浙江省沼氣整村集中供氣技術(shù)模式簡析

聶新軍，姚光偉，董越勇*，葉波，金娟，劉銀秀，徐來源，范志斌

(1.浙江省農(nóng)業(yè)生態(tài)與能源辦公室，浙江 杭州 310012； 2.開化縣新農(nóng)村建設(shè)中心，浙江 開化 324300)

沼氣發(fā)酵是厭氧微生物在厭氧條件下將發(fā)酵底物中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為以甲烷和二氧化碳為主要成分的沼氣產(chǎn)品，同時生成液體副產(chǎn)品(沼液)和固體殘?jiān)?沼渣)的生物化學(xué)過程。由于該過程可以產(chǎn)生數(shù)量可觀的沼氣產(chǎn)品，故該過程也被稱為沼氣發(fā)酵，相應(yīng)的工程稱為沼氣工程。沼氣工程將畜禽糞便、秸稈等農(nóng)業(yè)農(nóng)村廢棄物經(jīng)過厭氧發(fā)酵產(chǎn)生沼氣用于供能、發(fā)電或者提純利用，既消除了環(huán)境污染問題，又獲得了寶貴的可再生能源，減少了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活對化石能源的消耗和依賴，因此，世界各國對沼氣工程建設(shè)高度重視[1]。沼氣工程最初以解決用能需求為主要目標(biāo)，隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們對生態(tài)環(huán)境的關(guān)注度越來越高，沼氣工程逐步在畜禽養(yǎng)殖污染、農(nóng)村生活污水、餐廚垃圾和農(nóng)產(chǎn)品加工廢棄物治理等方面發(fā)揮重要作用。浙江省作為“綠水青山就是金山銀山”重要思想的萌發(fā)地和先行地、全國生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)試點(diǎn)省、全國整省創(chuàng)建農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展試驗(yàn)示范區(qū)，歷來重視沼氣工程的建設(shè)與發(fā)展，沼氣工程已成為農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的重要樞紐。追溯歷史，浙江省在20世紀(jì)30年代就開始利用人畜糞便制取沼氣[2]，是全國人工制取沼氣最早的省份之一。20世紀(jì)70、80年代，浙江省結(jié)合農(nóng)戶畜禽散養(yǎng)實(shí)際，大力推廣戶用沼氣池，解決農(nóng)村用能需求，減少薪柴的砍伐和使用。隨著農(nóng)村生產(chǎn)方式改變和勞動力轉(zhuǎn)移，純農(nóng)家庭逐漸減少，加之畜禽養(yǎng)殖向規(guī)模化、集中化發(fā)展，分散養(yǎng)殖農(nóng)戶比例逐年降低，缺原料、缺場地、缺管理的農(nóng)戶逐步增多，戶用沼氣推廣遇到了瓶頸[3]，農(nóng)村沼氣逐漸向規(guī)模化方向發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，浙江省現(xiàn)有沼氣工程數(shù)量為5 880處，總池容83.68萬m3，年產(chǎn)氣量8 049.55萬m3，沼氣工程配備沼氣發(fā)電機(jī)組總裝機(jī)容量為13 337 kW，年發(fā)電量4 648.86萬kW·h；全省農(nóng)村生活污水凈化沼氣池達(dá)6.7萬處，總?cè)莘e268.04萬m3。

隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，電力及其他能源的獲取越來越便捷，農(nóng)村沼氣的發(fā)展速度逐步放緩。但是，在一些畜禽養(yǎng)殖量較多且農(nóng)村人口集聚的地區(qū)，群眾對沼氣仍有一定需求。因此，為滿足這部分群眾的用氣需求，浙江省在全國率先開展沼氣整村集中供氣工程的探索和推廣，充分利用當(dāng)?shù)刎S富的畜禽養(yǎng)殖糞污和農(nóng)作物秸稈等有機(jī)廢棄物，以規(guī)?；託夤こ虨橐劳?，通過鋪設(shè)管網(wǎng)統(tǒng)一集中供氣，既滿足了群眾用氣需求，又緩解了農(nóng)業(yè)面源污染問題，并在改善提升農(nóng)村人居環(huán)境、打造生態(tài)宜居新農(nóng)村方面發(fā)揮了重要作用。本文以開化縣沼氣整村集中供氣模式為實(shí)例進(jìn)行分析，并對浙江省沼氣整村集中供氣技術(shù)模式進(jìn)行總結(jié)歸納，詳述該技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，并對該技術(shù)的未來發(fā)展進(jìn)行展望。

