浙江省農村沼氣利用典型技術的表征和演進

劉銀秀，董越勇*，邊武英，金娟，聶新軍，范志斌，王強

(1.浙江省農業生態與能源辦公室，浙江 杭州 310012； 2.浙江省耕地質量與肥料管理總站，浙江 杭州 310020；3.浙江省農業科學院 環境資源與土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021)

在農業種植業、養殖業的生產過程中，農村的生產生活過程中，會產生大量各種各樣的有機廢棄物，主要有畜禽糞污、農作物秸稈、尾菜、生活垃圾、農產品加工廢棄物等。據統計，2018年，浙江省畜禽糞污產生量1 755萬t，農作物秸稈1 128萬 t。這些有機廢棄物如不加以處理，勢必會影響農村生態環境，威脅人民群眾的身體健康，同時也浪費了大量的寶貴生物資源。采用沼氣工程對農業農村有機廢棄物進行厭氧發酵，可有效實現廢棄物的資源化、循環化、減量化，被認為是最有潛力的處理方式之一[1]。產生的沼氣是多種氣體的混合物，一般含甲烷50%～70%，是優質的燃料，可為農戶提供生活用能，也可用于發電，厭氧發酵的液相殘留物沼液，富含多種農作物生長所必需的營養物質，具有促進作物生長、防治作物病害和改良土壤性狀等多重功效。2010年，諸暨市安家湖村利用村中某規模化養殖場糞污，建設的集中供氣工程可解決150戶農戶的生活用能，每年每戶可節約燃料支出577元[2]。四川省成都市某村通過集中供氣工程解決了70多戶的生活用能問題[3]。吳曉梅等[4]對福建省福清市某規模化養殖場沼氣發電工程進行了實例分析，該工程日產沼氣1 500 m3，所產沼氣主要用于養殖場生產、生活用電，多余的電并入當地電網，每年可節約用電84.23萬kW·h，節約用電開支54萬元。谷偉楠等[5]對云南省某縣利用規模化沼氣工程處理蔬菜廢棄物進行了實例分析，項目創建了集中收儲運體系，以沼氣工程為紐帶，產生的沼渣、沼液變成綠色有機肥，沼氣提純為天然氣，實現了蔬菜廢棄物資源化綜合利用。董越勇等[6]通過對浙江省30個沼氣工程沼液進行養分調查和差異性分析得出，產生的沼液可直接施用于農作物種植。

浙江省地處東南沿海長江三角洲南翼，屬季風性濕潤氣候，四季分明，雨量充沛，是我國自然條件較優越的地區之一。浙江農業產業眾多，是農、林、牧、漁各產業全面發展的綜合性農業區域。近幾年來，浙江省以綠水青山就是金山銀山為遵循，以深入實施“八八戰略”為統領，以打造國家鄉村振興示范省為抓手，積極推進農業農村改革，深入實施統籌城鄉發展方略，農業農村經濟呈現了持續快速發展態勢。浙江省在推進生態農業、現代生態循環農業發展上，以農業農村廢棄物資源化、循環化和減量化為重點，全面推進和提升以沼氣工程為紐帶的生態循環農業廢棄物資源化利用水平，不僅在調整農村能源消費結構，改善農村居民生活環境發揮著積極的作用，更是成為浙江省實現畜牧業的綠色發展，促進高效生態和綠色可持續發展的重要組成部分。浙江省從1957年開始在全省部署發展農村沼氣以來，全省農村沼氣建設得到了長足、穩定的發展。全省現有農村規模化沼氣工程5 880處(池容83.68萬m3)，年產沼氣8 098萬m3，集中供氣戶數約3萬戶，年發電量2 500 kW·h，年利用沼液800萬t，可節約標煤5.78萬t，節約氮磷肥2.7萬t。21世紀初，面對浙江省城鄉經濟社會的快速發展，農村生產方式的變革和農村勞動力的轉移不斷提速，純農家庭逐漸減少，農戶養殖比例逐年下降，養殖場集約化程度越來越高的事實，浙江省農村能源管理部門深刻認識到必須因地制宜探索農村沼氣發展的新途徑、新模式，在認真調研、深入分析的情況下，及時轉變思路，由發展戶用沼氣向發展規模化沼氣工程、集中供氣工程方向發展，積極探索適合的技術和模式。本文結合浙江省探索出的技術模式，對每種技術的工藝流程、地域分布、模式特點等進行分析，以期為推進農村沼氣發展、農業綠色發展和美麗鄉村建設提供參考借鑒。

