諸暨市安家湖村聯(lián)戶沼氣工程及效益分析

駱林平，單勝道，虞方伯，翁佳麗，阮樂華

(1.浙江農(nóng)林大學 環(huán)境與資源學院，浙江 杭州 311300； 2.浙江科技學院，浙江 杭州 310023；3.諸暨市農(nóng)村能源技術推廣站，浙江 諸暨 311800)

諸暨市安家湖村聯(lián)戶沼氣工程及效益分析

駱林平1，單勝道2，虞方伯1，翁佳麗3，阮樂華3

(1.浙江農(nóng)林大學 環(huán)境與資源學院，浙江 杭州 311300； 2.浙江科技學院，浙江 杭州 310023；3.諸暨市農(nóng)村能源技術推廣站，浙江 諸暨 311800)

以浙江省諸暨市安家湖村聯(lián)戶沼氣工程為例，對其工藝流程、運行效果及經(jīng)濟和社會效益進行具體分析，為聯(lián)戶沼氣工程應用推廣提供經(jīng)驗借鑒。

聯(lián)戶沼氣工程； CSTR； 效益分析； 新農(nóng)村建設

規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展促進了農(nóng)村經(jīng)濟的繁榮，同時也產(chǎn)生了大量農(nóng)業(yè)廢棄物。根據(jù)2010年《第一次全國污染源普查公報》，畜禽養(yǎng)殖業(yè)的污染排放已經(jīng)成為我國最重要的農(nóng)業(yè)面源污染源之一，其排放的化學需氧量(chemical oxygen demand，COD)達到1 268.26萬t，占全國所有污染物排放的化學需氧量的41.9%，氮和磷污染的排放量分別為102.48萬t和16.04萬t，分別占全國所有污染物氮和磷排放總量的21.7%和37.9%。數(shù)據(jù)顯示，2010年浙江省畜禽糞便污染總量為0.05億t，因耕地面積小，單位耕地面積的畜禽糞便污染量高達2.72 t·hm-2，超過全國1.86 t·hm-2的平均值[1]。

農(nóng)業(yè)大中型沼氣工程作為農(nóng)村生物質(zhì)能源高效利用的一種方式，通過厭氧發(fā)酵，不僅有效降解了多種有機物，生成沼液有機肥[2]，而且可獲得清潔能源沼氣，實現(xiàn)變廢為寶。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)性變化和新農(nóng)村建設的需要，集中供氣成為農(nóng)村沼氣建設發(fā)展的新方向[3]。利用增壓和減壓調(diào)節(jié)裝置，通過輸送管道將沼氣配送到農(nóng)戶，形成供氣管網(wǎng)，解決生活燃料問題，改變了以往的農(nóng)村能源結(jié)構(gòu)和使用方式，實現(xiàn)了農(nóng)村可再生能源技術的推廣和綜合利用，有效促進了農(nóng)村科技進步，推動傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變[4]。

諸暨市位于浙江省中北部，屬北亞熱帶季風氣候區(qū)，四季分明，雨量充沛，氣候溫和濕潤。年平均氣溫17.4 ℃，冬季最低氣溫-10.7 ℃，年平均降雨量1 401 mm，年日照總時數(shù)1 668 h，無霜期234 d左右。安家湖村位于諸暨市城南，是諸暨市農(nóng)村清潔能源示范村，現(xiàn)有人口1 602人，農(nóng)田76 hm2，以種植水稻、蔬菜為主。2010年在中央和地方財政支持下，投資70萬元，以村中某規(guī)?；B(yǎng)殖場糞污為處理對象，建設沼氣集中供氣項目。該工程于2011年2月正式投入運行。

1 沼氣工程工藝流程

我國規(guī)?；i場糞污處理技術通常分為能源生態(tài)型和能源環(huán)保型，2種技術均以沼氣工程為核心。能源生態(tài)型針對沼液沼渣等以肥料形式直接進行土地利用，能源環(huán)保型則對沼液進行好氧等深度處理使出水達到一定標準后排放到自然水體。這2種糞污處理系統(tǒng)均可實現(xiàn)豬場糞污的低污染排放，同時可分別實現(xiàn)81.9%和86.7%的溫室氣體減排[5]。

