戶用沼氣池建設(shè)對改善農(nóng)村室內(nèi)環(huán)境效果分析

宋海軍， 馬 培， 崔樹軍， 馬夢娟

(河南工程學(xué)院 資源與環(huán)境學(xué)院, 河南 鄭州 451191)

項目來源： 國家青年基金項目(41401549)； 河南省教育廳科學(xué)技術(shù)重點研究項目(14B610009)

戶用沼氣池建設(shè)對改善農(nóng)村室內(nèi)環(huán)境效果分析

宋海軍， 馬 培， 崔樹軍， 馬夢娟

(河南工程學(xué)院 資源與環(huán)境學(xué)院, 河南 鄭州 451191)

文章通過定點采樣，fi等方法，定量對比分析戶用沼氣池對農(nóng)村室內(nèi)環(huán)境改善效果。研究結(jié)果表明：沼氣戶室內(nèi)空氣中CO，NH3，SO2，PM10等污染物濃度分別為5.64 mg·m-3，1.05 mg·m-3，0.38 mg·m-3，0.57 mg·m-3，而非沼氣戶室內(nèi)4種污染物濃度分別為144.76 mg·m-3，4.38 mg·m-3，0.73 mg·m-3，0.87 mg·m-3，沼氣戶明顯低于非沼氣戶，且4種污染物濃度隨季節(jié)而變化。另外，沼氣戶相對于非沼氣戶室內(nèi)空氣中四項污染物濃度貢獻(xiàn)率分別為96.10%，76.03%，47.9%，34.48% ?？梢姡瑧粲谜託獬亟ㄔO(shè)對改善農(nóng)村室內(nèi)環(huán)境效果顯著。

沼氣池； 室內(nèi)空氣質(zhì)量； 季節(jié)變化； 空氣污染

人們每天有80%以上的時間在室內(nèi)度過，室內(nèi)環(huán)境的好壞直接影響到人體健康。國內(nèi)外大量研究表明，室內(nèi)空氣污染程度往往比室外高[1]。據(jù)世界衛(wèi)生組織2011年發(fā)布的《室內(nèi)空氣污染與健康》指出，室內(nèi)空氣污染程度已經(jīng)高出室外污染5～10倍，全球4%的疾病與室內(nèi)空氣質(zhì)量相關(guān)，每年大約有200萬人因室內(nèi)空氣污染所致疾病而過早死亡[2]。這種情況在農(nóng)村地區(qū)表現(xiàn)得尤為突出，由于受經(jīng)濟條件的制約，傳統(tǒng)能源煤炭、薪柴和秸稈的使用比重達(dá)到90%以上，這些物質(zhì)在室內(nèi)明火或功能簡單的爐灶中燃燒，造成室內(nèi)空氣污染，煙氣中含有大量有毒有害物質(zhì)，對人體的呼吸系統(tǒng)等造成不良影響[3]。

在我國，每年由室內(nèi)空氣污染引起的死亡人數(shù)高達(dá)11.1萬人[4]。傳統(tǒng)低效高耗用能模式不僅浪費了資源，而且破壞了農(nóng)村的生態(tài)環(huán)境，直接威脅到人們身體健康。近年來隨著能源緊張局勢的加劇，各種可再生資源的利用得到了較快發(fā)展，在農(nóng)村地區(qū)主要集中在沼氣的利用[5-6]。沼氣具有較高的熱值，并能替代煤炭、石油、天然氣等化石能源及薪柴、秸稈等生物質(zhì)能源，可減少溫室氣體排放[7-8]，對改善室內(nèi)空氣質(zhì)量效果顯著。筆者研究通過選取典型代表性農(nóng)戶，通過對沼氣戶和非沼氣戶進行實地監(jiān)測，對比分析沼氣戶與非沼氣戶室內(nèi)空氣中CO，NH3，SO2，PM10等污染物濃度，為進一步推廣戶用沼氣池建設(shè)提供定量化支持。

1 材料和方法

1.1 選點

選點應(yīng)具有較強的對比性，廣泛使用傳統(tǒng)能源煤、薪柴、秸桿等，同時沼氣發(fā)展速度涉及面較廣。通過實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，河南省夏邑縣戶用沼氣池使用普遍，沼氣建設(shè)推廣較早，故選址在該縣太平鎮(zhèn)卜莊村，選取5戶沼氣戶和5戶非沼氣戶作為研究對象。

1.2 采樣

1.2.1 采樣時間和頻率

分別于2014年3月，6月，9月和12月對選定的10監(jiān)測點進行采樣，每日采樣3次，連續(xù)采樣3日。采樣時間選定在每日的三餐期間進行。并對采樣結(jié)果進行動態(tài)監(jiān)測。