1 典型技術

1.1 農村集群沼氣用戶統一供氣

1.1.1 工藝流程

畜禽糞污、農作物秸稈、廚余垃圾等農業農村有機廢棄物，經簡單分類及預處理后，進入集水池(一般內設攪拌裝置，促進物料均勻)，經固液分離設施后進入酸化池酸化，然后進入厭氧池內進行厭氧發酵，最后的發酵殘留物沼液進入貯肥池，靜置一段時間后可通過輸送管網、運輸車運送至田間貯肥池待用，或者直接施用于種植業上。產生的沼氣經氣水分離器、脫硫塔等凈化后貯存于貯氣柜中，通過沼氣輸配管網就近向自然村或行政村的農戶統一供氣，作為農戶生產生活用能。

1.1.2 地域分布與應用范圍

該技術(模式)適用于畜禽糞污、秸稈等農業有機廢棄物資源豐富、獲取便利，村民居住較為集中且沼氣使用意愿較強，冬季平均氣溫不低于0 ℃的丘陵及山區，周圍配套有足夠面積的農業種植區或茶園林地等，以保證開展沼液綜合利用，浙江省已經推廣農村集群沼氣用戶統一供氣模式300多處，供氣戶數約3萬戶，主要分布在衢州、麗水、臺州等地。

1.1.3 技術特點

選址靈活。可以依托養殖場在養殖場內建立統一供氣工程，也可以通過就近收集畜禽糞污、農作物秸稈、尾菜、廚余垃圾等農業農村廢棄物，在村莊里建設統一供氣工程，通過沼氣輸送管網達到近遠距離輸送沼氣的目的。

投資較大。山區建設統一供氣工程，建設單位成本較高，一般每戶需0.8萬～1.0萬元，建設一個供氣100戶的統一供氣工程需要80萬～100萬元的建設資金，而發展統一供氣模式的村莊大部分經濟基礎較為薄弱，需要政府進行補助才能完成。

市場化程度低。該模式一部分是由養殖場業主無償提供給周邊農戶使用，一部分按1～1.5元·m-3的標準收取一定費用，所收取費用還不足以達到自負盈虧，市場化時機尚不成熟，需通過政府補貼、沼氣收入、農戶自籌等多種途徑解決沼氣工程的運行維護費用。

注重沼氣的生產。應盡量采用高濃度原料(一般總固體濃度>6%)，盡可能利用有限的原料生產出足夠多的沼氣，農戶沼氣用量需求按0.1～0.15 m3·d-1·人-1進行設計。

具備沼氣遠距離的輸送能力。沼氣輸送暢通是該模式運行正常的關鍵，沼氣輸氣管可采用逐級變徑，可基本滿足不同距離輸氣的壓力需求，也可配備具有防爆功能的沼氣增壓設備，滿足遠距離輸氣時的壓力需求。

安全生產運維管理要求高。該模式不僅涉及沼氣工程的安全生產運維，還涉及沿途的沼氣輸送管道的安全維護、沼氣用戶戶內的沼氣安全使用等，涉及面較廣，因此，對安全運維管理有較高的要求。

效益明顯。可改善農村用能結構，提高清潔能源利用率，減少大氣污染及商品能源的消費支出，一般每戶每年可減少燃料支出600元。同時，可從根本上防止對薪柴林的砍伐。據測算，使用沼氣平均一戶人家年可節柴5 000 kg以上，相當于0.6 hm2薪炭林的年林木蓄積量。

