基于層次分析法提升中小型集中供氣沼氣工程效益的途徑

劉向東

(洛陽市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心，河南 洛陽 471000)

建設(shè)中小型集中供氣沼氣工程是解決中小型規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)糞便污染的有效途徑，但中小型沼氣工程一般離農(nóng)戶較遠(yuǎn)，受建設(shè)資金和后續(xù)管理成本的制約，厭氧消化池大多采用常規(guī)地下水壓式沼氣池(通常是按照戶用沼氣池的尺寸放大)，普遍采用常溫發(fā)酵，并且發(fā)酵溫度受環(huán)境溫度的影響較大，在實(shí)際應(yīng)用中普遍存在產(chǎn)氣率低、供氣壓力不穩(wěn)定、使用效果欠佳等問題，沼氣工程整體效益偏低，不能適合中小型養(yǎng)殖場(chǎng)污水處理要求。

層次分析法(AHP)是指將與決策總是有關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次，在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行定性和定量分析的決策方法[1]。層次分析法將決策問題分為多個(gè)層次，構(gòu)造判斷矩陣進(jìn)行兩兩比較，進(jìn)行層次單排序及一致性檢驗(yàn)后，再進(jìn)行總排序及一致檢驗(yàn)。其比較適合于具有分層交錯(cuò)評(píng)價(jià)指標(biāo)的目標(biāo)系統(tǒng)，而且目標(biāo)值又難于定量描述的決策問題。為此，應(yīng)用層次分析法研究影響中小型集中供氣沼氣工程效益的因素，并提出相應(yīng)對(duì)策，以期為提升中小型集中供氣沼氣工程效益提供參考。

1 指標(biāo)體系構(gòu)建

1.1 建立層次結(jié)構(gòu)指標(biāo)體系模型

由于大部分影響因素難以科學(xué)計(jì)量，通過調(diào)查分析，有針對(duì)性地與相關(guān)沼氣工程業(yè)主與集中供氣農(nóng)戶進(jìn)行深入探討確定主要影響因素，從產(chǎn)氣率、產(chǎn)氣周期、厭氧工藝、池體深度、建設(shè)材料、輸氣安裝、日常管理技術(shù)、加溫設(shè)施等8個(gè)方面進(jìn)行分析。

根據(jù)層次分析法原理建立目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和因素層各層次之間關(guān)系如圖1。目標(biāo)層(A)為提升中小沼氣工程效果途徑，準(zhǔn)則層(B)為產(chǎn)氣率(B1)、產(chǎn)氣周期(B2)，因素層(C)為厭氧工藝(C1)、池體深度(C2)、建設(shè)材料(C3)、輸氣安裝(C4)、日常管理技術(shù)(C5)、加溫設(shè)施(C6)。

圖1 基于層次分析法原理建立的中小型集中供氣沼氣工程效益途徑結(jié)構(gòu)

1.2 構(gòu)建判斷矩陣

構(gòu)建不同因素影響的各層次判斷矩陣(B1、B2)，對(duì)同一層次的各因素對(duì)上一層次中其一準(zhǔn)則的重要性進(jìn)行兩兩比較，各因素重要程度按1～9賦值，相對(duì)重要性的比例標(biāo)度極重要為9、很重要為7、重要為5、略重要為3、同等為1、略次要為1/3、次要為1/5、很次要為1/7、極次要為1/9，取8、6、4、2、1/2、1/4、1/6、1/8為上述評(píng)價(jià)的中間值。

1.3 層次單排序

利用Excel方根法[1-2]計(jì)算出矩陣中各因素的權(quán)重系數(shù)，然后計(jì)算出矩陣的最大特征λmax，最后用CI指標(biāo)對(duì)矩陣的最大特征λmax進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。判斷矩陣一致性指標(biāo)CI與同階平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI之比稱為隨機(jī)一致性比率CR。當(dāng)階數(shù)大于2，判斷矩陣的一致性比率CR<0.10時(shí)，即認(rèn)為判斷矩陣具有滿意的一致性。RI值詳見表(1)。

1.4 層次綜合排序

利用單排序的計(jì)算結(jié)果，進(jìn)一步綜合出對(duì)更上一層次的優(yōu)劣順序，通過一致性檢驗(yàn)。根據(jù)權(quán)重指標(biāo)的大小進(jìn)行排序，最終確定關(guān)鍵影響因素。

