山東省大中型沼氣工程運行狀況及對策建議

姚　利， 郭洪海， 付龍云， 王艷芹，2， 劉　英， 楊　光， 羅加法,3

(1.山東省農業科學院農業資源與環境研究所， 山東 濟南　250100； 2.山東省農業面源污染防控重點實驗室， 山東 濟南； 3.新西蘭皇家農業科學院， New Zealand　3240)

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山東省大中型沼氣工程運行狀況及對策建議

姚利1,2， 郭洪海1， 付龍云1， 王艷芹1，2， 劉英1， 楊光1， 羅加法1,3

(1.山東省農業科學院農業資源與環境研究所， 山東 濟南250100； 2.山東省農業面源污染防控重點實驗室， 山東 濟南； 3.新西蘭皇家農業科學院， New Zealand3240)

文章通過實地調研山東省30余處大中型沼氣工程，對其建設運行情況、技術工藝、三沼利用情況等方面進行了總結，就山東省沼氣工程的技術現狀及建設運行中存在的問題進行了探討，發現沼氣工程主要問題，提出改進措施，并對山東省沼氣工程的發展方向提出了對策建議。

沼氣工程； 技術現狀； 建設運行

我國廣大農村地區擁有豐富的生物質資源，如作物秸稈、畜禽糞便和生活垃圾等，如果這些資源沒有得到有效利用和處置，將成為危害環境的主要來源。同時我國正面臨著巨大的能源壓力，開發并生產各種可再生能源，替代煤炭、石油和天然氣等化石燃料是今后解決能源緊缺的必然選擇。沼氣工程不僅可以處理大量的農業廢棄物，消除畜禽糞便產生的嚴重污染，同時有助于生態循環農業的發展，是治理污染、實現廢物資源化利用的一條有效途徑[1]。沼氣工程具有的這些優勢，已經引起了政府部門的關注和資助，也得到了許多養殖企業的認同，促使我國大中型沼氣工程建設得到了較快的發展。近幾年，在國家和省一系列政策的支持下，山東省大中型沼氣工程建設也得到了長足發展，截至2013年底，共建設大中型沼氣工程581處。

2013年～2014年，筆者通過考察山東省濟南、德州、聊城、菏澤、濟寧、臨沂、濱州等七個地市32個大中型沼氣工程，深入了解了山東省大中型沼氣工程的建設、運行、效益等情況。因此，根據對部分大中型沼氣工程的實地調研，筆者就山東省乃至北方地區沼氣工程的技術現狀及建設運行中存在的問題進行探討，并嘗試提出對策建議。

1　山東省沼氣工程建設運行情況及存在的問題

1.1總體情況

根據調研情況，山東省沼氣工程總體工藝比較穩定，建設內容比較完善，設備趨向成熟，建設標準較高。沼氣工程的建設在很大程度上降低了規模化養殖場對環境的污染，有力地促進了畜牧業的可持續發展，實現了農業資源的綜合利用，有助于發展生態循環有機產業，產生了明顯的環境和生態效益。

從工程規模來看，厭氧罐容積在600～800 m3的有7個，1000～1200 m3的有21個，>1500 m3的有4個，絕大多數工程發酵罐容積為1000 m3左右，這一方面是由于養殖企業大部分處于中等規模，1000 m3的沼氣罐可以滿足大部分養殖企業的糞污處理需求；另一方面是由于國家補助資金的限制，同時沼氣、沼液等產品的應用半徑也限制了沼氣工程的規模。

從發酵原料來看(見表1)，山東省的沼氣工程發酵原料豐富多樣，涵蓋了多種農業廢棄物，以畜禽糞便為主，其中比重最大的是豬糞和牛糞，工程運行效果較好的也是這兩種。秸稈、鴨糞等特殊原料的工程則在運行中存在一些問題。比如養鴨場的沼氣工程運行效果較差，這是因為鴨糞中含有大量稻殼，稻殼中的木質素含量高，表面的蠟質層堅硬，難以生物降解，且比重輕，極易造成上浮結殼現象。而以作物秸稈為主要原料的沼氣工程，沒有采用適宜的預處理技術和設施，缺少針對性的進出料、攪拌等設備，無沼液回流或回流方案不合理，因此造成秸稈的進出料困難、發酵不完全、結殼等現象，影響了沼氣工程的運行效果和經濟效益。

表1　沼氣工程發酵原料統計表　(處)

1.2厭氧發酵工藝及存在問題

目前沼氣工程比較成熟、適用的生產工藝有兩大類，一類是以綜合利用為主的“能源生態型”處理利用工藝，另一類是以達標排放為主的“能源環保型”處理利用工藝。養殖行業作為具有較大疫病風險和市場波動風險的微利行業，適度規模加種養結合是化解畜禽養殖風險之關鍵，因此多數沼氣工程采用“能源生態型”工藝。筆者調研的32個沼氣工程，只有2個采用“能源環保型”處理利用工藝，其它全部采用“能源生態型”處理利用工藝。采用“能源環保型”工藝的2個工程，皆為結合環保部門補助的環境治理資金建設，工藝特點為糞水分離，干清糞，僅污水進入發酵罐，厭氧發酵后出水再采用好氧工藝進行處理，出水達標排放。

