戶用沼氣池建設對改善農村室內環境效果分析

宋海軍， 馬 培， 崔樹軍， 馬夢娟

(河南工程學院 資源與環境學院, 河南 鄭州 451191)

項目來源： 國家青年基金項目(41401549)； 河南省教育廳科學技術重點研究項目(14B610009)

戶用沼氣池建設對改善農村室內環境效果分析

宋海軍， 馬 培， 崔樹軍， 馬夢娟

(河南工程學院 資源與環境學院, 河南 鄭州 451191)

文章通過定點采樣，fi等方法，定量對比分析戶用沼氣池對農村室內環境改善效果。研究結果表明：沼氣戶室內空氣中CO，NH3，SO2，PM10等污染物濃度分別為5.64 mg·m-3，1.05 mg·m-3，0.38 mg·m-3，0.57 mg·m-3，而非沼氣戶室內4種污染物濃度分別為144.76 mg·m-3，4.38 mg·m-3，0.73 mg·m-3，0.87 mg·m-3，沼氣戶明顯低于非沼氣戶，且4種污染物濃度隨季節而變化。另外，沼氣戶相對于非沼氣戶室內空氣中四項污染物濃度貢獻率分別為96.10%，76.03%，47.9%，34.48% 。可見，戶用沼氣池建設對改善農村室內環境效果顯著。

沼氣池； 室內空氣質量； 季節變化； 空氣污染

人們每天有80%以上的時間在室內度過，室內環境的好壞直接影響到人體健康。國內外大量研究表明，室內空氣污染程度往往比室外高[1]。據世界衛生組織2011年發布的《室內空氣污染與健康》指出，室內空氣污染程度已經高出室外污染5～10倍，全球4%的疾病與室內空氣質量相關，每年大約有200萬人因室內空氣污染所致疾病而過早死亡[2]。這種情況在農村地區表現得尤為突出，由于受經濟條件的制約，傳統能源煤炭、薪柴和秸稈的使用比重達到90%以上，這些物質在室內明火或功能簡單的爐灶中燃燒，造成室內空氣污染，煙氣中含有大量有毒有害物質，對人體的呼吸系統等造成不良影響[3]。

在我國，每年由室內空氣污染引起的死亡人數高達11.1萬人[4]。傳統低效高耗用能模式不僅浪費了資源，而且破壞了農村的生態環境，直接威脅到人們身體健康。近年來隨著能源緊張局勢的加劇，各種可再生資源的利用得到了較快發展，在農村地區主要集中在沼氣的利用[5-6]。沼氣具有較高的熱值，并能替代煤炭、石油、天然氣等化石能源及薪柴、秸稈等生物質能源，可減少溫室氣體排放[7-8]，對改善室內空氣質量效果顯著。筆者研究通過選取典型代表性農戶，通過對沼氣戶和非沼氣戶進行實地監測，對比分析沼氣戶與非沼氣戶室內空氣中CO，NH3，SO2，PM10等污染物濃度，為進一步推廣戶用沼氣池建設提供定量化支持。

1 材料和方法

1.1 選點

選點應具有較強的對比性，廣泛使用傳統能源煤、薪柴、秸桿等，同時沼氣發展速度涉及面較廣。通過實地調查發現，河南省夏邑縣戶用沼氣池使用普遍，沼氣建設推廣較早，故選址在該縣太平鎮卜莊村，選取5戶沼氣戶和5戶非沼氣戶作為研究對象。

1.2 采樣

1.2.1 采樣時間和頻率

分別于2014年3月，6月，9月和12月對選定的10監測點進行采樣，每日采樣3次，連續采樣3日。采樣時間選定在每日的三餐期間進行。并對采樣結果進行動態監測。

1.2.2 采樣點選擇

選擇在農戶的廚房內，要求距墻和爐灶的距離0.5～1 m之間，高度設定為1.45 m(此高度是當前農村室內人們活動時呼吸所達到的平均高度)。

1.2.3 采樣方法

1.2.3.1 一氧化碳(CO)