根據(jù)安家湖村地理條件，結(jié)合新農(nóng)村建設，采用能源生態(tài)型模式，以養(yǎng)殖場豬糞等有機物為原料，經(jīng)厭氧消化池厭氧發(fā)酵，產(chǎn)生的沼氣經(jīng)脫硫和脫水等凈化處理后，通過管網(wǎng)輸配系統(tǒng)輸送至農(nóng)戶家中，作為生活用能；產(chǎn)生的沼液經(jīng)貯肥池輸送至附近13 hm2蔬菜基地，作為優(yōu)質(zhì)有機肥。工程設計處理污水量為50 t·d-1(雨污分流)，平均COD濃度為10 000 mg·L-1，SS 5 000 mg·L-1，工藝流程如圖1所示。

圖1 諸暨安家湖村聯(lián)戶沼氣工程工藝流程圖

1.1 技術特點

1.1.1 水解酸化池

水解酸化池用于均勻混合養(yǎng)殖場產(chǎn)生的豬糞尿和沖洗水，對廢水進行水解酸化反應，使高分子降解為小分子、產(chǎn)乙酸，有利于后續(xù)厭氧處理的進行。設計水解酸化池1座，為地下磚混結(jié)構(gòu)，有效容積100 m3(8 m×5 m×2.5 m)，水力停留時間為2 d。污水自流入池，水解酸化后通過水泵抽送至厭氧消化池。

1.1.2 厭氧消化池

厭氧消化池采用連續(xù)攪拌完全混合厭氧消化(continuous stirred tank reactor，CSTR)工藝，半連續(xù)投料，借助于消化池內(nèi)厭氧活性污泥來凈化有機污染物。發(fā)酵原料進入池內(nèi)后，經(jīng)攪拌與池內(nèi)原有厭氧活性污泥充分接觸，通過厭氧微生物的吸附、吸收和生物降解作用，使廢水中的有機物轉(zhuǎn)化為沼氣。

CSTR消化器使發(fā)酵原料和微生物處于完全混合狀態(tài)，消化器內(nèi)物料分布均勻，避免了分層狀態(tài)，增加了底物和微生物接觸的機會。消化器內(nèi)溫度分布均勻，進入消化器的抑制物質(zhì)能迅速擴散，保持較低濃度水平，避免了浮渣、結(jié)殼、堵塞、氣體逸出不暢和短流現(xiàn)象。與常規(guī)消化器相比，CSTR活性區(qū)域遍布整個消化器，其效率較常規(guī)消化器有顯著提高，適用于高濃度及含有大量懸浮固體原料的處理[6]。與此同時，因CSTR消化器的污泥停留時間與水力停留時間相等，為提高產(chǎn)氣率，需要較長的水力停留時間，使得消化器的體積較大[7]。

本工程設計厭氧消化池2座，為地埋式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，并聯(lián)運行，有效容積為400 m3，水力停留時間為8 d，常溫發(fā)酵。每個消化池均分為3室，采用水泵循環(huán)攪拌。厭氧消化池從地下50 cm至地面部分外覆保溫層，以保證發(fā)酵的穩(wěn)定運行[8]。

常溫條件下，設計每日產(chǎn)氣量在0.3～0.4 m3，沼氣工程滿負荷運行時日產(chǎn)氣達到120～160 m3。按照安家湖村集中供氣規(guī)劃，工程滿足要求。

1.1.3 沉淀貯肥池

厭氧池后設200 m3沉淀貯肥池1座，水力停留時間為4 d。貯肥池的沼液用水泵抽取至蔬菜基地臨時沼液儲備池，作為有機肥供給農(nóng)戶使用。

1.1.4 貯氣柜及輸氣管網(wǎng)

沼氣經(jīng)氣水分離、脫硫凈化和計量后，進入容積為100 m3的圓柱形濕式貯氣柜，通過管道送入農(nóng)戶家中。150戶集中供氣用戶使用同一類型炊具，額定氣量為0.4 m3·h-1，燃具同時工作比例為40%，主沼氣管道計算流量為24 m3·h-1。管道采用聚乙烯(PE)燃氣管道，熱熔連接。管網(wǎng)總長6 000 m，貯氣柜至第1分支距離為1 100 m，PE燃氣管取直徑110 mm；第2分支長1 900 m，PE燃氣管取直徑50 mm；其余依次取直徑32 mm和直徑20 mm。

1.2 系統(tǒng)運行效果

該沼氣工程于2010年7月進料啟動，8月開始試運行。期間，根據(jù)農(nóng)戶用氣量大小，以貯氣柜升降高度為參照，適時進料。進料以干糞為主，進料后水泵回流攪拌，平均每天攪拌2 h。2010年8月至2011年6月每月的日平均產(chǎn)氣量、日平均投料量及平均溫度如表1所示。