筆者調研的沼氣工程全部采用地上式厭氧發酵罐，厭氧發酵工藝有完全混合式(CSTR)、上流式厭氧固體反應器(USR)、上流式厭氧污泥床(UASB)、臥式推流池(HCPF)等幾種(見表2)。總體而言，CSTR和USR工藝這兩種工藝，技術穩定適應性強，配套設備也比較成熟，調研中絕大部分沼氣工程選用這兩種工藝。CSTR工藝TS濃度可以達到8%～13%范圍，并帶有機械攪拌。USR工藝需要先對各類畜禽糞便其它有機物進行預處理，除去大顆粒和粗纖維物質(進料TS濃度3%～5%)后，進入USR反應器，反應器采用上流式污泥床原理，不使用機械攪拌。

厭氧罐的設計發酵TS濃度一般為5%～10%，池容產氣率視溫度不同在0.4～1.2 m3·d-1m-3之間，實際運行中發現，發酵罐的進料隨意性很強，進料量和進料頻率不夠規范，進料濃度不能精確測定，普遍存在和設計參數不符的情況，發酵濃度和產氣率多數低于設計值。從表3可以看出，發酵濃度低于5%的超過70%，而池容產氣率0.3～0.8 m3·d-1m-3的占到60%以上。

表2　調研沼氣工程發酵工藝情況　(處)

表3　調研工程的發酵濃度和池容產氣率

在調研的沼氣工程中，沼氣工程的規模和設計參數不完全符合養殖場的糞污處理需求。很多沼氣工程沒有根據養殖類型、沖水方式、糞便特點和消納田地、環保要求進行詳細設計，甚至有不同養殖類型、不同規模的養殖場出現相同建設內容的沼氣工程。這樣在后期的實際運行中就容易造成處理程度不夠或投資浪費等問題。由于國家補助資金的限制，大部分沼氣工程的容積在1000 m3左右，有的養殖場規模大，造成糞污無法充分處理，沼液及糞污的隨意排放影響了養殖場的周邊環境；有的養殖場干糞直接出售，只有沖洗廢水進入發酵罐，沼氣工程的原料不足，導致沼氣工程不能滿負荷運轉，造成投資浪費，同時影響了沼氣工程的效益。

1.3運行管理狀況

根據調研，大多數沼氣工程專設1～2人用于日常維護管理，但管理人員素質良莠不齊。項目建設完畢后，基本上是靠業主的自覺去運行，對沼氣工程的安全運行、定期檢查檢修、人員的培訓沒有有效的約束，管理人員的專業素質不高，對發酵參數的控制方面理論知識及實踐經驗不足，項目建設單位對沼氣工程的后續回訪也不充分。大部分沼氣工程計量儀表欠缺，如污水流量計、沼氣流量計、水溫計安裝率不高，也缺乏必要的檢驗檢測手段，運行過程中出現的問題難以解決，影響了沼氣工程的有效運行。另外，環保部門沒有像對工業企業一樣對養殖場的糞污處理采取監測手段，沼氣工程的運行與否沒有得到應有的監管。而且由于沼氣工程的效益有限，業主可自行決定工程是否運行。一旦停止運行，不僅造成國家投資的浪費，同時養殖場糞污隨意排放造成嚴重污染。所以，應該從政策上引導，比如建立后續運行補貼機制，安排基層管理部門定期巡查，對那些切實運行，環境效益和社會效益明顯的工程項目，進行獎勵補貼，保障實際投入運行者的權益。

1.4沼氣利用方式

沼氣的用途有發電、集中供氣、燒鍋爐、養殖場自用等，調研的工程沼氣用于發電的有14個，集中供氣的有11個，養殖場自用的有7個。產生的沼氣如果進行熱電聯產(CHP)，熱能輸出部分可滿足20℃左右溫度條件下原料的升溫要求，在北方冬季無法滿足加溫要求，需要使用鍋爐或其它能量進行加熱，因此沼氣站多半配有沼氣鍋爐或燃煤鍋爐。

調研的大部分沼氣工程冬季保溫措施不夠完善，僅發酵罐采用保溫材料，進料池、預處理池無增溫保溫措施，導致進入發酵罐的料液溫度較低甚至接近零度，如不進行加熱運行效果很差。由于近幾年國家資助的沼氣工程絕大多數是集中供氣，利用煤-沼兩用鍋爐冬季增溫，不管是燒煤還是燒沼氣成本都很高，養殖企業無法接受，因此多數沼氣工程冬季為低效率運行或停止運行。因此建議預處理系統可以采用采光板覆蓋，安裝太陽能增溫系統，一次性投資微動力運行，降低后續厭氧罐加熱成本，同時做好保溫、增大進料和發酵濃度，使得冬季罐內溫度得到有效保持，從而提高發酵效果。

