蚕沙生物质能的转化利用

蚕沙生物质能的转化利用生物质即指自然界中的各种有机生命体，包括所有的动植物和微生物。生物质能是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式，以生物质为载体的能量。它直接或间接地来源于绿色植物的光合作用可转化为常规的固态、液态和气态燃料，取之不尽、用之不竭，是一种可再生能源。一般来讲，生物质能是指利用自然界的植物、粪便以及城乡有机废物转化成的能源［1，2］。蚕沙又名蚕矢，是蚕蛾科动物家蚕蛾幼虫的干燥粪便，是养蚕过程中产生的废弃物，它包括蚕粪、残留的桑叶、蚕眠起时蜕的皮以及在整个养蚕过程中使用的消毒物和吸湿材料等。蚕沙含有机物83%〜90%，灰分10%〜15%，总氮量2%〜4%。100公斤风干蚕沙富含氮1.28公斤、磷0.48公斤、钾0.21公斤，因此蚕沙具有极高的利用价值［3，4］，是天然且产储量较大的生物质资源。其主要用途包括：入药、饲料、肥料、提取叶绿素、制备叶绿素铜、提取果胶、分离胡萝卜素、植物醇和三十烷醇等，作为发酵沼气的原料，则具有优质、经济、实用的特点。1蚕沙作为生物质能源产沼气的优势来源丰富，成本低廉，益处良多据统计，每生产100公斤蚕茧可得600公斤干蚕沙，以某地区年产茧4000吨为例，则每年可产干蚕沙约2.4万吨，可见，对于蚕桑生产产区来说，蚕沙的来源量是相当可观的。蚕沙作为蚕桑产业的副产物，通常是用作肥料，用量有限，蚕农通常不将其作为创收的产物，有的甚至直接作为垃圾处理掉，这对于营养价值较高的蚕沙来说，是一种浪费。另外，由于大型牲畜养殖户数量少，粪肥料也随之变少，造成了沼气原料不足，以蚕沙为原料，可有效解决其利用率低、污染环境等问题，能有效弥补农村短缺的能源，对生态农业走可持续发展之路大有益处。蚕沙为优质的发酵沼气原料蚕沙属酸性，经加入石灰粉和漂白粉等碱性物质的消毒处理，使其发生了化学反应，成为了中性的有机混合物，变成了发酵产沼气的优质原料。蚕沙的组成成分中，蚕粪含氮量很高，尤以可溶性尿酸的含量最丰富。蚕蜕皮主要是由蛋白质所组成。因此，蚕沙不仅含有发酵沼气，细菌生长所必需的蛋白质、纤维素和糖类等物质，而且可被甲烷产生菌直接利用的可溶性有机化合物也占大多数。另外，其中丰富的酶激活素——三十醇，也可促进多种酶的生化活性。因此，将蚕沙应用到沼气池中，其产气的起动性能和速率都可大为改善。据测算，将1000公斤蚕沙加粪水堆沤15天后入沼气池，产气量可达到42立方米左右，可持续产气80天，其中甲烷含量在62%左右，与以猪粪为原料的产气量相比略低，但足以替代猪、牛、鸡等畜禽养殖废弃物作为沼气发酵原料。从能源角度讲，沼气是性能较好的燃料，纯燃气热值为21.98MJ/立方米（甲烷含量60%、二氧化碳含量32%）时，属中等热值燃料。如以每天产沼气1.2立方米计算，可满足一家3口一天三餐饭及照明的需要，年可节省燃料费和电费1200元以上[7，8]。蚕沙产沼气可再生循环利用循环经济是一种以资源的高效利用和循环利用为核心，以“减量化、再利用、资源化”为基本准则，以“低消耗、低排放、高效率”为基本特征，符合全面协调、可持续发展理念的经济增长模式。由桑到蚕，再到蚕沙发酵沼气，沼渣入肥的可再生循环系统，是蚕业产区重点发展方向，在获得了干净环保的可再生能源的同时，经济和社会效益也十分显著。蚕沙产沼气可再生循环系统不仅有利于蚕业事业的发展，还有利于优化生产资源环境。不仅为农户提供了清洁、廉价的能源，循环系统的末端废弃物还是优质肥料，可作为有机肥入田，反补采桑养蚕，蚕沙产能的循环链，有效防止了蚕沙中病菌扩散，变废为宝。通过生产者（树叶）-消费者（蚕）一分解者（微生物）这一循环系统的主干，将蚕沙和人畜粪等分解，加工成肥沃的沼渣，作为优质肥料，使地方农业生态系统能够长时间地保持着动态平衡。特别是将能量转化、物质再生和分层多级利用的原理应用于生产，人们在遵循生态平衡的前提下，使之朝着更有益于人类的发展方向。循环经济已成为农村资源开发利用的主流，根据地域优势，因势利导，发展蚕业——农业循环体系。将蚕沙进行标准化、无害化处理，促进整个蚕产业的可持续、健康、稳步发展。2蚕沙发酵沼气的预处理工艺池外堆沤解毒沼气发酵是微生物通过分解物质产酸、产甲烷的过程，需甲烷细菌的广泛活动。而蚕沙中含有大量的抑制细菌活动的成份和大量杀虫灭菌农药，所以，未经过池外堆沤的蚕沙原料绝对不能直接入池发酵产沼气，尤其是初次装料的新池。一次性投料发酵以蚕沙为全部沼气发酵原料，并且一次性投入足量，密封发酵的方式，称之为一次性投料。