1.2 沼氣熱電聯用高值化利用技術

1.2.1 工藝流程

將養殖場或周邊區域收集的畜禽糞污經格柵(去除塑料袋等雜物)進入集水池(內設有機械攪拌裝置，促進物料的均衡)，然后經酸化池酸化，進入厭氧池內進行厭氧發酵，發酵殘余物沼液自流進入沼液貯存池，靜置一段時間后可通過沼液輸送管網、運輸車等方式送至田間貯肥池待用，或者直接施用于種植業。產生的沼氣經氣水分離器、脫硫塔等凈化達到沼氣發電設備的凈化要求后貯存于貯氣柜中，通過沼氣發電設備發電，所產生的電可用于養殖場自身用電需求，也可并網，發電余熱可用于沼氣池升溫，促進厭氧池的厭氧發酵，提高效率。

1.2.2 地域分布與應用范圍

適用于在冬季平均氣溫不低于0 ℃的地區，周圍有配套足夠面積的農業種植區或茶園林地以保證開展綜合利用。目前，浙江省沼氣發電工程有130處，總裝機容量13 337 kW，年發電量2 500萬kW·h，主要分布在杭州、衢州、金華等地，其中，浙江開啟能源科技有限公司的沼氣發電機組規模最大，總裝機容量為2 000 kW。2018年，全省上網發電裝機容量為2 180 kW，年發電量為1 065萬kW·h。

1.2.3 技術特點

適應性強。技術(模式)適用于各種類型的農村沼氣工程，即只要有穩定的沼氣生產，選擇與沼氣產量相匹配的沼氣發電機組，就可適用。既可滿足養殖場自身的用電需要，也可用于并網發電，享受可再生能源發電補助。

注重沼氣的穩定生產。穩定足量的沼氣生產是沼氣發電正常使用的前提條件，應盡量采用高濃度原料(一般總固體濃度>6%)，盡可能利用有限的原料生產出足夠多的沼氣，一般1 m3沼氣發電2 kW·h。

沼氣凈化要求高。沼氣中含有的硫化氫、水分、含塵量等，如果處理達不到沼氣發電機組的要求，則會對其使用壽命、發電功率等產生較大影響，從而影響收益。

對沼氣發電設備要求高。目前，國內大多數沼氣發電設備還存在可靠性差、熱負荷高、啟動困難、維修次數多等問題，國外沼氣發電設備性能優于國內，價格也較為昂貴，國內大多選擇國產發電機，對沼氣發電的使用積極性、推廣起到了一定的阻礙作用。

發電成本較高。浙江省沼氣發電成本在0.38～2.44元·(kW·h)-1(不含沼氣工程折舊)，現農村用電價格為0.6～0.8元·(kW·h)-1，2018年浙江省沼氣發電上網補貼價格為0.80～1.1元·(kW·h)-1，如果對自用的沼氣發電沒有相應的政策補助，則會極大影響業主使用沼氣發電的積極性。

1.3 沼氣沼液利用并重的“舒蘭模式”

1.3.1 應用背景

蕭山舒蘭農業有限公司是一家以綠色生產、保鮮、加工、配送產業化為特征的農業企業，年產蔬菜、瓜果數量大，同時，也有大量的農作物秸稈、尾菜等農業廢棄物，為減少秸稈亂堆亂放、焚燒現象，改善基地生態環境，公司建成了沼氣沼液利用并重的“舒蘭模式”。

1.3.2 工藝流程

將農作物秸稈、尾菜粉碎成長度為3～5 cm，利用太陽能發酵房(150 m2)進行堆漚，產生的滲濾液與外拉的畜禽糞污一起進入勻漿池(25 m3)，攪拌均勻后，進入一體化結構厭氧罐(沼氣池300 m3，雙膜貯氣柜120 m3)進行厭氧發酵，厭氧工藝為CSTR，水力停留時間為30 d，發酵溫度保持在25 ℃左右。產生的沼氣凈化后部分用于食堂的炊事用能，部分用于發電(裝機容量30 kW)，發電余熱用于勻漿池和沼氣池的增溫，太陽能發酵房厭氧堆漚產生的有機質加工制成育苗基質，產生的沼液用于54 hm2蔬菜基地的肥水噴灌。

