浙江省沼氣整村集中供氣技術模式簡析

聶新軍，姚光偉，董越勇*，葉波，金娟，劉銀秀，徐來源，范志斌

(1.浙江省農業生態與能源辦公室，浙江 杭州 310012； 2.開化縣新農村建設中心，浙江 開化 324300)

沼氣發酵是厭氧微生物在厭氧條件下將發酵底物中的有機物轉化為以甲烷和二氧化碳為主要成分的沼氣產品，同時生成液體副產品(沼液)和固體殘渣(沼渣)的生物化學過程。由于該過程可以產生數量可觀的沼氣產品，故該過程也被稱為沼氣發酵，相應的工程稱為沼氣工程。沼氣工程將畜禽糞便、秸稈等農業農村廢棄物經過厭氧發酵產生沼氣用于供能、發電或者提純利用，既消除了環境污染問題，又獲得了寶貴的可再生能源，減少了農業生產生活對化石能源的消耗和依賴，因此，世界各國對沼氣工程建設高度重視[1]。沼氣工程最初以解決用能需求為主要目標，隨著社會經濟的不斷發展，人們對生態環境的關注度越來越高，沼氣工程逐步在畜禽養殖污染、農村生活污水、餐廚垃圾和農產品加工廢棄物治理等方面發揮重要作用。浙江省作為“綠水青山就是金山銀山”重要思想的萌發地和先行地、全國生態循環農業試點省、全國整省創建農業可持續發展試驗示范區，歷來重視沼氣工程的建設與發展，沼氣工程已成為農業綠色發展的重要樞紐。追溯歷史，浙江省在20世紀30年代就開始利用人畜糞便制取沼氣[2]，是全國人工制取沼氣最早的省份之一。20世紀70、80年代，浙江省結合農戶畜禽散養實際，大力推廣戶用沼氣池，解決農村用能需求，減少薪柴的砍伐和使用。隨著農村生產方式改變和勞動力轉移，純農家庭逐漸減少，加之畜禽養殖向規模化、集中化發展，分散養殖農戶比例逐年降低，缺原料、缺場地、缺管理的農戶逐步增多，戶用沼氣推廣遇到了瓶頸[3]，農村沼氣逐漸向規模化方向發展。據統計，浙江省現有沼氣工程數量為5 880處，總池容83.68萬m3，年產氣量8 049.55萬m3，沼氣工程配備沼氣發電機組總裝機容量為13 337 kW，年發電量4 648.86萬kW·h；全省農村生活污水凈化沼氣池達6.7萬處，總容積268.04萬m3。

隨著社會經濟發展，電力及其他能源的獲取越來越便捷，農村沼氣的發展速度逐步放緩。但是，在一些畜禽養殖量較多且農村人口集聚的地區，群眾對沼氣仍有一定需求。因此，為滿足這部分群眾的用氣需求，浙江省在全國率先開展沼氣整村集中供氣工程的探索和推廣，充分利用當地豐富的畜禽養殖糞污和農作物秸稈等有機廢棄物，以規模化沼氣工程為依托，通過鋪設管網統一集中供氣，既滿足了群眾用氣需求，又緩解了農業面源污染問題，并在改善提升農村人居環境、打造生態宜居新農村方面發揮了重要作用。本文以開化縣沼氣整村集中供氣模式為實例進行分析，并對浙江省沼氣整村集中供氣技術模式進行總結歸納，詳述該技術的優缺點，并對該技術的未來發展進行展望。

1 開化縣村級沼氣集中供氣模式

1.1 發展背景

自20世紀70年代起，開化縣開始推廣農村沼氣，經歷了70年代萌芽發展、80年代穩步發展、90年代末至2008年全面鋪開3個階段，在這期間以推廣戶用沼氣為主。隨著農村生產方式的改變和勞動力的轉移，純務農家庭逐漸減少，加之新農村建設和畜禽養殖治理，戶用沼氣的推廣越來越受限制。面對這些問題，開化縣農村能源部門積極探索、大膽實踐、及時改變工作思路，改建戶用沼氣為沼氣集中供氣工程，并于2008年在桐村鎮黃石村成功建成第一座沼氣集中供氣示范工程[3-4]。在此基礎上，開化縣在全縣范圍內大力推廣沼氣整村集中供氣工程，逐漸形成了“畜禽糞便、農作物秸稈等農業廢棄物—沼氣工程—村級集中供氣—種植業”的開化縣村級沼氣集中供氣及沼液綜合利用模式。現全縣建有集中供氣沼氣工程66處，供氣農戶近萬戶，全縣有10個行政村整村供應沼氣。