投蚕沙前，需要适量的人畜纯粪便或阴沟活性污泥作为接种物，待发酵腐熟后开始产甲烷气体时，再将池外堆沤好的蚕沙足量投进沼气池内，加水封盖。间隔排毒，批量投料此法是在沼气池日常运转过程中，成品发酵池处于正常产气状态直接通过进料管少量投入蚕沙鲜粪原料。用于沼气池发酵应注意的技术要点首次启动投料以蚕沙作为首次启动原料的，首先要除去蚕沙中混入的植物枝条以及过量的石灰。已用粪水或沼液浇淋去杂后蚕沙，堆沤10-15天（气温低则适当延长）。预处理后蚕沙，按6%的低浓度启动，数量以1000公斤左右为宜，过多易造成酸化，影响启动，适量加入一些猪粪可有效缩短启动时间，提高启动效果。日常加料鲜蚕沙加料蚕沙入池前要除去蚕沙中的混杂物，以避免其中的枝叶杆儿等造成结壳。鲜蚕沙宜堆沤后入池。注意按少量多次的原则进行加料，每次50〜100公斤，避免出现酸化，影响发酵速度，甚至出现死池。干蚕沙加料以干贮的蚕沙加料时，需先将物料用沼液或粪水浸泡。先将适量（10〜15公斤为宜）干蚕沙倒入容器中，加满沼液或粪水浸泡24小时以上，使其吸足水份后再入池。干蚕沙在冬季，更有利于沼气发酵产气。干蚕沙的贮藏方法：新鲜蚕粪除枝条叶杆儿，日光晒干，筛去大部分消毒用的石灰粉，装袋密封备用。4蚕沙发酵沼气的利用以蚕沙作为生物质能发酵沼气，是物质多层次利用、能量合理流动的高效农业模式，是建立可持续发展新能源的有效方法。沼气发电技术沼气燃烧发电是随着沼气综合利用的不断发展而出现的一项沼气利用技术，是将沼气用于发动机上，并装有综合发电装置，以产生电能和热能，它是一种有效利用沼气的重要方式。目前，用于沼气发电的设备主要有内燃机和汽轮机，主要机理是沼气燃烧使内燃机或汽轮机转动带动发电机发电。沼气发电是随着沼气综合利用技术的不断发展而出现的一项沼气利用技术，它利用工业、农业或城镇生活中的大量有机废弃物（如酒糟液、禽畜粪便、城市污水等）经厌氧发酵处理产生的沼气，驱动发电机组发电，并充分利用发电机组的余热，使综合热效率达75%左右，从而达到环保和节能的目的。沼气燃料电池技术燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的装置。当源源不断地从外部向燃料电池供给燃料和氧化剂时，它可以连续发电。从理论上讲，任何能发生电化学氧化还原反应的气体均可作为燃料电池的燃料或氧化剂。沼气燃料电池发电与沼气发电机发电相比，不仅出电效率和能量利用率高，而且振动和噪音小，排出的氮氧化物和硫化物浓度低，因此是很有发展前途的沼气利用工艺。5吉林地区开发蚕沙生物质能的形势吉林地区因特殊的地理位置和气候，养殖家蚕的规模并不大，只有少部分科学研究或种质库留种养殖，因此家蚕沙的产量还不具备开发生物质能的条件。但在柞蚕生产上，吉林地区却具备巨大的潜力和优势。全国的柞蚕生产80%在东北地区，而吉林柞蚕生产规模庞大，据估算，吉林地区年产柞蚕茧近千万公斤，相应的柞蚕沙的产量可达到2000万公斤。柞蚕沙与家蚕沙的主要成分相近或基本一致，单头蚕的产沙量却高很多，也是十分理想的生物质能源，家蚕沙发酵产沼气的工艺也基本适用于柞蚕沙。但是，相比家蚕来说，柞蚕属于野外放养的品种，需直接放在柞树上自由取食，5龄后除沙结茧的过程也都是在野外柞树上进行，不能同家蚕一样，在室内的蚕蔟上结茧，这就给柞蚕沙的收集造成了一定困难。柞蚕沙通常都集中于营茧场地面上，相对比较集中，长久以来都是不另加处理，顺其自然分解消化成为柞树的肥料，如果想使柞蚕沙以生物质能的形式发挥更大的作用，还需要科研人员找寻出合理、高效的柞蚕沙收集方式，如果成功，还可推广到全国所有的柞蚕产区，使蚕沙生物质能的利用不仅仅局限于我国南方家蚕产区，届时的柞蚕沙利用将产生出巨大的能源，为我国北方蚕业乃至全国农业做出更多更大的贡献。6全面开发蚕沙作为生物质能的意义与建议我国当前面临着经济增长和环境保护的双重压力。改变能源的生产和消费方式，充分开发利用生物质能对建立可持续的能源系统，促进国民经济发展和环境保护具有重大意义。我国作为蚕业生产大国，蚕业生产每年所产蚕沙量是一个庞大的数字，开发利用蚕沙作为生物质能对我国蚕业产区更具特殊意义。以此作为生物质能源，必将对中国生物质能的开发产生巨大的推动作用，为中国生物质能利用开辟新的途径。我国从事蚕业养殖近千万，蚕业生产作为其主要经济生活来源占有十分重要的地位，蚕业副产物蚕沙用于发酵沼气作为主要的生活燃料，以可再生循环的生物质能形式为农村蚕业人口的生产生活带来了可喜的变化。将蚕沙等蚕桑副产品综合加工利用，延长了整个蚕桑产业链，增加了产业的经济效益及附加值。发展此