根據國家發改委2012年以后的補助要求，不再資助沼氣發電項目，國家投資的沼氣工程全部為集中供氣，因此無法利用發電余熱對厭氧罐加熱。但由于沼氣工程的建設主體一般為單一的養殖企業，在和農戶的協調方面存在欠缺，因此在集中供氣方面的實施有很大困難。由于供氣戶數不足，沼氣工程通常不能滿負荷運轉。沼氣如用于養殖場自用，則夏季沼氣用不了，用氣需求高的冬季產氣量反而下降，影響了沼氣工程業主的積極性。沼氣用途單一及季節性的需求變化影響了沼氣工程的穩定運轉。因此需要拓寬沼氣利用渠道，充分發揮沼氣工程的效益，才能從根本上提高業主的積極性，保障沼氣工程順利運轉。

1.5沼渣沼液利用情況

沼渣沼液含有大量豐富的營養成分，對于提高作物產量與品質、提升土壤肥力、促進植物種子萌發、防治病蟲害等方面具有積極作用[2]，可用作基肥、追肥，或與無機肥同施，因此其經濟價值的潛力很大。

山東省目前大部分沼氣工程以畜禽糞污為主要發酵原料，發酵濃度較高，排放的沼液濃度也較高。從表4可以看出，沼液的氨氮和COD濃度都較高，氨氮以1000～2000 mg·L-1的最多，COD以1000～3000 mg·L-1的最多，不適宜好氧處理達標排放，一般用于農田施肥進行生態化利用。沼液的pH值在7.1～7.9之間，偏堿性，農用時時要考慮其對作物的不良影響，特別是應用于鹽堿地時需調節pH值。

表4　調研工程沼液的污染指標

沼氣工程的發酵周期一般為15～30 d，以最常見的1000 m3厭氧罐來說，每日排放的沼液就達30～60 t。與之相對立的是作物施肥周期較長，種植蔬菜沼液澆灌頻率為7～10 d一次，而大田作物施肥周期長達2～3個月，因此通常要求站內沼液池具備足夠的儲存容量。但現有工程沼液池容積普遍偏小，一般僅為300～600 m3之間。不僅沼液儲存容積普遍偏小，沼液輸送設施也不到位，連接到田間地頭的沼液管道很少，一般依靠沼液車進行運輸，致使沼液在應用上受到限制。由于沼氣工程普遍規模較小，多數沼氣站未對沼渣沼液進行固液分離，因此沼渣產生量很少，不足以生產商品有機肥。沼液雖然產生量大，但用于出售的不多，多半為免費供應。即便如此，沼液的應用情況也不盡令人滿意，有的沼液池已滿，暫時又不到施肥季節，沼液就會溢流到周邊的河溝，污染地表水和地下水。

沼液的應用除了在貯存和施用方面存在基建上的困難，在理論和效果上也存在技術瓶頸。由于沼肥的品質差別很大，對不同作物和土壤的效果尚未明確，因此在肥效和安全性方面缺乏保障。同時沼肥的生產工藝缺少相關標準，沼肥的商品化市場還未形成。沼氣工程建設中，大部分業主本身養殖規模較小，且未開拓新的農業產業，與種植基地聯系不緊密，沼渣沼液利用不充分，沼氣工程的效益未能轉化到終端產品上。而沼渣沼液的高值化利用才是沼氣工程能夠可持續發展的必要保證。因此，在推進沼氣工程產業發展的同時加強相關研究與宣傳推廣，在發展初期政府應該為市場的培育提供支持，如給予使用沼渣沼液發展無公害農產品經營者以適當補貼等。

2　建議與展望

2.1沼氣工程規模化

山東省沼氣工程的投資主體基本是養殖(加工)企業主，沼氣工程普遍規模偏小，所以沼氣、沼肥等產品的商品化和應用均受到很大的限制，工程建設的標準化方面也存在欠缺。沼氣工程標準化建造能夠降低工程造價，減少項目實施企業的投資風險和不確定性，是沼氣工程未來發展的趨勢[3]。這樣從原料收集、沼氣利用、工程管理、沼渣沼液利用、衍生產品開發，以及環保要求等各方面均有助于管理，也利于形成規模效應。首先，鼓勵沼氣工程的建設主體為大型能源企業或農業企業，特別是種養一體化的大型農業龍頭企業，能夠配套足夠面積的種植基地用于消納沼渣沼液，并發展生態農業。規模化建設的沼氣工程產品產量高，也可以實現更好的應用和商業化。比如沼氣產量大實行熱電聯產，發電穩定性高有助于并網，發電余熱用于發酵罐加熱也利于提高產氣效率。近年來，沼氣的提純液化罐裝技術趨向成熟，投資及運行成本也大幅降低，已具有一定的經濟可行性。建議由政府出臺政策，鼓勵引導有意愿有能力的企業進入生物質能建設生產領域，并保障產業有效運行，支持企業通過市場出售生物質能產品。

