淺談我國農村沼氣的發展利用現狀

肖國良，李國梁，卜樂平，高揚，張衛東，高陽，甘啟民，王科，德雪紅

(內蒙古農業大學機電工程學院，內蒙古呼和浩特 010018)

隨著經濟的快速發展，我國的能源需求急劇增長［1］。在我國經濟快速發展的同時，能源消耗需求和環境污染的壓力也迅速增加［2］。目前，我國農村能源消費主要以秸稈和薪柴為主，這不僅導致生物質能低效率消耗，而且燃燒過程中排放的大量CO2和煙塵嚴重影響了生態環境和生活環境［3］。沼氣作為我國農村地區清潔能源的主要組成部分，作為連接養殖和種植業的資源循環鏈條，多年來一直受到各級政府的重視和老百姓的歡迎［4］。

沼氣是可再生能源，可以替代薪柴低熱效率的能源使用，這樣既能緩解目前我國農村生物質能源短缺問題，又能減少溫室氣體排放，同時還能限制林木薪柴的砍伐，增加碳匯，一舉多得［3］。在我國廣大農村地區發展沼氣，既能夠解決農戶生活所需能源，又能鞏固以退耕還林為重點的生態建設成果，并減少人畜糞便和生活污水造成的農業面源污染［5］。沼氣是一種資源豐富而又價廉的生物質能源，利用沼氣發電不但能解決邊遠山區人民用電難的問題，而且也為緩解商品電能供應不足的緊張局面提供了一條有效的途徑［6］。

1 農村沼氣利用的發展和現狀

我國利用和發展沼氣的歷史可分為3個時期的3次推廣過程:民間自發的沼氣利用和推廣活動時期(1929～1942年)，這也是沼氣的第一次推廣，解放后，“沼氣化”運動時期(1957～1961、1967～1979年)和整頓時期(1980年至今)，它包括沼氣的第二次(1957～1961年)和第三次推廣(1967年至今)［7］。近些年來，我國對于沼氣的研究有了較大的進展和突破，并形成了以南方“豬－沼－果”、北方“四位一體”和西北“五配套”為代表的沼氣發展模式，沼氣的利用也呈現了多元化。

1.1 沼氣的直接利用 戶用沼氣池的直接能源產出是沼氣，沼氣主要用于農戶的炊事用能，沒有市場價格。但是農戶使用沼氣后，可以替代傳統生物質能或商品能源，按照等量有效熱替代的方法，計算所產沼氣分別替代秸稈、薪柴、煤炭和液化氣燃料的量［8］。若以國家效益分析，一個池容為10 m3的沼氣池每年節省液化氣產生的效益為360元，由減排帶來的環境效益為180.6元，則每年共產生經濟效益540.6元［9］。

此外，沼氣還可以用作沼氣燈為蔬菜大棚增溫，提供氣肥CO2。項安民通過試驗在番茄溫室大棚內利用沼氣燈進行增溫，試驗結果表明，沼氣燈有效提高了CO2的濃度并且有效提高了溫室溫度，如遇遇極端天氣，溫室內使用沼氣燈可有效減少凍害發生造成的損失［10］。另有研究表明，沼氣燈的波長為300～1 000 nm，許多害蟲對330～400 nm的紫外線有較大的趨光性［11］，因此利用沼氣燈可以誘殺害蟲。方剛等通過試驗得出，在水稻大田生長期安裝沼氣燈能夠有效誘殺多種害蟲，降低各階段蟲口密度，減少害蟲危害［12］。

1.2 沼氣發酵殘留物的利用 沼氣發酵過后的殘留物不僅沒變成廢物垃圾反而成為了寶貝，沼氣發酵殘留物可作為肥料、飼料、生物農藥、培養料液。若將四方面聯合起來利用，對于增加國民經濟收入具有很好的效益［13］。沼渣作為優質固體肥料，營養成分較豐富，養分含量較為全面，其中有機質36% ～49%，腐殖酸10.1% ～24.6%，粗蛋白5% ～9%，氮0.4% ～0.6%，鉀0.6% ～1.2%，還含有一些礦物質養分［14］。沼液不僅含有豐富的氮、磷、鉀等大量營養元素和鋅等微量營養元素，而且含有17種氨基酸、活性酶。這些營養元素基本上是以速效養分形式存在的。因此，沼液的速效營養能力強，養分可利用率高，是多元的速效復合肥料，能迅速被動物和農作物吸收利用［15］。