1 開化縣村級沼氣集中供氣模式

1.1 發(fā)展背景

自20世紀(jì)70年代起，開化縣開始推廣農(nóng)村沼氣，經(jīng)歷了70年代萌芽發(fā)展、80年代穩(wěn)步發(fā)展、90年代末至2008年全面鋪開3個階段，在這期間以推廣戶用沼氣為主。隨著農(nóng)村生產(chǎn)方式的改變和勞動力的轉(zhuǎn)移，純務(wù)農(nóng)家庭逐漸減少，加之新農(nóng)村建設(shè)和畜禽養(yǎng)殖治理，戶用沼氣的推廣越來越受限制。面對這些問題，開化縣農(nóng)村能源部門積極探索、大膽實(shí)踐、及時改變工作思路，改建戶用沼氣為沼氣集中供氣工程，并于2008年在桐村鎮(zhèn)黃石村成功建成第一座沼氣集中供氣示范工程[3-4]。在此基礎(chǔ)上，開化縣在全縣范圍內(nèi)大力推廣沼氣整村集中供氣工程，逐漸形成了“畜禽糞便、農(nóng)作物秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物—沼氣工程—村級集中供氣—種植業(yè)”的開化縣村級沼氣集中供氣及沼液綜合利用模式?，F(xiàn)全縣建有集中供氣沼氣工程66處，供氣農(nóng)戶近萬戶，全縣有10個行政村整村供應(yīng)沼氣。

1.2 實(shí)例介紹

旭日村距開化縣縣城32 km，擁有7個自然村，482戶，1 536人，是該縣第一個實(shí)現(xiàn)整村集中供氣的行政村。自2009年以來，該村陸續(xù)建成沼氣集中供氣工程6處，并于2014年實(shí)現(xiàn)全行政村供氣。沼氣集中供氣工程總池容1 100 m3，貯氣柜總?cè)莘e400 m3，每處厭氧池容積150～250 m3，設(shè)計(jì)供氣戶數(shù)80～100戶，均采用地埋式全混合厭氧發(fā)酵工藝。沼氣集中供氣工程以畜禽糞便為主要發(fā)酵原料(采用異地配送)，適當(dāng)加入部分農(nóng)作物秸稈和有機(jī)生活垃圾，進(jìn)料濃度保持6%～10%，發(fā)酵溫度為20～28 ℃，每月沼液回流1～2次，每次3 t。

1.3 運(yùn)維保障

為確保沼氣集中供氣工程長效穩(wěn)定運(yùn)行，開化縣政府每年安排30萬～45萬元農(nóng)村能源專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)，用于沼氣后續(xù)服務(wù)?？h農(nóng)村能源部門挑選責(zé)任心強(qiáng)、工作認(rèn)真負(fù)責(zé)的技工作為管理人員，對管理人員實(shí)行先培訓(xùn)后上崗，并且每年至少對在崗管理人員進(jìn)行2次技術(shù)培訓(xùn)。每個管理人員分管1～14個沼氣集中供氣工程，并與沼氣供氣村委簽訂管理協(xié)議，強(qiáng)化服務(wù)意識，做到農(nóng)戶有求必應(yīng)。同時，縣農(nóng)村能源部門在5個沼氣集中供氣工程點(diǎn)開展沼氣物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控示范，實(shí)時查看工程產(chǎn)氣量、甲烷濃度，為工程科學(xué)管理運(yùn)行提供依據(jù)。