使用CO檢測儀，連續采樣45 min，每15 min讀1次數，求其平均值。采樣時對選取的對象進行同步測定，同時根據實際需要選擇不同量程的CO檢測儀。

1.2.3.2 二氧化硫(SO2)

采用中流量大氣采樣器(0.5 L·min-1)，內裝有甲醛緩沖吸收液的吸收管，每次采集時間為45 min。

1.2.3.3 氨氣(NH3)

采用中流量大氣采樣器(0.5 L·min-1)，內裝有稀硫酸吸收液的吸收管，每次采集時間為45 min。

1.2.3.4 可吸入顆粒物(PM10)

使用裝入濾膜的可吸入顆粒物(PM10)切割器，采用中流量大氣采樣器(100 L·min-1)，采集60 min后取下濾膜，帶回實驗室進行檢測。

1.3 試驗儀器及材料

1.3.1 試驗儀器

中流量大氣采樣器(Th-150CIII型)，CO測定儀(TY-9500型)，分析天平，紫外分光光度計(S54)。

1.3.2 試驗材料

玻璃纖維膜、去離子水、洗瓶。

1.3.3 試劑

甲醛緩沖吸收液，0.05%PRA試劑，0.06%氨磺酸，1.5 mol·L-1的NaOH、氨吸收液(0.005 mol·L-1的稀硫酸)、酒石酸鉀鈉溶液，鈉氏試劑，SO2標準溶液、氨標準溶液。

1.4 試驗方法

室內空氣各污染物濃度監測方法及依據見表1。

表1 室內空氣測定項目與測定方法[9]

2 結果與分析

目前，農村地區多數村民的生活用能仍以秸稈、薪柴、木炭為主，因使用的爐灶類型千差萬別，制訂一套反映不同區域、不同用能結構的農村廚房主要污染物排放標準難度較大。為此，我國還沒有頒布《廚房空氣質量標準》。筆者研究參照《室內空氣質量標準》，探討戶用沼氣池建設對室內環境的影響。

2.1 室內一氧化碳(CO)含量對比分析

監測結果顯示，沼氣戶室內CO濃度最大值為8.82 mg·m-3，最小值為2.46 mg·m-3，非沼氣戶CO濃度最大值為235.84 mg·m-3，最小值為53.68 mg·m-3，與《室內空氣質量標準》中CO標準限值(10 mg·m-3)相比，非沼氣戶室內CO濃度平均值是標準限值的14.47倍，CO濃度嚴重超標，而沼氣戶室內CO濃度平均值低于標準限值。對比見圖1。

圖1 室內空氣中CO濃度對比圖

由圖1可知，沼氣戶室內空氣中CO的濃度明顯低于非沼氣戶，平均濃度比非沼氣戶低139.12 mg·m-3。由于非沼氣戶使用低質量的煤和未加工處理的生物質原料作為生活燃料，這些燃料在簡單的爐灶內燃燒，因為燃燒不完全，易產生CO。而沼氣作為一種清潔能源，由于燃燒徹底，室內空氣中污染物CO濃度大大降低。可見，戶用沼氣池建設使用后大大改善了農戶室內環境。

從季節對比情況來看，沼氣戶和非沼氣戶都是冬季室內空氣中CO濃度最高，春秋季節其次，夏季CO濃度最低，原因是冬季氣溫低，沼氣發酵受到抑制，產氣率下降，相應的增加了煤炭使用量，另外一方面就是冬季農戶往往將門窗關閉，不利于CO擴散，從而造成CO排放量增加。

2.2 室內二氧化硫(SO2)含量對比分析

監測結果顯示，沼氣戶室內SO2濃度最大值為1.62 mg·m-3，最小值為0.48 mg·m-3，非沼氣戶SO2濃度最大值為7.12 mg·m-3，最小值為1.64 mg·m-3，與《室內空氣質量標準》中SO2標準限值(0.5 mg·m-3)相比，非沼氣戶室內SO2濃度平均值是標準限值的8.76倍，沼氣戶室內SO2濃度僅是非沼氣戶的23.97%。對比見圖2。