1.3.3 技術特點

以處理秸稈、尾菜為主要目的，為農村沼氣工程綜合利用提供了多原料利用的成功模式。

利用太陽能發酵房預處理秸稈、尾菜，可提高發酵溫度，縮短發酵時間，大大提高效率。

在主體區域范圍內形成了“秸稈、尾菜、畜禽糞污—沼氣工程—沼氣炊事用能發電—沼液用于蔬菜基地”的農業生態小循環。

經濟效益顯著。年可處理農作物秸稈910 t、豬糞730 t。年可節省育苗基質的有機質投入18.8萬元；沼氣發電為公司提供電能，發電余熱用于勻漿池和沼氣池的增溫，年可節省電費5.8萬元；沼液施用年可節省化肥費用7.6萬元，年可節支32.2萬元，扣除人工、燃油、設備維護及折舊等運行成本28萬元，年總收益約4.2萬元。

1.4 利用不同農業廢棄物制備沼氣技術

1.4.1 應用背景

農村沼氣工程作為開發可再生能源應用的一個途徑，一直被各方所重視，但是隨著浙江省“五水共治”、三改一拆、畜牧業轉型升級等政策的影響，農村沼氣又在走下坡路，原有的農村沼氣工程因養殖場搬遷，無原料供應而被大量廢棄，現有的原料結構已經無法滿足沼氣工程的日常運行。隨著鄉村振興，生態宜居為農村廢棄物的處理提出了更高的要求。浙江省積極探索利用農村沼氣工程處理有機生活(廚余)垃圾、秸稈等，取得了一定成效。

1.4.2 農村沼氣工程原料來源

浙江省農村沼氣工程原料來源原先主要以畜禽糞污作為單一來源為主，也積極探索過農作物秸稈作為單一來源進行沼氣技術應用，但是農作物秸稈由于其成分主要以纖維類為主，結構緊密不易分解，且極易在厭氧池發生結殼現象而影響整個厭氧效果，沼氣工程的干發酵技術不過關等原因，大多以失敗告終，但是經過多年的實踐經驗，浙江省探索出農作物秸稈預處理后與畜禽糞污進行科學配比后作為混合原料制備沼氣的成功案例，并加以推廣。同時，隨著農村垃圾分類的不斷升級，農村有機生活(含廚余)垃圾也逐漸成為沼氣工程來源之一，這幾種原料可以根據需要作為農村沼氣工程的單一原料，也可多種原料同時混合進行使用。

1.4.3 工藝流程

將收集來的農作物秸稈經粉碎堆漚等方式預處理所產生的滲濾液、有機生活(廚余)垃圾進行再次分類，畜禽糞污等按沼氣工程設計要求，選擇單一原料或者混合原料進入勻漿池攪拌均勻，進入酸化池酸化再進入厭氧池進行厭氧發酵，產生的沼氣凈化后可集中供給周邊農戶作為生活用能，也可供養殖場生產生活用能或進行發電，產生的沼液部分回流用于勻漿池和秸稈堆漚，多余沼液進入貯肥池，靜置一段時間后通過輸送管網、運輸車運送至田間貯肥池待用，或者直接施用于種植業上。

1.4.4 應用范圍

該技術適用于農村垃圾分類較好、垃圾產量不大的村莊，也適用于農作物秸稈、尾菜產生量較大并可進行綜合利用的區域。浙江省主要在杭州、嘉興、紹興等地應用。

1.4.5 技術特點

靈活方便適用面廣。該模式適用于各類村莊，可以根據垃圾產生量靈活設置規模，可因地制宜地根據秸稈種類與畜禽糞污進行科學配比，滿足發酵原料碳氮比(C/N)25～30∶1的要求，無須添加其他物料，實現低成本的農業廢棄物就近處理利用。