1.4 效益分析

從工程運(yùn)行的角度分析，為保障沼氣集中供氣工程正常運(yùn)行，須設(shè)專人負(fù)責(zé)沼氣工程發(fā)酵原料的運(yùn)輸及日常維護(hù)等工作，政府對沼氣集中供氣工程按0.4萬元·a-1·個-1的標(biāo)準(zhǔn)對管理人員進(jìn)行資金補(bǔ)助，同時按1.0～1.5元·m-3的標(biāo)準(zhǔn)向農(nóng)戶收取沼氣使用費(fèi)用，基本可達(dá)到收支平衡。以旭日村為例，該村沼氣集中供氣工程承包給專業(yè)技工管理，由其負(fù)責(zé)發(fā)酵原料的購置和運(yùn)輸、沼氣工程設(shè)施的日常運(yùn)維，以及輸氣管網(wǎng)的維護(hù)等工作，該部分成本為9萬元·a-1；全村常年使用沼氣戶數(shù)為337戶，戶均用氣量為220 m3·a-1，沼氣收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)1元·m-3，則沼氣收費(fèi)收入7.4萬元·a-1；政府對該村6個沼氣集中供氣工程進(jìn)行補(bǔ)助，補(bǔ)助2.4萬元·a-1。據(jù)此測算，該村沼氣集中供氣工程管理人員每年有1萬元的純收益。管理人員負(fù)責(zé)的工程數(shù)量越多、供氣戶數(shù)越多、年用氣量越大，其純收益也會隨之增加。

從農(nóng)戶的角度分析，與使用罐裝液化石油氣相比，每戶每年可節(jié)省燃料支出600余元。此外，沼氣集中供氣工程產(chǎn)生的沼液免費(fèi)供農(nóng)戶使用，用沼液澆灌農(nóng)田，既減少了購置肥料的費(fèi)用，又改良了土壤。據(jù)測算，全縣沼氣集中供氣工程每年可創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益500余萬元。

1.5 技術(shù)創(chuàng)新

沼氣整村集中供氣工程的長效運(yùn)行離不開技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用。一是擴(kuò)建規(guī)模、合理設(shè)計(jì)池體構(gòu)造。將厭氧池容積由小變大，將大型沼氣工程由地下改地上，如將50 m3的厭氧池容積增加到150～1 000 m3，供氣戶數(shù)由12戶增加到70～750戶。二是增設(shè)攪拌系統(tǒng)。將原有厭氧池的水封口改為密封口，在密封口上增設(shè)攪拌系統(tǒng)，每天定時攪拌15 min，有效防止了結(jié)殼和沉渣的發(fā)生，提高產(chǎn)氣率。三是增設(shè)厭氧池增溫保溫設(shè)施。在厭氧池池壁上安裝熱交換導(dǎo)管，利用太陽能、空氣源熱泵技術(shù)對厭氧池進(jìn)行增溫保溫，提高冬季厭氧池發(fā)酵液溫度，確保冬季正常產(chǎn)氣供氣。四是科學(xué)設(shè)計(jì)輸氣管網(wǎng)。通過輸氣管道變徑設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)沼氣遠(yuǎn)距離穩(wěn)壓輸氣，同時緩解、解決管道積水問題。如2016年桐村沼氣集中供氣工程采用始端大末端小的布管設(shè)計(jì)，使沼氣在輸送過程中壓力保持穩(wěn)定，輸送距離達(dá)4.5 km，可供氣750余戶。