1.2 實例介紹

旭日村距開化縣縣城32 km，擁有7個自然村，482戶，1 536人，是該縣第一個實現整村集中供氣的行政村。自2009年以來，該村陸續建成沼氣集中供氣工程6處，并于2014年實現全行政村供氣。沼氣集中供氣工程總池容1 100 m3，貯氣柜總容積400 m3，每處厭氧池容積150～250 m3，設計供氣戶數80～100戶，均采用地埋式全混合厭氧發酵工藝。沼氣集中供氣工程以畜禽糞便為主要發酵原料(采用異地配送)，適當加入部分農作物秸稈和有機生活垃圾，進料濃度保持6%～10%，發酵溫度為20～28 ℃，每月沼液回流1～2次，每次3 t。

1.3 運維保障

為確保沼氣集中供氣工程長效穩定運行，開化縣政府每年安排30萬～45萬元農村能源專項經費，用于沼氣后續服務。縣農村能源部門挑選責任心強、工作認真負責的技工作為管理人員，對管理人員實行先培訓后上崗，并且每年至少對在崗管理人員進行2次技術培訓。每個管理人員分管1～14個沼氣集中供氣工程，并與沼氣供氣村委簽訂管理協議，強化服務意識，做到農戶有求必應。同時，縣農村能源部門在5個沼氣集中供氣工程點開展沼氣物聯網監控示范，實時查看工程產氣量、甲烷濃度，為工程科學管理運行提供依據。

1.4 效益分析

從工程運行的角度分析，為保障沼氣集中供氣工程正常運行，須設專人負責沼氣工程發酵原料的運輸及日常維護等工作，政府對沼氣集中供氣工程按0.4萬元·a-1·個-1的標準對管理人員進行資金補助，同時按1.0～1.5元·m-3的標準向農戶收取沼氣使用費用，基本可達到收支平衡。以旭日村為例，該村沼氣集中供氣工程承包給專業技工管理，由其負責發酵原料的購置和運輸、沼氣工程設施的日常運維，以及輸氣管網的維護等工作，該部分成本為9萬元·a-1；全村常年使用沼氣戶數為337戶，戶均用氣量為220 m3·a-1，沼氣收費標準1元·m-3，則沼氣收費收入7.4萬元·a-1；政府對該村6個沼氣集中供氣工程進行補助，補助2.4萬元·a-1。據此測算，該村沼氣集中供氣工程管理人員每年有1萬元的純收益。管理人員負責的工程數量越多、供氣戶數越多、年用氣量越大，其純收益也會隨之增加。

從農戶的角度分析，與使用罐裝液化石油氣相比，每戶每年可節省燃料支出600余元。此外，沼氣集中供氣工程產生的沼液免費供農戶使用，用沼液澆灌農田，既減少了購置肥料的費用，又改良了土壤。據測算，全縣沼氣集中供氣工程每年可創造經濟效益500余萬元。

1.5 技術創新

沼氣整村集中供氣工程的長效運行離不開技術的創新和應用。一是擴建規模、合理設計池體構造。將厭氧池容積由小變大，將大型沼氣工程由地下改地上，如將50 m3的厭氧池容積增加到150～1 000 m3，供氣戶數由12戶增加到70～750戶。二是增設攪拌系統。將原有厭氧池的水封口改為密封口，在密封口上增設攪拌系統，每天定時攪拌15 min，有效防止了結殼和沉渣的發生，提高產氣率。三是增設厭氧池增溫保溫設施。在厭氧池池壁上安裝熱交換導管，利用太陽能、空氣源熱泵技術對厭氧池進行增溫保溫，提高冬季厭氧池發酵液溫度，確保冬季正常產氣供氣。四是科學設計輸氣管網。通過輸氣管道變徑設計，實現沼氣遠距離穩壓輸氣，同時緩解、解決管道積水問題。如2016年桐村沼氣集中供氣工程采用始端大末端小的布管設計，使沼氣在輸送過程中壓力保持穩定，輸送距離達4.5 km，可供氣750余戶。