圖2 室內空氣中SO2濃度對比圖

從圖2可以看出，沼氣戶室內空氣中SO2的濃度明顯低于非沼氣戶，由于煤炭是農戶家燃料中產生SO2有害氣體的主要原料，對于沼氣戶來說，沼氣燃燒幾乎不產生SO2，且每戶均安裝有脫硫裝置，對降低室內空氣中SO2濃度，改善室內空氣質量效果較為明顯。但是，從圖中不難看出，沼氣戶室內空氣中SO2濃度仍高于標準限值，究其原因，主要是由于沼氣使用過程中，未對安裝的脫硫裝置定期進行護理，如果凈化器中的脫硫劑長期不作更換和再生處理，裝置中的脫硫劑易結塊堵塞管路，造成凈化器起不到凈化作用，使得沼氣戶室內空氣中SO2濃度相對偏高。

從季節對比情況來看，沼氣戶和非沼氣戶室內空氣中SO2濃度表現出與CO類似的變化趨勢，都是冬季最高，春秋季節其次，夏季SO2濃度最低，冬季SO2濃度是夏季的3.38倍，這主要是因為無論是沼氣戶還是非沼氣戶冬季增加了煤炭的使用量，且空氣流動性較差，導致室內SO2濃度增高。

2.3 室內氨氣(NH3)含量對比分析

監測結果顯示，沼氣戶室內NH3濃度最大值為0.52 mg·m-3，最小值為0.24 mg·m-3，非沼氣戶NH3濃度最大值為0.89 mg·m-3，最小值為0.57 mg·m-3，與《室內空氣質量標準》中NH3標準限值(0.2 mg·m-3)相比，非沼氣戶室內NH3濃度超標嚴重，是沼氣的7倍多。對比見圖3。

圖3 室內空氣中NH3濃度對比圖

由圖3可知，非沼氣戶室內空氣中污染物NH3濃度明顯高于沼氣戶。究其原因，主要是因為沼氣戶在沼氣池建設使用后，把動物糞便、農作物秸稈等及時收集排入密封的沼氣池進行發酵，減少了NH3排放量[10]，從圖3也可以看出，沼氣戶和非沼氣戶室內空氣中NH3濃度均比標準限值要高，原因是沼氣在發酵過程中會產生少量的NH3，從而造成沼氣戶NH3濃度超標。但在同等條件下，戶用沼氣池建設使用后在很大程度上降低了NH3濃度，改善了室內環境。

從季節對比情況來看，沼氣戶和非沼氣戶室內空氣中NH3濃度均表現出與CO和SO2相反的變化趨勢，夏季最高，春秋次之，冬季最低，這是因為無論沼氣戶還是非沼氣戶在夏季堆肥時，速率較快，造成NH3濃度偏高，而春秋季和冬季NH3濃度變化不明顯。

2.4 室內可吸入顆粒物(PM10)含量對比分析

監測結果顯示，沼氣戶室內空氣中PM10濃度最大值為0.86 mg·m-3，最小值為0.28 mg·m-3，非沼氣戶PM10濃度最大值為1.28 mg·m-3，最小值為0.46 mg·m-3，與《室內空氣質量標準》規定的PM10濃度標準限值(0.15 mg·m-3)相比，非沼氣戶室內空氣中PM10濃度是標準限值的7倍多，超標較為嚴重。

由圖4可知，沼氣戶室內空氣中PM10含量低于非沼氣戶，究其原因，非沼氣戶主要使用傳統能源作燃料，產生的SO2，NOx等經化學反應生成MSO4，MNO3等顆粒物，且生成的煙氣中含有微小粒子，導致室內空氣中PM10濃度明顯偏高。