表1 2010年8月至2011年6月產(chǎn)氣情況

2010年8月至2011年1月為試運行期，期間農(nóng)戶用氣免費，月均用氣量最高為87.1 m3·d-1，最低為62.8 m3·d-1，平均76.5 m3·d-1，相當于平均每戶用氣0.51 m3·d-1。該常溫沼氣池雖為地埋式，但因沒有外在的加熱保溫設備，其產(chǎn)氣率受氣溫影響仍然較大。如表1所示，為保證農(nóng)戶用氣，當氣溫由8月份的31.3 ℃降低至12月份的4.3 ℃時，投料量也逐月遞增，從230 kg·d-1增加至680 kg·d-1，其中包括人工投加的豬糞干料。2011年1月因用氣量有所回落，投料量也相應減少。2011年2月正式投入運行后，實行用氣收費，單價為0.5元·m-3，此項費用用于支付1名管理人員工資及日常運行維護費用。受收費影響，從2月份開始，截止至6月份，月平均用氣量減少為68.2 m3·d-1，比試運行期間平均減少10.8%。

2 效益分析

2.1 經(jīng)濟效益

安家湖聯(lián)戶沼氣工程年供沼氣約2.5萬m3，按0.5元·m-3計，合計1.25萬元，平均每戶年均支付燃料費約83元。普通農(nóng)戶每年需消耗液化石油氣5～7罐或相當量的薪材，以平均6罐測算(當前液化石油氣價格110元每罐)，每戶年可節(jié)約燃料費用支出577元，150戶合計年可節(jié)約8.66萬元，節(jié)省逾87%。沼氣發(fā)酵后產(chǎn)生的沼液與沼渣是優(yōu)質(zhì)有機肥，通過在蔬菜基地的施用，不僅可提高作物品質(zhì)，而且可節(jié)省化肥支出，經(jīng)濟效益顯著[9]。

2.2 社會效益

該沼氣工程年可處理養(yǎng)殖場糞污約1.8萬t，年產(chǎn)沼氣約2.5萬m3，不僅顯著改善了周邊環(huán)境，還解決了農(nóng)村生活用能問題，改善了能源利用結(jié)構(gòu)。養(yǎng)殖場糞污的集中有效處理，改善了養(yǎng)殖場周邊的空氣質(zhì)量與衛(wèi)生問題，同時也避免了對河道湖泊的污染。沼液與沼渣的合理利用，不僅增加了農(nóng)戶用肥來源，施用后還能改土增產(chǎn)，提升作物品質(zhì)[10]。沼氣作為生活用能推廣使用后，改變了農(nóng)村原先粗放型的能源利用方式，節(jié)省大量竹木材等資源，并且減少了溫室氣體的排放量。同時，沼氣進農(nóng)戶，減輕了農(nóng)村家庭婦女的勞動負擔，改善了生產(chǎn)生活條件，有利于加快農(nóng)村致富奔小康步伐，加快城鄉(xiāng)一體化進程。

安家湖聯(lián)戶沼氣工程作為浙江農(nóng)村沼氣發(fā)展的新實踐，取得了一定的寶貴經(jīng)驗，對聯(lián)戶集中輸供氣進行了有益嘗試。從近一年的運行情況看，該工程能基本滿足農(nóng)戶的全年用氣需求，輸供氣系統(tǒng)運行穩(wěn)定，農(nóng)戶滿意度較高。但該工程采用的常溫發(fā)酵池在低溫時節(jié)受氣溫影響大，產(chǎn)氣率較低，需輔以一定外部熱源(如太陽能)用于池體保溫。2015年由于附近養(yǎng)豬場的拆除，發(fā)酵原料由原先的豬糞尿改為餐廚垃圾，將原料粉碎后進入酸化池，實現(xiàn)了沼氣與垃圾減量化的結(jié)合。該沼氣工程建成后參觀學習者較多，在一定程度上推動了當?shù)卣託夤こ探ㄔO的發(fā)展，為新農(nóng)村生態(tài)家園建設提供了技術與實體支撐。

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2017-09-09

浙江省重點科技創(chuàng)新團隊項目(2013TD12)

駱林平(1980—)，男，浙江杭州人，講師，從事農(nóng)村廢棄物資源化利用研究工作，E-mail: luolp@vip.163.com。

文獻著錄格式：駱林平，單勝道，虞方伯，等. 諸暨市安家湖村聯(lián)戶沼氣工程及效益分析[J].浙江農(nóng)業(yè)科學，2017，58(12)：2108-2110.

10.16178/j.issn.0528-9017.20171208

S216.4

A

0528-9017(2017)12-2108-03

萬 晶)