蠶沙生物質能的轉化利用

薛強　李森　李金志　朱興友

摘要：生物質能是利用有機物質開發的可再生能源，蠶沙即是標準的生物質能源。本文簡要介紹了利用其發酵生產沼氣的優勢、工藝、注意事項、應用技術等，分析了吉林地區利用蠶沙生物質能的形勢，闡述了全面開發蠶沙生物質能對發展蠶業事業、保護環境、實施可持續發展的重要意義。

關鍵詞：生物質能；蠶沙；發酵；沼氣

資助項目：現代農業產業技術體系建設專項（No.CARS-22）

中圖分類號： X53 文獻標識碼： A DOI編號： 10.14025/j.cnki.jlny.2016.16.010

生物質即指自然界中的各種有機生命體，包括所有的動植物和微生物。生物質能是太陽能以化學能形式貯存在生物質中的能量形式，以生物質為載體的能量。它直接或間接地來源于綠色植物的光合作用，可轉化為常規的固態、液態和氣態燃料，取之不盡、用之不竭，是一種可再生能源。一般來講，生物質能是指利用自然界的植物、糞便以及城鄉有機廢物轉化成的能源[1，2]。

蠶沙又名蠶矢，是蠶蛾科動物家蠶蛾幼蟲的干燥糞便，是養蠶過程中產生的廢棄物，它包括蠶糞、殘留的桑葉、蠶眠起時蛻的皮以及在整個養蠶過程中使用的消毒物和吸濕材料等。蠶沙含有機物83%～90%，灰分10%～15%，總氮量2%～4%。100公斤風干蠶沙富含氮1.28公斤、磷0.48公斤、鉀0.21公斤，因此蠶沙具有極高的利用價值[3，4]，是天然且產儲量較大的生物質資源。其主要用途包括：入藥、飼料、肥料、提取葉綠素、制備葉綠素銅、提取果膠、分離胡蘿卜素、植物醇和三十烷醇等，作為發酵沼氣的原料，則具有優質、經濟、實用的特點。

1蠶沙作為生物質能源產沼氣的優勢

1.1 來源豐富，成本低廉，益處良多

據統計，每生產100公斤蠶繭可得600公斤干蠶沙，以某地區年產繭4000噸為例，則每年可產干蠶沙約2.4萬噸，可見，對于蠶桑生產產區來說，蠶沙的來源量是相當可觀的[5]。

蠶沙作為蠶桑產業的副產物，通常是用作肥料，用量有限，蠶農通常不將其作為創收的產物，有的甚至直接作為垃圾處理掉，這對于營養價值較高的蠶沙來說，是一種浪費。另外，由于大型牲畜養殖戶數量少，糞肥料也隨之變少，造成了沼氣原料不足，以蠶沙為原料，可有效解決其利用率低、污染環境等問題，能有效彌補農村短缺的能源，對生態農業走可持續發展之路大有益處。

1.2 蠶沙為優質的發酵沼氣原料

蠶沙屬酸性，經加入石灰粉和漂白粉等堿性物質的消毒處理，使其發生了化學反應，成為了中性的有機混合物，變成了發酵產沼氣的優質原料。

蠶沙的組成成分中，蠶糞含氮量很高，尤以可溶性尿酸的含量最豐富。蠶蛻皮主要是由蛋白質所組成。因此，蠶沙不僅含有發酵沼氣，細菌生長所必需的蛋白質、纖維素和糖類等物質，而且可被甲烷產生菌直接利用的可溶性有機化合物也占大多數。另外，其中豐富的酶激活素——三十醇，也可促進多種酶的生化活性。因此，將蠶沙應用到沼氣池中，其產氣的起動性能和速率都可大為改善。

據測算，將1000公斤蠶沙加糞水堆漚15天后入沼氣池，產氣量可達到42立方米左右，可持續產氣80天，其中甲烷含量在62%左右，與以豬糞為原料的產氣量相比略低，但足以替代豬、牛、雞等畜禽養殖廢棄物作為沼氣發酵原料[6]。從能源角度講，沼氣是性能較好的燃料，純燃氣熱值為21.98MJ/立方米（甲烷含量60%、二氧化碳含量32%）時，屬中等熱值燃料。如以每天產沼氣1.2立方米計算，可滿足一家3口一天三餐飯及照明的需要，年可節省燃料費和電費1200元以上[7，8]。

1.3 蠶沙產沼氣可再生循環利用

循環經濟是一種以資源的高效利用和循環利用為核心，以“減量化、再利用、資源化”為基本準則，以“低消耗、低排放、高效率”為基本特征，符合全面協調、可持續發展理念的經濟增長模式。由桑到蠶，再到蠶沙發酵沼氣，沼渣入肥的可再生循環系統，是蠶業產區重點發展方向，在獲得了干凈環保的可再生能源的同時，經濟和社會效益也十分顯著。蠶沙產沼氣可再生循環系統不僅有利于蠶業事業的發展，還有利于優化生產資源環境。不僅為農戶提供了清潔、廉價的能源，循環系統的末端廢棄物還是優質肥料，可作為有機肥入田，反補采桑養蠶，蠶沙產能的循環鏈，有效防止了蠶沙中病菌擴散，變廢為寶。