表1 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI值

2 結(jié)果與分析

根據(jù)層次分析法原理和定量方法，以沼氣工程現(xiàn)狀調(diào)查基礎(chǔ)為依據(jù)構(gòu)建的判斷矩陣如下。

產(chǎn)氣率對(duì)提升途徑的判斷矩陣權(quán)重及一致性檢驗(yàn)，經(jīng)計(jì)算，厭氧工藝(C1)、池體深度(C2)、建設(shè)質(zhì)量(C3)的權(quán)重指標(biāo)分別為0.581 552 067、0.109 452 29、0.308 995 644。判斷矩陣最大特征根λmax=3.098 891，CR=0.095 088<0.1，表明該判斷矩陣具有滿意的一致性。產(chǎn)氣周期對(duì)提升途徑的判斷矩陣權(quán)重及一致性檢驗(yàn)，經(jīng)計(jì)算，輸氣安裝(C4)、日常管理技術(shù)(C5)、加溫設(shè)施(C6)的權(quán)重指標(biāo)分別為0.681 650 435、0.215 836 488、0.102 513 078。判斷矩陣最大特征根λmax=3.002 637,CR=0.002 535<0.1，表明該判斷矩陣具有令人滿意的一致性。產(chǎn)氣率、產(chǎn)氣周期總層次的一致性檢驗(yàn)，經(jīng)計(jì)算，Wi=(w1，w2，w3，w4，w5，w6)=(0.290 776，0.054 726，0.154 498，0.340 825，0.147 125，0.018 905)，CR=0.048812<0.1，表明具有滿意的一致性。

3 結(jié)論與建議

綜上所述，提升中小型集中供氣沼氣工程效益的途徑主要由C4、C1、C3、C5方面的權(quán)重系數(shù)決定，即提升中小型沼氣供氣工程效益的途徑重點(diǎn)是輸氣系統(tǒng)安裝技術(shù)、厭氧工藝、建設(shè)質(zhì)量、日常管理技術(shù)。針對(duì)各因素提出相應(yīng)的措施如下，以期為中小型集中供氣沼氣工程建設(shè)實(shí)現(xiàn)良性循環(huán)提供參考。

3.1 輸氣系統(tǒng)科學(xué)合理

輸氣系統(tǒng)要做到貯氣柜結(jié)構(gòu)容積確定科學(xué)、壓力選擇和配重方法合理、管材選擇科學(xué)，保證沼氣工程的正常運(yùn)營。

3.1.1 貯氣柜結(jié)構(gòu)、容積的確定 目前中小型集中供氣沼氣工程一般采用中間導(dǎo)桿浮罩式貯氣柜，具有結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)便宜、安裝方便的特點(diǎn)，可以在施工現(xiàn)場(chǎng)加工，也可以加工后運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)安裝，使用十分方便。沼氣貯氣柜的容積不宜過大或過小，一般按沼氣工程平均日產(chǎn)氣量的50%～60%確定氣柜容積，目前中小型集中供氣沼氣工程普遍采用常溫發(fā)酵，計(jì)算日平均產(chǎn)氣量時(shí)平均產(chǎn)氣率一般在0.3 m3/(m3·d)以下。

3.1.2 貯氣柜壓力選擇和配重方法 浮罩式貯氣柜維持的沼氣壓力一般為2.5～5.0 kPa，浮罩的質(zhì)量、面積決定輸、配氣管路的靜壓力，貯氣柜壓力調(diào)配主要考慮管網(wǎng)允許壓力降，當(dāng)所需壓力高時(shí)要給浮罩配重。氣柜配重分為鐘罩內(nèi)壁下部配重和頂部外配重2種方法，內(nèi)配重一般在鐘罩里水面下，進(jìn)行配重計(jì)算時(shí)必須考慮水下的浮力。

3.1.3 科學(xué)選擇管材 輸氣系統(tǒng)建設(shè)主要包括管材的選擇應(yīng)用，適宜的材質(zhì)和恰當(dāng)?shù)墓軓绞钦麄€(gè)輸氣系統(tǒng)建設(shè)中2個(gè)最關(guān)鍵的因素。目前中小型集中供氣沼氣工程的輸氣管網(wǎng)管材選用PE管，連接使用熱熔焊接方式。管徑的確定受沼氣工程沼氣用氣流量、管道壓力降、輸送距離等因素多種影響，在設(shè)計(jì)運(yùn)算時(shí)要統(tǒng)籌考慮，既要保證農(nóng)戶用氣，又要降低投資。

1) 管道沼氣小時(shí)流量確定。為保證農(nóng)戶高峰用氣正常，一般應(yīng)按最大小時(shí)用氣量計(jì)算，應(yīng)采用灶具的額定耗氣量與其多只相同灶具同時(shí)工作系數(shù)法來計(jì)算確定。