張翠麗等通過試驗分析認為，沼液沼渣除對鹽堿土總鹽分的影響不顯著外，對土壤容重、pH、有機質和有效氮均有明顯改善［16］。張久東等通過沼液與化肥配方葉面肥在油白菜上噴施試驗表明，噴施沼液葉面肥可增加油白菜的產量［17］。錢伯祈等通過試驗分析認為，用沼液(渣)代替有機肥料培肥水質，對養殖成魚和培育魚種都具有明顯的促進魚生長，提高產量，增加經濟收益的效果［18］。張倫德等的試驗結果表明，沼液對防治柑橘紅蜘蛛、蚜蟲的效果優于農藥防治效果［19］。

1.3 沼氣發電 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［6］。德國是目前世界上沼氣工程發展最為成功的國家之一［20］。我國在沼氣發電技術方面的研發已有30多年的歷史，但主要集中在大中型沼氣發電項目上，而且多是引進國外技術［21］。90年代中期以后，隨著一些大型沼氣工程垃圾填埋場的建成，沼氣發電已具有穩定的充足的氣源，促成了沼氣發電技術研究的逐步深入，使沼氣發動機的性能得到較大改善，發電機組的單機功率也有所增大［22］。

2 農村沼氣難以推廣的原因分析

盡管當前沼氣產業正處在一個高速發展的階段，受到了各級政府和人民群眾的歡迎，但是在其發展過程中也面臨著不少問題和障礙［23］。有研究結果表明，并不是所有已建沼氣池都在投入使用，投入使用的沼氣池占76.5%。另外，從使用時間來看，沼氣池的總體使用效率僅為64.8%［2］。我國不少省市都在農村推廣過沼氣池的建設，甚至掀起了沼氣建設的高潮，但是由于技術不成熟，沒有專業施工隊伍，多數沼氣池質量問題突出，只能使用1～3年，出現了邊建設邊報廢的情況［24］。這樣沼氣在農村的推廣受到了限制，打擊了農民建設沼氣池的積極性。其原因歸結為以下幾點。

2.1 農村沼氣池成本 近年來，建筑材料價格和人工工資大幅度上漲。經測算，目前建設一口10 m3的沼氣池需要投資3 500元左右，配套進行“一池三改”需要投資3 500元左右，合計總投資需要7 000元左右，而每口沼氣池中央預算內投資補貼僅1 600～2 000元，使得農戶建設沼氣池形成較大的資金缺口，影響了農戶建設沼氣池的積極性［25］。

2.2 農村沼氣池發酵過程存在的問題 農村在沼氣發酵過程中出現的突出問題就是不能保證正常的發酵溫度、池中不同深度發酵不均的問題造成頻繁增加更換發酵原料。

2.2.1 溫度難以長期恒定并控制。由于厭氧發酵大多以中溫發酵為主，所以該項技術在我國南方地區得到廣泛的應用。而我國北方的年平均氣溫為1.3℃，冬季漫長嚴寒，最冷月份氣溫可達－15～－30℃，極大地限制了中溫厭氧發酵技術的應用［26］。在北方地區，由于受冬季氣候的影響，沼氣池在冬季產氣量通常低于0.1 m3/(m3·d)，無法滿足農戶需求，農戶不得不燒柴灶或使用其他燃料爐灶，直接影響了沼氣池在農村中的推廣［27］。

2.2.2 發酵不均勻。目前，通過攪拌混合以達到提高有機物的有效轉化率的重要性已經被大多數學者所認同［28］。歐洲規模化農場沼氣工程的成功經驗表明，高濃度物料沼氣發酵是規模化沼氣工程正常運行的技術關鍵［29］。然而在農村，沼氣池普遍沒有攪拌這一工序，因而造成沼氣池中發酵原料發酵不均勻，所以糞便等發酵原料得不到充分的處理和利用。

2.2.3 原料配比不合理。一般而言，發酵原料碳氮比為25∶1左右時，微生物活性較高，沼氣產量較大［30］。由于農村缺乏相關專業知識，原料配比單一，因此單一秸稈或者家禽糞生產沼氣均不能取得高產。

2.3 廢料難以清理 沼氣池三分建設七分管。在沼氣池的管理中，沼氣池的定期清池換料是最令農戶頭痛一件事，一定程度上影響了沼氣技術的快速推廣，但同時也帶來了沼氣池出料方法的不斷改進和提高［31］。目前沼氣池廢料的處理主要靠手動出料和機械設備出料。手動出料耗時耗力，而且出料效果也不好。機械設備出料雖然方便省力，但是出料設備對于農戶來說也是一筆額外的支出，在經濟上不合算。