通過生產者（樹葉）→消費者（蠶）→分解者（微生物）這一循環系統的主干，將蠶沙和人畜糞等分解，加工成肥沃的沼渣，作為優質肥料，使地方農業生態系統能夠長時間地保持著動態平衡。特別是將能量轉化、物質再生和分層多級利用的原理應用于生產，人們在遵循生態平衡的前提下，使之朝著更有益于人類的發展方向[9]。

循環經濟已成為農村資源開發利用的主流，根據地域優勢，因勢利導，發展蠶業——農業循環體系。將蠶沙進行標準化、無害化處理，促進整個蠶產業的可持續、健康、穩步發展。

2蠶沙發酵沼氣的預處理工藝

2.1 池外堆漚解毒

沼氣發酵是微生物通過分解物質產酸、產甲烷的過程，需甲烷細菌的廣泛活動。而蠶沙中含有大量的抑制細菌活動的成份和大量殺蟲滅菌農藥，所以，未經過池外堆漚的蠶沙原料絕對不能直接入池發酵產沼氣，尤其是初次裝料的新池。

2.2 一次性投料發酵

以蠶沙為全部沼氣發酵原料，并且一次性投入足量，密封發酵的方式，稱之為一次性投料。投蠶沙前，需要適量的人畜純糞便或陰溝活性污泥作為接種物，待發酵腐熟后開始產甲烷氣體時，再將池外堆漚好的蠶沙足量投進沼氣池內，加水封蓋。

2.3 間隔排毒，批量投料

此法是在沼氣池日常運轉過程中，成品發酵池處于正常產氣狀態，直接通過進料管少量投入蠶沙鮮糞原料[10]。

3蠶沙用于沼氣池發酵應注意的技術要點

3.1首次啟動投料

以蠶沙作為首次啟動原料的，首先要除去蠶沙中混入的植物枝條以及過量的石灰。已用糞水或沼液澆淋去雜后蠶沙，堆漚10～15天（氣溫低則適當延長）。預處理后蠶沙，按6%的低濃度啟動，數量以1000公斤左右為宜，過多易造成酸化，影響啟動，適量加入一些豬糞可有效縮短啟動時間，提高啟動效果。

3.2日常加料

3.2.1 鮮蠶沙加料 蠶沙入池前要除去蠶沙中的混雜物，以避免其中的枝葉桿兒等造成結殼。鮮蠶沙宜堆漚后入池。注意按少量多次的原則進行加料，每次50～100公斤，避免出現酸化，影響發酵速度，甚至出現死池。

3.2.2 干蠶沙加料 以干貯的蠶沙加料時，需先將物料用沼液或糞水浸泡。先將適量（10～15公斤為宜）干蠶沙倒入容器中，加滿沼液或糞水浸泡24小時以上，使其吸足水份后再入池。干蠶沙在冬季，更有利于沼氣發酵產氣。

干蠶沙的貯藏方法：新鮮蠶糞除枝條葉桿兒，日光曬干，篩去大部分消毒用的石灰粉，裝袋密封備用。

4蠶沙發酵沼氣的利用

以蠶沙作為生物質能發酵沼氣，是物質多層次利用、能量合理流動的高效農業模式，是建立可持續發展新能源的有效方法。

4.1 沼氣發電技術

沼氣燃燒發電是隨著沼氣綜合利用的不斷發展而出現的一項沼氣利用技術，是將沼氣用于發動機上，并裝有綜合發電裝置，以產生電能和熱能，它是一種有效利用沼氣的重要方式。目前，用于沼氣發電的設備主要有內燃機和汽輪機，主要機理是沼氣燃燒使內燃機或汽輪機轉動帶動發電機發電[11]。沼氣發電是隨著沼氣綜合利用技術的不斷發展而出現的一項沼氣利用技術，它利用工業、農業或城鎮生活中的大量有機廢棄物（如酒糟液、禽畜糞便、城市污水等）經厭氧發酵處理產生的沼氣，驅動發電機組發電，并充分利用發電機組的余熱，使綜合熱效率達75%左右，從而達到環保和節能的目的。

4.2 沼氣燃料電池技術

燃料電池是一種將儲存在燃料和氧化劑中的化學能直接轉化為電能的裝置。當源源不斷地從外部向燃料電池供給燃料和氧化劑時，它可以連續發電。從理論上講，任何能發生電化學氧化還原反應的氣體均可作為燃料電池的燃料或氧化劑。沼氣燃料電池發電與沼氣發電機發電相比，不僅出電效率和能量利用率高，而且振動和噪音小，排出的氮氧化物和硫化物濃度低，因此是很有發展前途的沼氣利用工藝[12]。

5吉林地區開發蠶沙生物質能的形勢

吉林地區因特殊的地理位置和氣候，養殖家蠶的規模并不大，只有少部分科學研究或種質庫留種養殖，因此家蠶沙的產量還不具備開發生物質能的條件。但在柞蠶生產上，吉林地區卻具備巨大的潛力和優勢。全國的柞蠶生產80%在東北地區，而吉林柞蠶生產規模龐大，據估算，吉林地區年產柞蠶繭近千萬公斤，相應的柞蠶沙的產量可達到2000萬公斤。