加強原料收集。要確保農村沼氣工程原料充足，要做好秸稈、糞便、農村有機生活(含廚余)垃圾等發酵原料的收集、貯存與運輸。

垃圾分類要求高。厭氧裝置只能對可腐爛的有機廢棄物進行處理，除農戶家里需要進行垃圾分類外，進厭氧裝置前還要進行二次分類，人工分揀工作量大，不適用于垃圾產生量大的村莊。

做好秸稈預處理。秸稈類原料主要由纖維素、木質素組成，空間結構致密，直接進入沼氣池，難以被微生物降解和利用，且易發生結殼現象，因此，沼氣發酵前必須進行預處理，提高原料的可生物降解性能，促進厭氧發酵產氣。目前，生物預處理方法有物理法、化學法、生物法[7]。

尚處于試驗示范推廣階段。雖然此技術在浙江省已有成功的案例，但是在秸稈預處理、垃圾分類、厭氧發酵工藝、微生物菌種及生物指標、沼液回流等關鍵環節，還不夠成熟，尚未能達到大規模推廣的階段，同時，人類生活垃圾區別于畜禽糞污、秸稈等，成分較為復雜，所產沼液成分是否符合資源化利用條件還需要進一步的研究。

1.5 規模化養殖場內沼氣工程循環利用模式

一般規模化養殖場建有與養殖規模相匹配的農村沼氣工程，作為處理畜禽糞污的措施，達到畜禽糞污無害化、減量化、資源化處理的目的，在浙江省利用比較常規。

1.5.1 工藝流程

養殖糞污收集后經格柵進入集水池(內設有機械攪拌裝置，促進物料的均衡)，經酸化池進入厭氧發酵池內進行發酵，沼液自流進入沼液貯存池，用肥時通過沼液輸送管道、運輸車、田間貯肥池等方式施用于養殖場自有或者周邊農田進行種植業利用。產生的沼氣經氣水分離器、脫硫塔等凈化后貯存于貯氣柜中，用于養殖場自身的用能需要。

1.5.2 地域分布及應用范圍

該模式適用于對能源需求不大，周邊有一定土地，可完全消納全部沼液的中小型養殖場，是浙江省應用較為廣泛的一種利用模式。

1.5.3 模式特點

實現養殖場內農業生態小循環，減少養殖場污染物外排現象，避免二次污染，示范性強。要做好用肥淡季及雨季沼液的管理，避免造成環境污染。農村沼氣工程管理要求低，運行成本費用較低。一般養殖場業主可兼職管理沼氣工程的運行管理，減少人工成本支出，一般只有照明、污水泵的用電，運行成本較低。

2 存在問題

農村沼氣綜合利用技術典型模式涉及農業有機廢棄物處理利用、農村用能結構改善、鄉村振興等農業生產農村生活的方方面面。這些模式的推廣應用可有效處理畜禽糞污、農作物秸稈、生活垃圾等農業農村有機廢棄物，節約農業生產成本，促進現代生態循環農業發展，推進農業生態與環境建設，實現經濟發展和生態環境保護協同共進。但在推廣過程中尚存在一些亟須解決的問題。

2.1 基礎研究力度不夠

隨著浙江省畜禽養殖量的下降，原有農村沼氣工程因原料缺乏而被大量廢棄，開展以生活垃圾、餐廚垃圾、秸稈等為發酵原料的沼氣技術、微生物菌種等方面的研究，可有效解決農村沼氣工程原料問題，拓寬沼氣工程技術的應用范圍。UASB、CSTR、ABR等厭氧工藝在運行過程中仍存在處置效率、產氣率、出水濃度不穩定等問題。對沼液組分成分，沼液長期施用后對土壤理化性狀的影響、土壤改良、農產品增量提質等的研究，還處于初步階段，不系統、不全面，無相應的沼液施用與生態消納技術，沼液實際施用較為盲目，不利于沼液施用的可持續推進。沼氣的有效利用研究還較低，存在部分沼氣隨意排空不利用的現象，給環境和安全都帶來了相當的隱患。