1.2.2 采樣點選擇

選擇在農(nóng)戶的廚房內(nèi)，要求距墻和爐灶的距離0.5～1 m之間，高度設(shè)定為1.45 m(此高度是當(dāng)前農(nóng)村室內(nèi)人們活動時呼吸所達(dá)到的平均高度)。

1.2.3 采樣方法

1.2.3.1 一氧化碳(CO)

使用CO檢測儀，連續(xù)采樣45 min，每15 min讀1次數(shù)，求其平均值。采樣時對選取的對象進行同步測定，同時根據(jù)實際需要選擇不同量程的CO檢測儀。

1.2.3.2 二氧化硫(SO2)

采用中流量大氣采樣器(0.5 L·min-1)，內(nèi)裝有甲醛緩沖吸收液的吸收管，每次采集時間為45 min。

1.2.3.3 氨氣(NH3)

采用中流量大氣采樣器(0.5 L·min-1)，內(nèi)裝有稀硫酸吸收液的吸收管，每次采集時間為45 min。

1.2.3.4 可吸入顆粒物(PM10)

使用裝入濾膜的可吸入顆粒物(PM10)切割器，采用中流量大氣采樣器(100 L·min-1)，采集60 min后取下濾膜，帶回實驗室進行檢測。

1.3 試驗儀器及材料

1.3.1 試驗儀器

中流量大氣采樣器(Th-150CIII型)，CO測定儀(TY-9500型)，分析天平，紫外分光光度計(S54)。

1.3.2 試驗材料

玻璃纖維膜、去離子水、洗瓶。

1.3.3 試劑

甲醛緩沖吸收液，0.05%PRA試劑，0.06%氨磺酸，1.5 mol·L-1的NaOH、氨吸收液(0.005 mol·L-1的稀硫酸)、酒石酸鉀鈉溶液，鈉氏試劑，SO2標(biāo)準(zhǔn)溶液、氨標(biāo)準(zhǔn)溶液。

1.4 試驗方法

室內(nèi)空氣各污染物濃度監(jiān)測方法及依據(jù)見表1。

表1 室內(nèi)空氣測定項目與測定方法[9]

2 結(jié)果與分析

目前，農(nóng)村地區(qū)多數(shù)村民的生活用能仍以秸稈、薪柴、木炭為主，因使用的爐灶類型千差萬別，制訂一套反映不同區(qū)域、不同用能結(jié)構(gòu)的農(nóng)村廚房主要污染物排放標(biāo)準(zhǔn)難度較大。為此，我國還沒有頒布《廚房空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》。筆者研究參照《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，探討戶用沼氣池建設(shè)對室內(nèi)環(huán)境的影響。

2.1 室內(nèi)一氧化碳(CO)含量對比分析

監(jiān)測結(jié)果顯示，沼氣戶室內(nèi)CO濃度最大值為8.82 mg·m-3，最小值為2.46 mg·m-3，非沼氣戶CO濃度最大值為235.84 mg·m-3，最小值為53.68 mg·m-3，與《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中CO標(biāo)準(zhǔn)限值(10 mg·m-3)相比，非沼氣戶室內(nèi)CO濃度平均值是標(biāo)準(zhǔn)限值的14.47倍，CO濃度嚴(yán)重超標(biāo)，而沼氣戶室內(nèi)CO濃度平均值低于標(biāo)準(zhǔn)限值。對比見圖1。

圖1 室內(nèi)空氣中CO濃度對比圖

由圖1可知，沼氣戶室內(nèi)空氣中CO的濃度明顯低于非沼氣戶，平均濃度比非沼氣戶低139.12 mg·m-3。由于非沼氣戶使用低質(zhì)量的煤和未加工處理的生物質(zhì)原料作為生活燃料，這些燃料在簡單的爐灶內(nèi)燃燒，因為燃燒不完全，易產(chǎn)生CO。而沼氣作為一種清潔能源，由于燃燒徹底，室內(nèi)空氣中污染物CO濃度大大降低?？梢?，戶用沼氣池建設(shè)使用后大大改善了農(nóng)戶室內(nèi)環(huán)境。

從季節(jié)對比情況來看，沼氣戶和非沼氣戶都是冬季室內(nèi)空氣中CO濃度最高，春秋季節(jié)其次，夏季CO濃度最低，原因是冬季氣溫低，沼氣發(fā)酵受到抑制，產(chǎn)氣率下降，相應(yīng)的增加了煤炭使用量，另外一方面就是冬季農(nóng)戶往往將門窗關(guān)閉，不利于CO擴散，從而造成CO排放量增加。