2 沼氣整村集中供氣技術(shù)概述

沼氣整村集中供氣技術(shù)是指利用農(nóng)村規(guī)?；託夤こ虒⒏邼舛绒r(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物(如畜禽養(yǎng)殖糞污、農(nóng)作物秸稈、餐廚垃圾、農(nóng)產(chǎn)品加工廢棄物等)進(jìn)行厭氧發(fā)酵，產(chǎn)生的沼氣經(jīng)輸氣管網(wǎng)就近向自然村或行政村集中供氣，滿足農(nóng)村集聚人群用氣需要。該技術(shù)全程在密閉環(huán)境中進(jìn)行，可有效控制臭氣外泄，該技術(shù)可以按用氣需求來確定發(fā)酵原料的投入量與投入時間，可極大提高沼氣利用率和產(chǎn)氣穩(wěn)定性，調(diào)整農(nóng)村用能結(jié)構(gòu)，提高清潔能源利用率，減少大氣污染及商品能源消費(fèi)支出。

沼氣整村集中供氣技術(shù)適用于畜禽糞便等農(nóng)業(yè)廢棄物資源豐富、獲取便利，村民居住較為集中且沼氣使用意愿較強(qiáng)，產(chǎn)生的沼液可實(shí)現(xiàn)資源化利用、不產(chǎn)生二次污染的地區(qū)。沼氣整村集中供氣工程建設(shè)可與垃圾分類處置及新農(nóng)村建設(shè)整合推進(jìn)，有利于實(shí)現(xiàn)資源整合和技術(shù)融合，助力農(nóng)村人居環(huán)境整治提升與改善，對生態(tài)宜居美麗鄉(xiāng)村建設(shè)起到強(qiáng)有力的推動作用。

3 沼氣整村集中供氣技術(shù)工藝流程

沼氣整村集中供氣技術(shù)是以規(guī)?；託夤こ虨闃屑~的以實(shí)現(xiàn)農(nóng)林有機(jī)廢棄物資源化循環(huán)利用為目的的技術(shù)。該技術(shù)依托養(yǎng)殖場或通過專用車輛或設(shè)施收集村域范圍內(nèi)畜禽糞污、農(nóng)作物秸稈、尾菜、餐廚垃圾、農(nóng)產(chǎn)品加工有機(jī)剩余物等作為發(fā)酵原料，經(jīng)簡單分類及預(yù)處理后，直接投入沼氣池內(nèi)進(jìn)行厭氧發(fā)酵，產(chǎn)生的沼氣經(jīng)氣水分離器、脫硫塔等設(shè)備設(shè)施凈化后貯存于貯氣柜中，然后通過沼氣輸配管網(wǎng)供給農(nóng)戶作為生活生產(chǎn)用能。厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的沼液部分回流至沼氣池內(nèi)以調(diào)節(jié)產(chǎn)氣速率、進(jìn)料濃度與pH，其余沼液則作為肥料施用于土壤或通過其他方式進(jìn)行綜合利用。

4 沼氣整村集中供氣技術(shù)要點(diǎn)