2.4 技術、管理問題 在技術方面，由于各級財政投入不足，缺乏培訓經費，各地農村沼氣建設推廣技術人員培訓嚴重滯后于沼氣建設的發展，基層服務組織力量薄弱［32］。在管理方面，由于服務網絡不健全，后繼服務跟不上，造成了部分沼氣池用壞了就被迫停用、報廢［33］。

2.5 占地面積大 確定發酵池容積，首先要考慮家庭用氣人數。在實際應用中，容積確定一般以人數的兩倍 為佳。據統計，目前農村戶均人數一般為3～5人，因此，發酵池的設計容積以6～10 m3居多［34］。那么加上沼氣池配套措施，其所占面積不止10 m3，在一定程度上造成了土地資源的浪費，從而限制了沼氣在農村的推廣。

2.6 地域氣候條件限制 區域差異是我國農村沼氣發展的重要特征［35］。陳豫等經過調查研究認為，沼氣發展水平和空間分布格局受到多種因素的共同影響，根據發酵溫度，將我國農村戶用沼氣地區劃分為沼氣發酵溫度最適宜區、適宜區、次適宜區和非適宜區［36］。在北方一些次適宜區和非適宜區域，由于氣候的原因極大限制了沼氣發展的進程。

3 結論及建議

沼氣產業是一項利國利民的工程，不僅可以解決能源、環境等一系列問題，還可以給社會帶來巨大的經濟效益，沼氣工程必然受到人們的重視。事實上，我國歷來對沼氣都相當重視，從“七五”的幾百萬到“十二五”的幾十個億的財政投入，我國不論是在大中型沼氣工程還是農村沼氣的發展都取得了一定的成效，沼氣發酵的理論和工藝技術都取得了很大的進步。但是不可否認我國大中型沼氣工程仍處于起步階段，農村沼氣建設覆蓋率很低。究其原因還是沼氣發酵工藝達不到理想要求，沼氣池或者一些固定式沼氣罐在保溫、加熱、攪拌等的問題上沒有得到很好的解決。

筆者認為，若將攪拌這一工序加入到農村沼氣發酵措施當中，那么在很大程度上會解決微生物與物料接觸不充分的問題，相應地也解決了物料不同深度發酵溫度不同導致發酵不充分的問題，也解決了發酵物料表層易結殼導致沼氣不能溢出的問題。若將加熱和沼氣發酵有效地配合起來，那么對沼氣的產氣量和產氣率也是一個很大的提高。通過筆者的調查發現，若利用太陽能為沼氣發酵提供所需的發酵溫度，那么對沼氣產氣率的提高是毋庸置疑的，而太陽能又是一種可再生的清潔能源，為沼氣發酵提供熱量沒有其他額外成本消耗的問題。

目前有大量在保溫、加熱、攪拌方面的研究，但是這些措施不是存在效果不明顯的情況就是存在效果好但自消耗大的問題。筆者通過分析認為，如果將太陽能加熱裝置與裝有攪拌裝置的固定沼氣罐結合起來，再改變沼氣發酵罐不可移動的思維，設計一種新型發生器定能取得不錯的效果。那么這種新型沼氣發生器便可作為一種可移動式小型能源站，為我國農村，尤其是北高寒旱等區域，提供可靠的能源供應。

［1］王飛，蔡亞慶，仇煥廣.中國沼氣發展的現狀、驅動及制約因素分析［J］.農業工程學報，2012，28(1):184 －189.

［2］蔡亞慶，仇煥廣，王金霞，等.我國農村戶用沼氣使用效率及其影響因素研究－基于全國五省調研的實證分析［J］.中國軟科學，2012(8):58－64.

［3］朱立志，葉晗.農村沼氣工程的減排效應和成本效益分析［J］.中國人口·資源與環境，2012(22):426－429.

［4］李景明，薛梅.中國沼氣產業發展的回顧與展望［J］.可再生能源，2010，28(3):1－5.

［5］張艷麗.我國農村沼氣建設現狀及發展對策［J］.可再生能源，2004(4):5－8.

［6］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(3):189 －194.

［7］夏文彧.中國利用沼氣的歷史考察和思考［J］.自然辯證法通訊，1988(4):39 －44，80.