2.2 室內(nèi)二氧化硫(SO2)含量對比分析

監(jiān)測結(jié)果顯示，沼氣戶室內(nèi)SO2濃度最大值為1.62 mg·m-3，最小值為0.48 mg·m-3，非沼氣戶SO2濃度最大值為7.12 mg·m-3，最小值為1.64 mg·m-3，與《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中SO2標(biāo)準(zhǔn)限值(0.5 mg·m-3)相比，非沼氣戶室內(nèi)SO2濃度平均值是標(biāo)準(zhǔn)限值的8.76倍，沼氣戶室內(nèi)SO2濃度僅是非沼氣戶的23.97%。對比見圖2。

圖2 室內(nèi)空氣中SO2濃度對比圖

從圖2可以看出，沼氣戶室內(nèi)空氣中SO2的濃度明顯低于非沼氣戶，由于煤炭是農(nóng)戶家燃料中產(chǎn)生SO2有害氣體的主要原料，對于沼氣戶來說，沼氣燃燒幾乎不產(chǎn)生SO2，且每戶均安裝有脫硫裝置，對降低室內(nèi)空氣中SO2濃度，改善室內(nèi)空氣質(zhì)量效果較為明顯。但是，從圖中不難看出，沼氣戶室內(nèi)空氣中SO2濃度仍高于標(biāo)準(zhǔn)限值，究其原因，主要是由于沼氣使用過程中，未對安裝的脫硫裝置定期進行護理，如果凈化器中的脫硫劑長期不作更換和再生處理，裝置中的脫硫劑易結(jié)塊堵塞管路，造成凈化器起不到凈化作用，使得沼氣戶室內(nèi)空氣中SO2濃度相對偏高。

從季節(jié)對比情況來看，沼氣戶和非沼氣戶室內(nèi)空氣中SO2濃度表現(xiàn)出與CO類似的變化趨勢，都是冬季最高，春秋季節(jié)其次，夏季SO2濃度最低，冬季SO2濃度是夏季的3.38倍，這主要是因為無論是沼氣戶還是非沼氣戶冬季增加了煤炭的使用量，且空氣流動性較差，導(dǎo)致室內(nèi)SO2濃度增高。

2.3 室內(nèi)氨氣(NH3)含量對比分析

監(jiān)測結(jié)果顯示，沼氣戶室內(nèi)NH3濃度最大值為0.52 mg·m-3，最小值為0.24 mg·m-3，非沼氣戶NH3濃度最大值為0.89 mg·m-3，最小值為0.57 mg·m-3，與《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中NH3標(biāo)準(zhǔn)限值(0.2 mg·m-3)相比，非沼氣戶室內(nèi)NH3濃度超標(biāo)嚴(yán)重，是沼氣的7倍多。對比見圖3。

圖3 室內(nèi)空氣中NH3濃度對比圖

由圖3可知，非沼氣戶室內(nèi)空氣中污染物NH3濃度明顯高于沼氣戶。究其原因，主要是因為沼氣戶在沼氣池建設(shè)使用后，把動物糞便、農(nóng)作物秸稈等及時收集排入密封的沼氣池進行發(fā)酵，減少了NH3排放量[10]，從圖3也可以看出，沼氣戶和非沼氣戶室內(nèi)空氣中NH3濃度均比標(biāo)準(zhǔn)限值要高，原因是沼氣在發(fā)酵過程中會產(chǎn)生少量的NH3，從而造成沼氣戶NH3濃度超標(biāo)。但在同等條件下，戶用沼氣池建設(shè)使用后在很大程度上降低了NH3濃度，改善了室內(nèi)環(huán)境。

從季節(jié)對比情況來看，沼氣戶和非沼氣戶室內(nèi)空氣中NH3濃度均表現(xiàn)出與CO和SO2相反的變化趨勢，夏季最高，春秋次之，冬季最低，這是因為無論沼氣戶還是非沼氣戶在夏季堆肥時，速率較快，造成NH3濃度偏高，而春秋季和冬季NH3濃度變化不明顯。

2.4 室內(nèi)可吸入顆粒物(PM10)含量對比分析

監(jiān)測結(jié)果顯示，沼氣戶室內(nèi)空氣中PM10濃度最大值為0.86 mg·m-3，最小值為0.28 mg·m-3，非沼氣戶PM10濃度最大值為1.28 mg·m-3，最小值為0.46 mg·m-3，與《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的PM10濃度標(biāo)準(zhǔn)限值(0.15 mg·m-3)相比，非沼氣戶室內(nèi)空氣中PM10濃度是標(biāo)準(zhǔn)限值的7倍多，超標(biāo)較為嚴(yán)重。

由圖4可知，沼氣戶室內(nèi)空氣中PM10含量低于非沼氣戶，究其原因，非沼氣戶主要使用傳統(tǒng)能源作燃料，產(chǎn)生的SO2，NOx等經(jīng)化學(xué)反應(yīng)生成MSO4，MNO3等顆粒物，且生成的煙氣中含有微小粒子，導(dǎo)致室內(nèi)空氣中PM10濃度明顯偏高。

