太陽能在沼氣工程上的應用初探

張秀玲

（侯馬市農業綜合行政執法隊，山西 侯馬 043000）

近年來，我國加大了對環境的治理力度，尤其是養殖場通過建設沼氣工程對畜禽糞污進行消化處理，既獲得清潔燃料——沼氣，又得到優質的有機沼肥，同時大大降低了養殖場對周邊環境的污染。沼氣工程是一舉多得，利國利民的好項目。但是，沼氣工程在發展中也存在著諸如進料、增溫等一系列的技術問題，這些問題如果得不到解決，將嚴重影響沼氣事業的發展。

1 太陽能在沼氣工程上應用的發展思路

改革開放40年，我國畜牧養殖業迅速發展，已經成為世界畜牧大國，肉、蛋產量世界第一，為社會提供了大量的肉、蛋、奶等農產品，極大地豐富了人們的“菜籃子”。但是由于畜牧場規模化越來越大，集約化程度越來越高，導致高濃度和高度集中的畜牧糞便污水對環境的污染日益嚴重。治理污染，改善環境，促進畜牧養殖業可持續發展，已成為新世紀農業環保工作的當務之急。中央“一號文件”提出，實施農業環境突出問題治理總體規劃和農業可持續發展規劃，落實畜禽規模養殖環境影響評價制度，大力推動農業循環經濟發展，為大型沼氣建設提供了良好機遇。

厭氧消化器冬季增溫是大型沼氣工程需要解決的關鍵所在。有關資料顯示，一根家用太陽能管，長1.8 mφ58 mm，其平均功率為70 W。若在一個1 000 m3的厭氧消化器上安裝1 000支太陽能管，即相當于70 kW。太陽能增溫功率如此強大，我們提出了大膽的設想：將太陽能用在沼氣工程中，為厭氧消化器冬季增溫，來滿足微生物繁殖生存所需的溫度。經過反復試驗證明，太陽能在沼氣工程中的應用是可行的，應用效果也是理想的，完全可以保證沼氣工程冬季的正常運行，產氣效果良好。使用太陽能增溫，不僅大大降低了沼氣工程的運行成本，還非常環保，有利于推進藍天碧水工程的實施，有利于推進畜牧健康養殖工程的建設，有利于構建科學發展、和諧平安、風清氣正、富裕秀美的新侯馬，是我國沼氣事業革命性的發展。

2 太陽能在沼氣工程上應用的實踐分析

這里以侯馬市茂洲牛業大型沼氣工程為例，分析太陽能在該工程上成功運用的原理及運用方法。該工程于2015年興建，2016年4月竣工并投入運行。工程中厭氧消化為USR工藝，有效容程2×1 000m3，近中溫發酵（發酵溫度32℃～38℃），發酵固體濃度 15%～18%，發酵 pH 值 6.8～7.6，厭氧消化器外部采用聚氨酯發泡加彩鋼板進行保溫，平均厚度100 mm。厭氧消化器內設加熱盤管，以維持發酵需要的中溫條件，增溫盤管采用PEφ63塑料管，盤管總長度620 m。增溫采用58 mm×1.8 m太陽能管共1 000支，其太陽能管與增溫盤管各一半，分為兩組，每組太陽能管500支，每組增溫盤管310 m。

該工程產生的沼氣供應附近村300余戶農戶炊事以及養殖場職工食堂等所用沼氣，冬季日均輸送沼氣約500 m3。沼渣沼液用于養殖場周圍66.7hm2農田施肥，既保證了作物質量，又可增產增效。運行4年以來從未停歇，是一座運行效果很好的沼氣站。

2.1 得當的保溫技術促使了厭氧消化內外溫度變化產生較大時間差

我們通過對厭氧消化器的溫度變化進行記錄（見圖1）發現，每年厭氧消化器溫度最高為9月份，溫度為42℃，溫度最低為每年的3月底4月初，也就是清明前后，溫度為21.4℃。厭氧消化器溫度最低點與外界溫度最低點時間相差2.5個月。在最冷的臘月，厭氧消化器中的溫度顯示為上部30.6℃，下部28.7℃，產生沼氣的動力較強。立春后，外界溫度逐步上升，而厭氧消化器內部的溫度卻持續下降，直到清明前后溫度下降至21.4℃出現拐點，溫度開始回升。此時太陽光照時間變長，陽光烈度變強，太陽能增溫效果顯著。