［8］郝先榮，沈豐菊.用戶沼氣池綜合效益評價方法［J］.政策與管理，2006(2):4－6.

［9］劉紅梅，黃永春，張貴龍，等.華北地區農村戶用沼氣池成本效益分析［J］.環境污染與防治，2011，33(9):95 －98.

［10］王紹志.淺析沼液與沼氣燈在植物保護上的應用［J］.農業工程技術(新能源產業)，2011(1):43 －44.

［11］項安民，高虹，楊海興.日光溫室綜合利用沼氣技術生產果蔬試驗報告［J］.中國沼氣，2014(4):76 －79，64.

［12］方剛，任華.沼氣燈誘殺水稻害蟲試驗探討［J］.農技服務，2009(6):51.

［13］陶樸良，張無敵，宋洪川，等.沼氣發酵綜合利用的現狀與發展趨勢［J］.能源工程，2001(5):9 －11.

［14］徐遠東，范彥，何瑋.沼液沼渣在養殖業的綜合利用［J］.畜牧業，2011(8):14－15.

［15］郭強，柴曉利，程海靜，等.沼液的綜合利用［J］.再生資源研究，2006(6):37－41.

［16］張翠麗，東升，曹琦.沼液沼渣改良鹽堿土試驗初報［J］.塔里木大學學報，2014，26(1):114 －118.

［17］張久東，包興國，王文麗，等.沼液葉面肥對脫水油白菜產量及品質的影響［J］.安徽農業科學，2009，37(11):4938 －4939.

［18］錢伯祈，利源，朱莉莉，等.沼液沼渣養魚技術試驗報告［J］.水利漁業，1994(5):12－15.

［19］張倫德，周才巨，賀光倫.沼液防治柑橘害螨和蚜蟲效果試驗［J］.中國熱帶農業，2010，32(1):63 －64.

［20］何榮玉，宋玲玲，孟凡茂.德國典型沼氣發電技術及其借鑒［J］.可再生能源，2010，28(1):150 －152.

［21］鄧 平.農村沼氣發電技術研究［J］.農技服務，2009，26(4):140.

［22］徐曉秋，王鋼，劉偉，等.畜禽糞便厭氧消化沼氣發電行業的現狀分析［J］.應用能源技術，2011(6):1 －3.

［23］曾偉民，曹馨予，曲曉雷，等.我國沼氣產業發展歷程及前景［J］.安徽農業科學，2013，41(5):2214 －2217.

［24］林聰，王久臣，周長吉，等.沼氣技術理論與工程［M］.北京:化學工業出版社，2008.

［25］王耀剛.當前農村沼氣建設管理和后續服務存在的問題與建議［J］.河南農業，2013(19):29.

［26］范文斌，李長青，劉永斌.在內蒙古地區開展牛糞厭氧發酵技術生產沼氣的探索［J］.畜牧與飼料科學，2009，30(1):127.

［27］楊樹生，楊坤，王世仙.生物質發酵升溫提高沼氣池的池溫和保溫技術［J］.可再生能源，2007，25(3):88 －91.

［28］楊浩，鄧良偉，劉刈，等.攪拌對厭氧消化產沼氣的影響綜述［J］.中國沼氣，2010，28(4):3 －9.

［29］劉刈，王智勇，孔垂雪，等.沼氣發酵過程混合攪拌研究進展［J］.中國沼氣，2009(27):26－30.

［30］李軼冰，白潔瑞，楊改河，等.沼氣產量影響因子研究［J］.西北農林科技大學學報:自然科學版，2009(37):171－177.

［31］陶仁.農村戶用沼氣池幾種出料設備的比較［C］//張玉龍，吳玉厚，王維.創新沈陽文集(A).沈陽:遼寧科學技術出版社，2009.

［32］馬樹梅，李布青，朱麗君，等.農村沼氣發展的障礙分析及對策［J］.中國沼氣，2010，28(4):49 －55.

［33］韓亞軍，李拴社，羅國強，等.農村沼氣利用推廣方案探討［J］.現代農業科技，2009(6):273－274.

［34］黃珍發.家用沼氣池設計中應注意的幾個問題［J］.福建農業科技，1999(3):41.

［35］楊艷麗，侯堅，張培棟.中國農村戶用沼氣發展的空間分異格局［J］.資源科學，2009，31(7):1219 －1225.

［36］陳豫，胡偉.中國農村沼氣發酵溫度適宜性區劃［J］.水土保持研究，2013，20(1):250－260.