2.2 政策扶持力度不持續不平衡

2017年，對浙江省各市、縣(市、區)的農村沼氣建設、后續服務、“三沼”(沼液、沼氣、沼渣)綜合利用方面的相關政策進行了調查，調查結果顯示，浙江省有30多個縣出臺過與農村沼氣相關的補助政策，占全省總縣數的1/3左右。出臺的政策主要集中在沼氣工程建設，而后續管理維護、終端產品補貼及廢棄沼氣工程安全拆除等出臺較少。大多政策都存在被取消的可能，持續性不高。

2.3 農村沼氣工程運維管理制度化自動化程度不高

農村沼氣工程是集生物、環保、建筑、能源、化工等多學科應用交叉的技術，管理要求相對較高，應通過制定相應的安全生產運維制度加強管理。但由于一些部門、業主存在“重建不重管”的思想，制度建立不夠完善，存在相關部門監管和技術扶持力度不夠，農村沼氣主體責任不到位的現象；同時，國產沼氣工程設備制造水平低，且質量參差不齊，沼氣凈化、利用技術自動化程度不高，從而出現部分農村沼氣工程存在無人或者偶爾看管，綜合效益不明顯的情況，造成資源的極大浪費，產生一定的負面影響。

3 建議

3.1 加強規劃引導

在全面調查全省農村沼氣發展現狀、沼氣沼液綜合利用現狀、農業農村有機廢棄物資源量等，并全面評價分析的基礎上，結合浙江省綠色農業生態循環建設、生態環境保護、可再生能源利用等，按照“政府支持、企業主體、市場引領、因地制宜”的原則，科學編制浙江省農村沼氣中長期發展規劃，提出浙江省農村沼氣發展目標、任務、重點發展區域、沼氣沼液綜合利用方向、保障措施等內容，加強與其他規劃銜接。同時，引導農村沼氣發展重點區域編制發展規劃，通過規劃科學有序推進浙江省農村沼氣發展、沼氣沼液綜合利用工作。

3.2 加強基礎研究及技術研發

堅持科研與推廣相結合，加快引進國內外先進的沼氣工程工藝和配套設備，加大沼氣工程技術集成研究與推廣。

加大沼液組分調查，沼液施用后對土壤理化性狀的影響、土壤改良、農產品增量提質等的基礎性研究，為后續出臺相關標準提供數據依據。

加強沼液濃縮技術、高附加值新型沼液營養液的開發與研究，拓寬沼液的利用途徑，解決沼液直接肥用存在的沼液養分含量不穩定、施肥技術不易掌握等問題。

3.3 以政策、技術、資金等方面切實保障和促進沼氣沼液作為商品進入市場

通過制定浙江省沼液質量標準、主要農作物施用與生態消納技術規范，可有效推進沼液科學施用體系的建設，指導農民科學合理施用沼液，推進沼液商品化進程，實現全省沼液的高效、安全利用。加大財政支持，完善“三沼”綜合利用補貼政策，并保證政策的連續性與穩定性，從而形成政府扶持、企業主導、市場化運行的長效機制。

3.4 加強科學、安全運維管理制度和技術的研究與推廣

規范的管理和健全的服務制度是農村沼氣工程安全生產運維的有效保障。完善省、市、縣三級農村能源管理部門的安全生產技術服務體系建設，提升服務水平。建立“一池一策”的農村沼氣工程安全生產制度，提高農村沼氣工程日常運維、安全使用和綜合利用水平。建立一批有資質的、技術過關的農村沼氣后續服務隊伍，為農村沼氣的運行維護提供服務。及時總結、引進先進的農村沼氣安全運維模式，并加以推廣。