2.2 干進料方法為厭氧消化器蘊藏熱量

許多沼氣工程的進料方式采用污水泵進料，這種進料方式無法輸送高固體濃度的原料，最高TS濃度在6%，與獲得相同沼氣產量的厭氧消化器相比，排放沼渣沼液量多出3倍。在進行排渣的過程中將厭氧消化器中的熱量置換掉，使溫度迅速下降，當外界溫度降低時，輸送到厭氧消化器中原料溫度也隨之下降。尤其到冬季，即使是強增溫措施也阻止不了厭氧消化器溫度下降。因此，多數該類型的沼氣工程在冬季干脆停止運行。不過，讓人尷尬的是，到了每年6月份氣候炎熱，外界最高氣溫已達到39℃，厭氧消化器內的溫度仍在12℃～14℃，依舊不能正常產氣。這是因為厭氧消化器外面的保溫層將太陽光的熱能阻隔在外，厭氧消化器不能及時得到太陽光的熱量。運用干進料技術，以平均每日產500 m3沼氣為例，每日需輸送15%～18%濃度的糞便5 t左右，厭氧消化器內的原料增量為5‰。每月按30 d計算，厭氧消化器的增量為15%，兩個月為30%。若事先將厭氧消化器排放出1/3的空間，可在2個月內不排放，保持其原有熱量。這正是冬季最寒冷季節厭氧消化器仍保持較高溫度的直接原因。

2.3 規范操作，保證沼氣站健康運行

侯馬市茂洲牛業大型沼氣站制定了嚴格的操作規程，每天記錄安全生產工作臺賬，實行規范的沼氣生產操作和科學的管理。該站4年來一直保持健康運行，受到沼氣用戶的贊揚和有關部門的肯定。

2.3.1 定期進料

沼氣站采用氣動進料器進料，僅需一人操作即可。該站設專職操作工一名，堅持每3 d進1次料，每次進料10～20 t，保證沼氣量滿足用戶需求。

2.3.2 太陽能增溫

無論是炎炎夏日還是寒冷的冬天，只要天氣晴朗，沼氣站即開啟太陽能增溫系統，堅持進行太陽能增溫。厭氧消化器溫度最高升至42℃，為厭氧消化器積蓄熱量。

2.3.3 全天24 h待崗

操作員吃住在站內，除其他正常工作之外，要常觀測太陽能緩沖水箱是否缺水，及時補充清水，添加除垢劑，排放水垢。補充清水需在無太陽光的情況下進行，操作員要早早上崗為太陽能補水。

3 效益及發展前景

太陽能應用于解決大型沼氣工程冬季加溫難題，大大有利于沼氣工程的成功建設，不僅能有效解決環境污染問題，還可獲得可觀的經濟效益，養殖業主對環保設施的投資熱情將會極大大提高，并能得到顯著的能源效益和廢料效益，減少化肥用量，改善土壤性狀，保護自然環境，實現畜牧業環保工作質的飛躍。

該站冬季厭氧發酵器保溫依靠太陽能供給，既有效解決了冬季沼氣工程用燃煤鍋爐加熱保溫與環境保護之間的矛盾，又減少了燃煤和用工的投入，較同規模的燃煤鍋爐冬季加熱保溫沼氣工程每年節約投資10×104元，每年可生產沼氣 73×104m3，生產沼渣肥 4 400 t，沼液 1.2×104t，可產生直接經濟效益67.21萬元；年可處理養殖場牛糞1×104t，減少了污染物的排放，生產的沼氣可以用于民生，沼肥可以改善土壤耕性，提高土壤的生物活性，進而提升農作物的產量和品質，經濟效益、生態效益、社會效益十分顯著，受到了沼氣工程企業和用戶的廣泛好評。

科學設計和操作人員的嚴謹操作保證了該站4年無停歇的優良業績，尤其是太陽能增溫技術的運用，為沼氣事業開拓出了一條可持續發展的新路徑。