2.2工程設計結合環保設計內容

以前養殖場沼氣工程主要依靠發改委和農業部門資助，關注的重點為獲得能源，因此為了提高沼氣產量，糞便污水混合發酵，物料COD濃度甚至達到4～8萬mg·L-1，發酵后排出的沼液COD濃度也接近10000 mg·L-1，大大超出排放標準，如果沼渣沼液的利用渠道不暢，必然對周圍環境造成嚴重污染。因此建議環保部門加強對養殖場的環境監管，對養殖場糞污的處理不能只滿足于沼氣利用，更應提高氣、液、渣污染綜合減排技術措施的管理，加強沼氣工程在環境保護方面的作用。

工藝是否合理直接關系到沼氣工程的處理效果、運轉穩定性、投資、運轉成本。因此，必須結合廢污特征，綜合考慮發酵資源、配套土地和能源需求等因素，慎重選擇適宜的生產工藝，以達到最佳的處理效果和經濟效益。建議對生豬、肉鴨養殖等污水量大的項目改進工藝，豬糞不和污水一塊調漿進發酵罐，而是將污水先進行固液分離，分離出的糞渣直接制肥，固液分離的廢水污染程度會極大降低，厭氧發酵容積和發酵時間也大大降低，節省的費用有條件的可以采用好氧系統，解決沼氣工程產氣和環保達標相互矛盾的問題，經過厭氧+好氧或土地處理工藝處理后，有望達標排放。對另一類像牛場、雞場等污水量小的沼氣工程，則推薦以較高濃度發酵，所產能源供應供氣站、發電站、有機肥加工車間等，這類項目如果建設規范、設備可靠、經營得當的話，是能夠產生一定的效益的。

2.3改革補貼方式

目前沼氣工程建設規模和建設內容同質化嚴重，很大的原因是由于國家補助資金的限制。為改善此種狀況，建議國家取消單項沼氣工程的補助限額，改為根據工程規模補助，鼓勵沼氣工程規模化建設。改建前補貼為建后補貼，改按工程規模補貼為產品規模補貼，這樣才能促進業主做好工程管理，發揮沼氣工程應有的效益。同時提高沼氣發電補貼力度，盡快實施燃氣供應后補貼，沼渣沼液制肥用肥補貼[4]等措施。

[1]武深樹,譚美英,劉 偉.沼氣工程對畜禽糞便污染環境成本的控制效果[J]. 中國生態農業學報, 2012, 20(2): 247-252.

[2]吳樹彪,崔 暢,張笑千,等.農田施用沼液增產提質效應及水土環境影響[J]. 農業機械學報，2013,44(8):118-125,179.

[3]閔師界,王 蓓,吳 進,等.養殖場大中型沼氣工程發展趨勢探討[J].中國沼氣，2011,29(1)：22-25.

[4]黨 鋒,畢于運,劉研萍.歐洲大中型沼氣工程現狀分析及對我國的啟示[J]. 中國沼氣，2014，32(1)：79-83，89.

Running Status of Large and Medium-sized Biogas Project in Shandong Province and Suggestions /

YAO Li1,2， GUO Hong-hai1， FU Long-yun1， WANG Yan-qin1，2， LIU Ying1， YANG Guang1， LUO Jia-fa1,3/

(1．Institute of Agricultural Resource and Environment，Shandong Academy of Agricultural Sciences，Jinan 250100，China；2. Shandong Provincial Key Laboratory of Agricultural Non-Point Source Pollution Controland Prevention，Jinan 250100，Chin；3. Royal Agricultural Science Research Institute, Hamilton 3240, New Zealand)

More than 30 of large and medium sized biogas projects in Shandong province were investigated in this paper. The project construction, operation, technical processes, biogas and residue utilization, were summarized and discussed. Suggestions and improving measures were put forward.

biogas engineering； technical processes； construction and operation

2015-10-19

2016-01-29

項目來源： 山東省2013年度農業重大應用技術創新課題； 濟南市高校院所自主創新項目(201303056)； 山東省科技發展計劃項目(2014GSF117012); “海外泰山學者”建設工程。

姚利(1979-)，女，助理研究員，主要從事沼氣及廢水處理方面的研究工作，E-mail:nkyyaoli@163.com

郭洪海，E-mail：honghaig@163.com

S216.4

B

1000-1166(2016)05-0078-04