2 沼氣整村集中供氣技術概述

沼氣整村集中供氣技術是指利用農村規模化沼氣工程將高濃度農業有機廢棄物(如畜禽養殖糞污、農作物秸稈、餐廚垃圾、農產品加工廢棄物等)進行厭氧發酵，產生的沼氣經輸氣管網就近向自然村或行政村集中供氣，滿足農村集聚人群用氣需要。該技術全程在密閉環境中進行，可有效控制臭氣外泄，該技術可以按用氣需求來確定發酵原料的投入量與投入時間，可極大提高沼氣利用率和產氣穩定性，調整農村用能結構，提高清潔能源利用率，減少大氣污染及商品能源消費支出。

沼氣整村集中供氣技術適用于畜禽糞便等農業廢棄物資源豐富、獲取便利，村民居住較為集中且沼氣使用意愿較強，產生的沼液可實現資源化利用、不產生二次污染的地區。沼氣整村集中供氣工程建設可與垃圾分類處置及新農村建設整合推進，有利于實現資源整合和技術融合，助力農村人居環境整治提升與改善，對生態宜居美麗鄉村建設起到強有力的推動作用。

3 沼氣整村集中供氣技術工藝流程

沼氣整村集中供氣技術是以規模化沼氣工程為樞紐的以實現農林有機廢棄物資源化循環利用為目的的技術。該技術依托養殖場或通過專用車輛或設施收集村域范圍內畜禽糞污、農作物秸稈、尾菜、餐廚垃圾、農產品加工有機剩余物等作為發酵原料，經簡單分類及預處理后，直接投入沼氣池內進行厭氧發酵，產生的沼氣經氣水分離器、脫硫塔等設備設施凈化后貯存于貯氣柜中，然后通過沼氣輸配管網供給農戶作為生活生產用能。厭氧發酵產生的沼液部分回流至沼氣池內以調節產氣速率、進料濃度與pH，其余沼液則作為肥料施用于土壤或通過其他方式進行綜合利用。

4 沼氣整村集中供氣技術要點

沼氣整村集中供氣技術的一個關鍵環節在于產氣穩定性，這就需要合理設置工藝參數。一是保證合適的發酵原料濃度。沼氣整村集中供氣技術通常采用高濃度(進料濃度>6%)厭氧發酵，通過提高發酵料液濃度可在一定程度上緩解沼氣工程冬季產氣不足的問題。發酵原料以外運方式獲得時一般只采用干糞，除工程第一次啟動外，一般不需要單獨加水調節料液濃度。二是確定適當的水力停留時間。水力停留時間太短，發酵原料無法充分發酵；水力停留時間太長，厭氧池容積無法高效利用。因此，沼氣整村集中供氣技術通常根據農戶沼氣用量需求(按0.1～0.15 m3·d-1·人-1)靈活調節沼氣池水力停留時間，一般不小于30 d。三是做好增溫保溫措施。沼氣整村集中供氣技術通常采用常溫發酵，冬季低溫會影響產氣效率，因此，須做好增溫保溫措施，可通過太陽能熱水器或空氣源熱泵等裝置給沼氣工程增溫，確保發酵料液冬季溫度不低于20 ℃。四是合理回流沼液。為保證發酵料液維持在合適的濃度，確保其pH保持在6.8～7.6，可根據用氣需求調節沼液回流量與頻次，以調節產氣速率，實現料液高效利用。五是確保有效的貯氣容積。為滿足農村集聚人群不同時間段的用氣需求，需要設有單獨的貯氣裝置。貯氣裝置容積不少于日產氣量的1/3，一般為日產氣量的1/2。五是合理布設輸氣管網。部分地區農戶相對分散，沼氣輸送距離較長，通常采用逐級變徑的方式布設管網，管網鋪設應有一定坡度，避免管道積水。如常壓輸氣無法滿足農戶用氣需求，可配備具有防爆功能的沼氣增壓設備，使沼氣壓力符合用氣設備的額定壓力要求。