圖4 室內空氣中PM10濃度對比圖

另外，從季節對比情況來看，無論是沼氣戶還是非沼氣戶室內空氣中PM10濃度在夏季較高，春秋次之，冬季較低，但各季節室內空氣中PM10濃度變化并不太明顯，這與PM10的自身特性有關，室內空氣中PM10濃度除與燃料燃燒產生的煙塵有關外，還與人為活動產生的粉塵以及自然塵粒等有關。在同等條件下，戶用沼氣池建設有利于降低PM10濃度和改善室內環境。

2.5 戶用沼氣池建設對改善室內環境的貢獻率

沼氣戶相對非沼氣戶室內空氣中污染物濃度的貢獻率由下式定義[10]。

式中：CR為貢獻率；Cj為使用傳統能源的農戶污染物濃度；Ci為使用沼氣能源的農戶污染物濃度；n,k為分別為使用傳統能源和沼氣的戶數。

戶用沼氣池建設對改善室內環境的貢獻率計算結果見表2。

表2 沼氣戶相對非沼氣戶四項指標的貢獻率 (%)

從表2中可以看出，沼氣的使用對室內空氣中污染物CO的改善最為顯著，相對非沼氣戶其貢獻率為96.10%；SO2，NH3，PM10相對非沼氣戶其貢獻率分別為76.03%，47.9%，34.48%的污染。戶用沼氣池建設使用后對于PM10的貢獻率相對較低，分析發現PM10的產生因素比較廣，比如人類活動產生的粉塵、室外懸浮顆粒物的濃度及通風條件等，對室內PM10濃度都會造成一定影響。

3 結論

(1)通過對比分析發現：戶用沼氣池建設使用后，沼氣戶室內CO，SO2，NH3，PM10等污染物濃度明顯低于非沼氣戶。

(2)沼氣戶和非沼氣戶室內空氣中CO，SO2，NH3，PM10等污染物濃度隨季節而變化，其中冬季和夏季變化較為明顯。

(3)戶用沼氣池建設使用后，對室內空氣中污染物CO，SO2，NH3，PM10等改善較為明顯，相對于非沼氣戶其貢獻率分別為96.10%，76.03%，47.9%，34.48%。

可見，戶用沼氣池建設使用后，室內空氣中CO，SO2，NH3，PM10等污染物濃度下降明顯，沼氣戶室內環境得到明顯改善，應在河南省乃至全國大力推廣戶用沼氣池建設。

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AnalysisonImprovingRuralIndoorEnvironmentbyUsingBiogas/

SONGHai-jun，MAPei，CUIShu-jun，MAMeng-juan/

(CollegeofResourcesandEnvironment,HenanUniversityofEngineering,Zhengzhou451191,China)

To analyze the effect of biogas application on improving rural indoor environment, the quantitative comparison was carried out by fix-point sampling and field monitoring. The results showed that the content of CO, NH3, SO2, PM10for indoor air of biogas utilization family were 5.64 mg·m-3, 1.05 mg·m-3, 0.38 mg·m-3, 0.57 mg·m-3respectively, and those for non-biogas family were 144.76 mg·m-3, 4.38 mg·m-3, 0.73 mg·m-3, 0.87 mg·m-3respectively, All the 4 monitored pollutant concentrations in biogas utilization families were significantly lower than those of non biogas family. And the pollutant concentration was varying with the seasons. Comparing the indoor air with non-biogas family, the CO, NH3, SO2, PM10in biogas family decreased their concentration by 96.10%, 76.03%, 47.9%, 34.48% respectively. It showed that CO contributed the best in improving rural indoor air.

household biogas digester; indoor air quality; seasonal variation; air pollution

2016-09-16

2016-09-30

宋海軍 (1978-)，男，河南周口人，副教授，主要從事固體廢物處理與利用研究等工作，E-mail:navy312@163.com

S216.4

B

1000-1166(2017)04-0091-04