沼氣整村集中供氣技術(shù)的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)在于產(chǎn)氣穩(wěn)定性，這就需要合理設(shè)置工藝參數(shù)。一是保證合適的發(fā)酵原料濃度。沼氣整村集中供氣技術(shù)通常采用高濃度(進(jìn)料濃度>6%)厭氧發(fā)酵，通過提高發(fā)酵料液濃度可在一定程度上緩解沼氣工程冬季產(chǎn)氣不足的問題。發(fā)酵原料以外運(yùn)方式獲得時一般只采用干糞，除工程第一次啟動外，一般不需要單獨(dú)加水調(diào)節(jié)料液濃度。二是確定適當(dāng)?shù)乃νＡ魰r間。水力停留時間太短，發(fā)酵原料無法充分發(fā)酵；水力停留時間太長，厭氧池容積無法高效利用。因此，沼氣整村集中供氣技術(shù)通常根據(jù)農(nóng)戶沼氣用量需求(按0.1～0.15 m3·d-1·人-1)靈活調(diào)節(jié)沼氣池水力停留時間，一般不小于30 d。三是做好增溫保溫措施。沼氣整村集中供氣技術(shù)通常采用常溫發(fā)酵，冬季低溫會影響產(chǎn)氣效率，因此，須做好增溫保溫措施，可通過太陽能熱水器或空氣源熱泵等裝置給沼氣工程增溫，確保發(fā)酵料液冬季溫度不低于20 ℃。四是合理回流沼液。為保證發(fā)酵料液維持在合適的濃度，確保其pH保持在6.8～7.6，可根據(jù)用氣需求調(diào)節(jié)沼液回流量與頻次，以調(diào)節(jié)產(chǎn)氣速率，實(shí)現(xiàn)料液高效利用。五是確保有效的貯氣容積。為滿足農(nóng)村集聚人群不同時間段的用氣需求，需要設(shè)有單獨(dú)的貯氣裝置。貯氣裝置容積不少于日產(chǎn)氣量的1/3，一般為日產(chǎn)氣量的1/2。五是合理布設(shè)輸氣管網(wǎng)。部分地區(qū)農(nóng)戶相對分散，沼氣輸送距離較長，通常采用逐級變徑的方式布設(shè)管網(wǎng)，管網(wǎng)鋪設(shè)應(yīng)有一定坡度，避免管道積水。如常壓輸氣無法滿足農(nóng)戶用氣需求，可配備具有防爆功能的沼氣增壓設(shè)備，使沼氣壓力符合用氣設(shè)備的額定壓力要求。

沼氣整村集中供氣技術(shù)的另一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)在于供氣安全性。一是合理選址。沼氣整村集中供氣工程選址應(yīng)相對獨(dú)立且交通便利，在確保安全的同時便于物料進(jìn)出與沼液綜合利用。為縮短沼氣輸送距離，在符合消防防火規(guī)范的前提下，工程可就近布置。二是嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)。沼氣整村集中供氣工程應(yīng)該選擇具有專業(yè)資質(zhì)的隊(duì)伍進(jìn)行施工建設(shè)，農(nóng)村能源部門技術(shù)人員應(yīng)協(xié)助業(yè)主做好建設(shè)過程的管理和進(jìn)度控制，確保工程質(zhì)量過硬。三是做好工程日常安全運(yùn)維。沼氣整村集中供氣工程應(yīng)有專人管理，管理人員須持證上崗。工程應(yīng)建立日常保養(yǎng)、定期維護(hù)和大修等檢修制度，一旦發(fā)生故障，須立即通知專業(yè)人員進(jìn)行檢修。工程內(nèi)應(yīng)張貼防火防爆警示標(biāo)志并配備相應(yīng)的消防設(shè)備，存在沼氣泄漏風(fēng)險的區(qū)域應(yīng)配備沼氣濃度檢測報警儀。沼氣用戶應(yīng)遵守沼氣安全使用規(guī)范，戶內(nèi)應(yīng)張貼沼氣安全使用的規(guī)定與注意事項(xiàng)。

5 存在問題

5.1 基礎(chǔ)技術(shù)研究不夠

近些年，隨著浙江省“千萬工程”、“五水共治”、畜禽養(yǎng)殖污染整治工作的深入開展，省內(nèi)畜禽養(yǎng)殖總量減少，畜禽糞污資源逐漸減少，農(nóng)作物秸稈以及農(nóng)村生活垃圾特別是廚余垃圾等逐漸成為厭氧發(fā)酵原料的主要來源。目前，針對農(nóng)作物秸稈、農(nóng)村廚余垃圾、農(nóng)產(chǎn)品加工廢棄物等厭氧發(fā)酵技術(shù)的研究較少，尚未形成規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化的技術(shù)體系，無法適應(yīng)當(dāng)前沼氣整村集中供氣工程的實(shí)際需求。