沼氣整村集中供氣技術的另一個關鍵環節在于供氣安全性。一是合理選址。沼氣整村集中供氣工程選址應相對獨立且交通便利，在確保安全的同時便于物料進出與沼液綜合利用。為縮短沼氣輸送距離，在符合消防防火規范的前提下，工程可就近布置。二是嚴把質量關。沼氣整村集中供氣工程應該選擇具有專業資質的隊伍進行施工建設，農村能源部門技術人員應協助業主做好建設過程的管理和進度控制，確保工程質量過硬。三是做好工程日常安全運維。沼氣整村集中供氣工程應有專人管理，管理人員須持證上崗。工程應建立日常保養、定期維護和大修等檢修制度，一旦發生故障，須立即通知專業人員進行檢修。工程內應張貼防火防爆警示標志并配備相應的消防設備，存在沼氣泄漏風險的區域應配備沼氣濃度檢測報警儀。沼氣用戶應遵守沼氣安全使用規范，戶內應張貼沼氣安全使用的規定與注意事項。

5 存在問題

5.1 基礎技術研究不夠

近些年，隨著浙江省“千萬工程”、“五水共治”、畜禽養殖污染整治工作的深入開展，省內畜禽養殖總量減少，畜禽糞污資源逐漸減少，農作物秸稈以及農村生活垃圾特別是廚余垃圾等逐漸成為厭氧發酵原料的主要來源。目前，針對農作物秸稈、農村廚余垃圾、農產品加工廢棄物等厭氧發酵技術的研究較少，尚未形成規范化、標準化的技術體系，無法適應當前沼氣整村集中供氣工程的實際需求。

5.2 成本收益不平衡

沼氣整村集中供氣工程是一個由原料收集、預處理、厭氧發酵、沼氣利用和沼肥利用組成的系統工程，工程前期建設資金投入較大，對基層的經濟負擔較大。工程運行后需要投入一定資金進行日常維護管理，以確保工程長效穩定運行。工程的收入來源主要依靠財政補助和沼氣使用收費，但是受財政資金補助有限制要求、沼氣收費標準偏低(一般1.0～1.5元·m-3)、農戶用氣量不均衡等因素制約，工程投入使用后一般難以實現收支平衡。這些因素很大程度上影響了沼氣整村集中供氣的發展。

5.3 設備先進性有待提高

由于受到建設成本和管理人員素質等因素的限制，沼氣整村集中供氣工程在建設時期就存在設備先進性不足的問題。如沼氣輸送管網材質較差，管網破損、漏氣現象時有發生，無法保證輸氣系統穩定運行；工程運行管理中的計量設備、抽渣設備、脫硫技術，以及管理系統等往往比較落后，設備自動化信息化水平不高，需進一步提升；沼氣用戶灶具只能以沼氣為燃料，對其他燃料的適應性不足。

6 措施建議

6.1 加強技術研究

開展多種原料高效混合發酵技術研究，特別是加強農村生活垃圾、農作物秸稈厭氧發酵技術研究，以適應農村厭氧發酵原料多類型的實際情況；加強沼氣工程各單元技術工藝優化合成和新材料、新設備的研究；制定沼氣整村集中供氣工程建設及運行技術指導手冊，確保工程穩定運行；對沼氣集中供氣工程設備進行更新，借助物聯網技術建設沼氣信息化管理系統，提升工程科技水平。

6.2 加大政策扶持力度

沼氣整村集中供氣工程從根本上講更偏向公益性，需要政府在資金和政策方面大力扶持。政府應加大資金扶持力度，在工程建設時提供資金補助，對偏遠貧困地區適當提高補助比例，還應在工程運行后適當補貼運維管理費用，以保障工程的穩定運行，確保農戶持續受益。此外，政府應制定優惠政策，積極引導社會企業參與沼氣整村集中供氣工程建設和運行管理，推動工程良性發展。

6.3 創新運行管理機制

充分利用沼氣后續服務組織對沼氣整村集中供氣工程進行管理，由村委或農村能源部門與其簽訂協議，委托其負責沼氣工程運維、戶用沼氣設施管理維護、沼氣收費等工作，讓專業的人做專業的事；采取以獎代補激勵機制，由農村能源部門對沼氣整村集中供氣工程進行定期考核，對管理到位、全年穩定供氣且農戶反映較好的工程予以獎勵；參照城市天然氣供給收費制度，由農村能源部門會同物價部門確定沼氣收費指導價，向用戶定期計量、階梯收費，保障沼氣高效、有序供給。