柞蠶沙與家蠶沙的主要成分相近或基本一致，單頭蠶的產沙量卻高很多，也是十分理想的生物質能源，家蠶沙發酵產沼氣的工藝也基本適用于柞蠶沙。但是，相比家蠶來說，柞蠶屬于野外放養的品種，需直接放在柞樹上自由取食，5齡后除沙結繭的過程也都是在野外柞樹上進行，不能同家蠶一樣，在室內的蠶蔟上結繭，這就給柞蠶沙的收集造成了一定困難。

柞蠶沙通常都集中于營繭場地面上，相對比較集中，長久以來都是不另加處理，順其自然分解消化成為柞樹的肥料，如果想使柞蠶沙以生物質能的形式發揮更大的作用，還需要科研人員找尋出合理、高效的柞蠶沙收集方式，如果成功，還可推廣到全國所有的柞蠶產區，使蠶沙生物質能的利用不僅僅局限于我國南方家蠶產區，屆時的柞蠶沙利用將產生出巨大的能源，為我國北方蠶業乃至全國農業做出更多更大的貢獻。

6全面開發蠶沙作為生物質能的意義與建議

我國當前面臨著經濟增長和環境保護的雙重壓力。改變能源的生產和消費方式，充分開發利用生物質能對建立可持續的能源系統，促進國民經濟發展和環境保護具有重大意義。

我國作為蠶業生產大國，蠶業生產每年所產蠶沙量是一個龐大的數字，開發利用蠶沙作為生物質能對我國蠶業產區更具特殊意義。以此作為生物質能源，必將對中國生物質能的開發產生巨大的推動作用，為中國生物質能利用開辟新的途徑。

我國從事蠶業養殖近千萬，蠶業生產作為其主要經濟生活來源占有十分重要的地位，蠶業副產物蠶沙用于發酵沼氣作為主要的生活燃料，以可再生循環的生物質能形式為農村蠶業人口的生產生活帶來了可喜的變化。將蠶沙等蠶桑副產品綜合加工利用，延長了整個蠶桑產業鏈，增加了產業的經濟效益及附加值。發展此生物質能技術，為農村地區提供生活和生產用能，是幫助這些地區脫貧致富，實現小康目標的一項重要任務。

國家在蠶沙生物質能的利用上，還應該給予更多的支持。建立相關的能源基地；加大研發力度，突破技術上的難點；加大政府扶持力度，建立和完善各類保障機制和服務系統，鼓勵和促進蠶沙等生物質能產業的健康發展[13]。立足于農村自有條件，研究新型轉換技術，以減少排放、保護環境為目標，為我國全面實施可持續發展戰略做出貢獻。

參考文獻

[1]王久臣，戴林，田宜水，秦世平.中國生物質能產業發展現狀及趨勢分析[J].農業工程學報，2007（09）：276-282.

[2] 李俊峰，王仲穎.中華人民共和國可再生能源法解讀[M].北京：化學工業出版社，2005.

[3] 覃舟，唐洪興. 以蠶沙為戶用沼氣池發酵原料的產氣試驗[J].可再生能源，2010（06）：88-90+94.

[4] 楊海霞，朱祥瑞，房澤民.蠶沙的開發利用研究進展[J]. 蠶桑通報，2002（03）：9-12.

[5] 陳春，吳大洋.利用蠶沙生產沼氣的開發利用[J].中國蠶業，2004（03）：83-85.

[6] 程建明，姜承炳，陳幸崗，余北疆，華永新，汪桂娣. 蠶沙用作戶用沼氣池原料的啟動試驗[J].中國沼氣，2009（06）：42-43.

[7] 羅定蘭，田時銘.淺談蠶沙產沼氣循環利用效益[J].四川蠶業，2010（04）：51-52.

[8] 陳澤智.生物質沼氣發電技術[J].環境保護，2000（10）：41-42.

[9] 季曉琴，戴明祥，孫杰. 蠶沙產沼氣可再生循環利用現狀與前景分析[J]. 江蘇蠶業，2009（01）：52-53.

[10] 韓文新.蠶沙綜合利用與沼氣發酵預處理工藝[J]. 甘肅農業，1995（08）：22-23.

[11] 冉國偉，張汝坤，馮愛國. 沼氣發電技術現狀分析及發展方向的探討[J]. 農機化研究，2006，（03）：189-191+194.

[12] 曾國揆，謝建，尹芳. 沼氣發電技術及沼氣燃料電池在我國的應用狀況與前景[J].可再生能源，2005（01）：38-40.

[13] 袁振宏，羅文，呂鵬梅，王忠銘，李惠文. 生物質能產業現狀及發展前景[J]. 化工進展，2009（10）：1687-1692.

作者簡介：薛強，碩士，吉林省蠶業科學研究院，副研究員，研究方向：蠶業綜合利用研究。