5.2 成本收益不平衡

沼氣整村集中供氣工程是一個由原料收集、預(yù)處理、厭氧發(fā)酵、沼氣利用和沼肥利用組成的系統(tǒng)工程，工程前期建設(shè)資金投入較大，對基層的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)較大。工程運(yùn)行后需要投入一定資金進(jìn)行日常維護(hù)管理，以確保工程長效穩(wěn)定運(yùn)行。工程的收入來源主要依靠財(cái)政補(bǔ)助和沼氣使用收費(fèi)，但是受財(cái)政資金補(bǔ)助有限制要求、沼氣收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)偏低(一般1.0～1.5元·m-3)、農(nóng)戶用氣量不均衡等因素制約，工程投入使用后一般難以實(shí)現(xiàn)收支平衡。這些因素很大程度上影響了沼氣整村集中供氣的發(fā)展。

5.3 設(shè)備先進(jìn)性有待提高

由于受到建設(shè)成本和管理人員素質(zhì)等因素的限制，沼氣整村集中供氣工程在建設(shè)時期就存在設(shè)備先進(jìn)性不足的問題。如沼氣輸送管網(wǎng)材質(zhì)較差，管網(wǎng)破損、漏氣現(xiàn)象時有發(fā)生，無法保證輸氣系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行；工程運(yùn)行管理中的計(jì)量設(shè)備、抽渣設(shè)備、脫硫技術(shù)，以及管理系統(tǒng)等往往比較落后，設(shè)備自動化信息化水平不高，需進(jìn)一步提升；沼氣用戶灶具只能以沼氣為燃料，對其他燃料的適應(yīng)性不足。

6 措施建議

6.1 加強(qiáng)技術(shù)研究

開展多種原料高效混合發(fā)酵技術(shù)研究，特別是加強(qiáng)農(nóng)村生活垃圾、農(nóng)作物秸稈厭氧發(fā)酵技術(shù)研究，以適應(yīng)農(nóng)村厭氧發(fā)酵原料多類型的實(shí)際情況；加強(qiáng)沼氣工程各單元技術(shù)工藝優(yōu)化合成和新材料、新設(shè)備的研究；制定沼氣整村集中供氣工程建設(shè)及運(yùn)行技術(shù)指導(dǎo)手冊，確保工程穩(wěn)定運(yùn)行；對沼氣集中供氣工程設(shè)備進(jìn)行更新，借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建設(shè)沼氣信息化管理系統(tǒng)，提升工程科技水平。

6.2 加大政策扶持力度

沼氣整村集中供氣工程從根本上講更偏向公益性，需要政府在資金和政策方面大力扶持。政府應(yīng)加大資金扶持力度，在工程建設(shè)時提供資金補(bǔ)助，對偏遠(yuǎn)貧困地區(qū)適當(dāng)提高補(bǔ)助比例，還應(yīng)在工程運(yùn)行后適當(dāng)補(bǔ)貼運(yùn)維管理費(fèi)用，以保障工程的穩(wěn)定運(yùn)行，確保農(nóng)戶持續(xù)受益。此外，政府應(yīng)制定優(yōu)惠政策，積極引導(dǎo)社會企業(yè)參與沼氣整村集中供氣工程建設(shè)和運(yùn)行管理，推動工程良性發(fā)展。

6.3 創(chuàng)新運(yùn)行管理機(jī)制

充分利用沼氣后續(xù)服務(wù)組織對沼氣整村集中供氣工程進(jìn)行管理，由村委或農(nóng)村能源部門與其簽訂協(xié)議，委托其負(fù)責(zé)沼氣工程運(yùn)維、戶用沼氣設(shè)施管理維護(hù)、沼氣收費(fèi)等工作，讓專業(yè)的人做專業(yè)的事；采取以獎代補(bǔ)激勵機(jī)制，由農(nóng)村能源部門對沼氣整村集中供氣工程進(jìn)行定期考核，對管理到位、全年穩(wěn)定供氣且農(nóng)戶反映較好的工程予以獎勵；參照城市天然氣供給收費(fèi)制度，由農(nóng)村能源部門會同物價部門確定沼氣收費(fèi)指導(dǎo)價，向用戶定期計(jì)量、階梯收費(fèi)，保障沼氣高效、有序供給。