圖4 室內(nèi)空氣中PM10濃度對比圖

另外，從季節(jié)對比情況來看，無論是沼氣戶還是非沼氣戶室內(nèi)空氣中PM10濃度在夏季較高，春秋次之，冬季較低，但各季節(jié)室內(nèi)空氣中PM10濃度變化并不太明顯，這與PM10的自身特性有關(guān)，室內(nèi)空氣中PM10濃度除與燃料燃燒產(chǎn)生的煙塵有關(guān)外，還與人為活動產(chǎn)生的粉塵以及自然塵粒等有關(guān)。在同等條件下，戶用沼氣池建設(shè)有利于降低PM10濃度和改善室內(nèi)環(huán)境。

2.5 戶用沼氣池建設(shè)對改善室內(nèi)環(huán)境的貢獻(xiàn)率

沼氣戶相對非沼氣戶室內(nèi)空氣中污染物濃度的貢獻(xiàn)率由下式定義[10]。

式中：CR為貢獻(xiàn)率；Cj為使用傳統(tǒng)能源的農(nóng)戶污染物濃度；Ci為使用沼氣能源的農(nóng)戶污染物濃度；n,k為分別為使用傳統(tǒng)能源和沼氣的戶數(shù)。

戶用沼氣池建設(shè)對改善室內(nèi)環(huán)境的貢獻(xiàn)率計算結(jié)果見表2。

表2 沼氣戶相對非沼氣戶四項指標(biāo)的貢獻(xiàn)率 (%)

從表2中可以看出，沼氣的使用對室內(nèi)空氣中污染物CO的改善最為顯著，相對非沼氣戶其貢獻(xiàn)率為96.10%；SO2，NH3，PM10相對非沼氣戶其貢獻(xiàn)率分別為76.03%，47.9%，34.48%的污染。戶用沼氣池建設(shè)使用后對于PM10的貢獻(xiàn)率相對較低，分析發(fā)現(xiàn)PM10的產(chǎn)生因素比較廣，比如人類活動產(chǎn)生的粉塵、室外懸浮顆粒物的濃度及通風(fēng)條件等，對室內(nèi)PM10濃度都會造成一定影響。

3 結(jié)論

(1)通過對比分析發(fā)現(xiàn)：戶用沼氣池建設(shè)使用后，沼氣戶室內(nèi)CO，SO2，NH3，PM10等污染物濃度明顯低于非沼氣戶。

(2)沼氣戶和非沼氣戶室內(nèi)空氣中CO，SO2，NH3，PM10等污染物濃度隨季節(jié)而變化，其中冬季和夏季變化較為明顯。

(3)戶用沼氣池建設(shè)使用后，對室內(nèi)空氣中污染物CO，SO2，NH3，PM10等改善較為明顯，相對于非沼氣戶其貢獻(xiàn)率分別為96.10%，76.03%，47.9%，34.48%。

可見，戶用沼氣池建設(shè)使用后，室內(nèi)空氣中CO，SO2，NH3，PM10等污染物濃度下降明顯，沼氣戶室內(nèi)環(huán)境得到明顯改善，應(yīng)在河南省乃至全國大力推廣戶用沼氣池建設(shè)。

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AnalysisonImprovingRuralIndoorEnvironmentbyUsingBiogas/

SONGHai-jun，MAPei，CUIShu-jun，MAMeng-juan/

(CollegeofResourcesandEnvironment,HenanUniversityofEngineering,Zhengzhou451191,China)

To analyze the effect of biogas application on improving rural indoor environment, the quantitative comparison was carried out by fix-point sampling and field monitoring. The results showed that the content of CO, NH3, SO2, PM10for indoor air of biogas utilization family were 5.64 mg·m-3, 1.05 mg·m-3, 0.38 mg·m-3, 0.57 mg·m-3respectively, and those for non-biogas family were 144.76 mg·m-3, 4.38 mg·m-3, 0.73 mg·m-3, 0.87 mg·m-3respectively, All the 4 monitored pollutant concentrations in biogas utilization families were significantly lower than those of non biogas family. And the pollutant concentration was varying with the seasons. Comparing the indoor air with non-biogas family, the CO, NH3, SO2, PM10in biogas family decreased their concentration by 96.10%, 76.03%, 47.9%, 34.48% respectively. It showed that CO contributed the best in improving rural indoor air.

household biogas digester; indoor air quality; seasonal variation; air pollution

2016-09-16

2016-09-30

宋海軍 (1978-)，男，河南周口人，副教授，主要從事固體廢物處理與利用研究等工作，E-mail:navy312@163.com

S216.4

B

1000-1166(2017)04-0091-04