2) 管道壓力降確定。管道沿程壓力降是從貯氣柜起點(diǎn)到用氣戶終點(diǎn)的允許壓力降，聯(lián)戶沼氣一般采用低壓直接供氣，但貯氣柜到農(nóng)戶的距離不一而導(dǎo)致壓力降有差別，管道較長的壓力降大，管道較短的壓力降小。在實(shí)際運(yùn)算中通常采用將摩阻系數(shù)包括在內(nèi)的簡化計(jì)算方法，在流量、輸送距離確定條件下增大壓降來降低管徑，減少投資；或在流量、管徑、輸送距離確定條件下，可以計(jì)算出沿程壓力降來確定貯氣柜壓力，對(duì)貯氣柜配重進(jìn)行重新調(diào)配。

3.2 厭氧消化器容積與發(fā)酵工藝要科學(xué)

3.2.1 厭氧消化器容積 厭氧消化器容積的確定和計(jì)算要科學(xué)合理，既能做到有效保證集中供氣的產(chǎn)氣量，又要能夠處理養(yǎng)殖場(chǎng)每天排放的糞便量。沼氣工程池容確定通常根據(jù)發(fā)酵原料的數(shù)量、一定溫度下發(fā)酵原料在池內(nèi)停留的時(shí)間和投料濃度計(jì)算，合理確定發(fā)酵溫度、發(fā)酵濃度及HRT值是確定沼氣工程池容的3個(gè)關(guān)鍵要素，其中任何一個(gè)要素的變化都會(huì)影響沼氣工程的容積。

3.2.2 發(fā)酵工藝 科學(xué)高效的厭氧消化器是整個(gè)沼氣工程建設(shè)的核心。有研究表明，可將若干個(gè)單元集裝成50～100 m3的標(biāo)準(zhǔn)厭氧發(fā)酵系統(tǒng)，根據(jù)養(yǎng)殖規(guī)模由標(biāo)準(zhǔn)厭氧發(fā)酵系統(tǒng)相并聯(lián)集裝成200 m3、300 m3、400 m3、500 m3等不同規(guī)模的厭氧發(fā)酵系統(tǒng)[4]；20～50 m3的小型沼氣工程宜采用單體地下立式圓柱形旋動(dòng)推流式厭氧消化裝置，60～200 m3的中型沼氣工程宜采用地下并聯(lián)立式圓柱形旋動(dòng)推流式厭氧消化裝置，都能有效提高沼氣工程的產(chǎn)氣率[5]。筆者結(jié)合多年建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，中小型沼氣工程發(fā)酵工藝宜選用10～25 m3為發(fā)酵單元、地下式并聯(lián)立式圓柱形旋動(dòng)推流式厭氧消化裝置或隧道式厭氧消化器，深度控制在2～2.5 m，隧道式沼氣池底部采用斜底面，并在中間設(shè)置兩道過濾墻，便于原料與菌種較好接觸，提高產(chǎn)氣量。

3.3 工程建設(shè)要設(shè)施配套完整

增加冬季保溫設(shè)施是確保沼氣工程冬季正常運(yùn)行的必要措施。常用措施主要有電加熱膜增溫保溫系統(tǒng)、鍋爐水循環(huán)增溫系統(tǒng)、太陽能熱水器水循環(huán)增溫系統(tǒng)、太陽能溫室保溫室系統(tǒng)。根據(jù)不同溫度控制技術(shù)的應(yīng)用效果和投資成本分析[4-10]，中小型集中供氣沼氣工程應(yīng)充分利用太陽能提高發(fā)酵料液溫度，宜采用太陽能溫室保溫系統(tǒng)和生物質(zhì)能增溫相結(jié)合的冬季增溫措施，晴天充分利用太陽熱能給厭氧消化器進(jìn)行增溫，陰雨天利用輔助增溫設(shè)施進(jìn)行增溫，可有效提高料液溫度，實(shí)現(xiàn)沼氣工程冬季正常運(yùn)行。

3.4 提高沼氣工程技術(shù)人員的日常管理水平

對(duì)沼氣工程人員，加強(qiáng)發(fā)酵原料預(yù)處理技術(shù)、沼氣脫水、脫硫凈化技術(shù)、輸氣系統(tǒng)維護(hù)等專業(yè)技術(shù)培訓(xùn)，以提高沼氣工程技術(shù)人員的管理水平，也是提高中小型集中供氣沼氣工程效益十分重要的措施。