尺寸小、通信距离远、抗干扰能力强、组网灵活等优点和特性；可实现多设备间的数据透明传输；可组米ESH型的网状网络结构，在食品溯源体系中主要是实现对相关数据的传输与信息交互。
（3）EPC全球产品电子代码体系
EPC的全称是Electronic Product Code，中文称为产品电子代码。EPC的载体是RFID电子标签，并借助互联网来实现信息的传递。EPC旨在为没意见单品建立全球的、开放的标识标准，实现全球范围内对单件产品的跟踪与追溯，从而有效提高供应链管理水平，降低物流成本。EPC是一个完整的、复杂的综合的系统。
食品溯源系统将结合EPC技术，把所有的流通环节（包括生产、运输、零售）统一起来，组成一个开放的、可查询的EPC物联网，从而大大提高对食品的追溯。
（4）物流跟踪定位技术（GIS/GPS）
要做到食品追溯，就要贯穿整个食品的过程，包括生产、加工、流通和销售，全过程必须严格控制，这样才能形成一个完整的产业链的食品安全控制体系，以保证向社会提供优质的放心食品，并可确保供应链的高质量数据交流，让食品行业彻底实施食品的源头追踪以及在食品供应链中提供完全透明度的能力。因此，物流运输环节对于整个食品的安全来说就显得异常重要。
GIS（地理信息系统）和GPS（全球卫星定位系统）技术的运用，正好解决了物流运输过程中的准确跟踪和实时定位的难题。GIS是以地理空间数据为基础，采用地理模型分析方法，适时地提供多种空间和动态的地理信息，是一种为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。尤其是近些年，GIS更以其强大的地理信息空间分析功能，在GPS及路径优化中发挥着越来越重要的作用。GPS（全球卫星定位系统）是一种利用地球同步卫星与地面接收装置组成的，可以实时进行计算当前目标装置（接收装置）的经纬度坐标，以实现定位功能的系统。现在越来越多的物流系统采用GIS与GPS结合，以确定运输车辆的运行状况。食品溯源系统通过组建一个运输定位系统，可以有效地对食品进行监控与定位。
3．溯源秤
为了方便产品溯源，在产品打包时使用溯源秤（图5-16）。该秤也叫追溯秤、网络秤、射频识别计价秤，利用溯源秤作为销售终端机，实现产品信息录入、传递、记录产品安全信息、交易信息，并向产品打印质量溯源凭证（追溯码），凭借此证消费者可以通过查询终端机、互联网、手机短信或拨打热线的方式，查询自己所购买食品质量是否合格，信息内容包括：产品产地、生产情况、配料情况、流通环节情况等。
图5-16　溯源秤
4．仓库管理自动化监控技术
当沼渣产品送入到存储仓库时，应实时检测仓库的温度和湿度，保证产品的质量，这些已经在前面章节中介绍过，这里不再赘述。下面主要介绍一下仓库管理的物联网技术在沼渣贮存方面的应用。
使用仓储自动化管理系统，不仅可以对仓储环境信息进行监控管理，并可对产品货位、批次、保质期、配送等实现条形码标签序列号管理。对整个收货、发货、补货、集货、送货等各个环节的规范化作业，还可以根据企业的需求制作多种合理的统计报表。
现代化的仓储管理凭借电子标签和物联网系统，去掉了手工书写票据和送到机房输入的步骤，解决库房信息陈旧滞后的弊病。不论产品流向哪里，都可以自动跟踪。电子标签技术与物联网的结合帮助企业合理有效地利用仓库空间，以快速、准确、低成本的方式为实现产品存储与管理。
沼渣仓储自动化管理可包括入库业务、出库业务、仓库调拨、库存调拨和虚仓管理等功能，这些自动化沼渣贮存技术可有效控制并跟踪仓库业务的物流和成本管理全过程，实现完善的沼渣仓储信息管理。
二、沼液处理的自动化技术
1．流速与流量传感器
这里使用威尼尔流速传感器，用于测量河流、小溪或运河的水流速度（图5-17）。它可以用于研究小溪或河流的释放、水流模式以及沉淀物输送的情况。
图5-17　流速传感器放置示意图
当把威尼尔流速传感器放在小河中时，如图5-18所示，水的流动碰撞叶轮的刀片，导致它的转动。水的流动越快，叶轮转动也越快。叶轮附带的一块磁铁条每半个旋转触动一个舌片开关。开关随即发送一个脉冲去信号整理箱，然后，脉冲转换成与流速成正比例的电压，用来测定流速。流速可以用米／秒的单位表示。
图5-18　威尼尔流速传感器测量流动的水的速度
流水的移动所运送的沉积物数量和最大颗粒的大小是与流速有关的。因此，使用流速传感器得到的流速数据可以被用于决定不同微粒将在特定的流速下的停留情况。这样就可以知道沼液的各个环节的沉淀情况。
2．COD在线检测
水中COD的含量可以使用COD在线检测仪进行检测，并将测试数据传输到后台管理中心，进行存储或分析，如图5-19所示。在线监测仪采用重铬酸钾为氧化剂，硫酸银为催化剂，在酸性条件下加热消解。采用光度法检测反应液中三价铬离子的浓度，依据比尔定律原理计算出水样的耗氧量，即COD值。
图5-19　COD水质在线检测仪