基于層次分析法提升中小型集中供氣沼氣工程效益的途徑

劉向東

(洛陽市農業技術推廣服務中心，河南 洛陽 471000)

建設中小型集中供氣沼氣工程是解決中小型規模養殖場糞便污染的有效途徑，但中小型沼氣工程一般離農戶較遠，受建設資金和后續管理成本的制約，厭氧消化池大多采用常規地下水壓式沼氣池(通常是按照戶用沼氣池的尺寸放大)，普遍采用常溫發酵，并且發酵溫度受環境溫度的影響較大，在實際應用中普遍存在產氣率低、供氣壓力不穩定、使用效果欠佳等問題，沼氣工程整體效益偏低，不能適合中小型養殖場污水處理要求。

層次分析法(AHP)是指將與決策總是有關的元素分解成目標、準則、方案等層次，在此基礎之上進行定性和定量分析的決策方法[1]。層次分析法將決策問題分為多個層次，構造判斷矩陣進行兩兩比較，進行層次單排序及一致性檢驗后，再進行總排序及一致檢驗。其比較適合于具有分層交錯評價指標的目標系統，而且目標值又難于定量描述的決策問題。為此，應用層次分析法研究影響中小型集中供氣沼氣工程效益的因素，并提出相應對策，以期為提升中小型集中供氣沼氣工程效益提供參考。

1 指標體系構建

1.1 建立層次結構指標體系模型

由于大部分影響因素難以科學計量，通過調查分析，有針對性地與相關沼氣工程業主與集中供氣農戶進行深入探討確定主要影響因素，從產氣率、產氣周期、厭氧工藝、池體深度、建設材料、輸氣安裝、日常管理技術、加溫設施等8個方面進行分析。

根據層次分析法原理建立目標層、準則層和因素層各層次之間關系如圖1。目標層(A)為提升中小沼氣工程效果途徑，準則層(B)為產氣率(B1)、產氣周期(B2)，因素層(C)為厭氧工藝(C1)、池體深度(C2)、建設材料(C3)、輸氣安裝(C4)、日常管理技術(C5)、加溫設施(C6)。

圖1 基于層次分析法原理建立的中小型集中供氣沼氣工程效益途徑結構

1.2 構建判斷矩陣

構建不同因素影響的各層次判斷矩陣(B1、B2)，對同一層次的各因素對上一層次中其一準則的重要性進行兩兩比較，各因素重要程度按1～9賦值，相對重要性的比例標度極重要為9、很重要為7、重要為5、略重要為3、同等為1、略次要為1/3、次要為1/5、很次要為1/7、極次要為1/9，取8、6、4、2、1/2、1/4、1/6、1/8為上述評價的中間值。

1.3 層次單排序

利用Excel方根法[1-2]計算出矩陣中各因素的權重系數，然后計算出矩陣的最大特征λmax，最后用CI指標對矩陣的最大特征λmax進行一致性檢驗。判斷矩陣一致性指標CI與同階平均隨機一致性指標RI之比稱為隨機一致性比率CR。當階數大于2，判斷矩陣的一致性比率CR<0.10時，即認為判斷矩陣具有滿意的一致性。RI值詳見表(1)。

1.4 層次綜合排序

利用單排序的計算結果，進一步綜合出對更上一層次的優劣順序，通過一致性檢驗。根據權重指標的大小進行排序，最終確定關鍵影響因素。

表1 平均隨機一致性指標RI值

2 結果與分析

根據層次分析法原理和定量方法，以沼氣工程現狀調查基礎為依據構建的判斷矩陣如下。

產氣率對提升途徑的判斷矩陣權重及一致性檢驗，經計算，厭氧工藝(C1)、池體深度(C2)、建設質量(C3)的權重指標分別為0.581 552 067、0.109 452 29、0.308 995 644。判斷矩陣最大特征根λmax=3.098 891，CR=0.095 088<0.1，表明該判斷矩陣具有滿意的一致性。產氣周期對提升途徑的判斷矩陣權重及一致性檢驗，經計算，輸氣安裝(C4)、日常管理技術(C5)、加溫設施(C6)的權重指標分別為0.681 650 435、0.215 836 488、0.102 513 078。判斷矩陣最大特征根λmax=3.002 637,CR=0.002 535<0.1，表明該判斷矩陣具有令人滿意的一致性。產氣率、產氣周期總層次的一致性檢驗，經計算，Wi=(w1，w2，w3，w4，w5，w6)=(0.290 776，0.054 726，0.154 498，0.340 825，0.147 125，0.018 905)，CR=0.048812<0.1，表明具有滿意的一致性。

3 結論與建議

綜上所述，提升中小型集中供氣沼氣工程效益的途徑主要由C4、C1、C3、C5方面的權重系數決定，即提升中小型沼氣供氣工程效益的途徑重點是輸氣系統安裝技術、厭氧工藝、建設質量、日常管理技術。針對各因素提出相應的措施如下，以期為中小型集中供氣沼氣工程建設實現良性循環提供參考。

3.1 輸氣系統科學合理

輸氣系統要做到貯氣柜結構容積確定科學、壓力選擇和配重方法合理、管材選擇科學，保證沼氣工程的正常運營。

3.1.1 貯氣柜結構、容積的確定 目前中小型集中供氣沼氣工程一般采用中間導桿浮罩式貯氣柜，具有結構簡單、造價便宜、安裝方便的特點，可以在施工現場加工，也可以加工后運到現場安裝，使用十分方便。沼氣貯氣柜的容積不宜過大或過小，一般按沼氣工程平均日產氣量的50%～60%確定氣柜容積，目前中小型集中供氣沼氣工程普遍采用常溫發酵，計算日平均產氣量時平均產氣率一般在0.3 m3/(m3·d)以下。

3.1.2 貯氣柜壓力選擇和配重方法 浮罩式貯氣柜維持的沼氣壓力一般為2.5～5.0 kPa，浮罩的質量、面積決定輸、配氣管路的靜壓力，貯氣柜壓力調配主要考慮管網允許壓力降，當所需壓力高時要給浮罩配重。氣柜配重分為鐘罩內壁下部配重和頂部外配重2種方法，內配重一般在鐘罩里水面下，進行配重計算時必須考慮水下的浮力。

3.1.3 科學選擇管材 輸氣系統建設主要包括管材的選擇應用，適宜的材質和恰當的管徑是整個輸氣系統建設中2個最關鍵的因素。目前中小型集中供氣沼氣工程的輸氣管網管材選用PE管，連接使用熱熔焊接方式。管徑的確定受沼氣工程沼氣用氣流量、管道壓力降、輸送距離等因素多種影響，在設計運算時要統籌考慮，既要保證農戶用氣，又要降低投資。

1) 管道沼氣小時流量確定。為保證農戶高峰用氣正常，一般應按最大小時用氣量計算，應采用灶具的額定耗氣量與其多只相同灶具同時工作系數法來計算確定。

2) 管道壓力降確定。管道沿程壓力降是從貯氣柜起點到用氣戶終點的允許壓力降，聯戶沼氣一般采用低壓直接供氣，但貯氣柜到農戶的距離不一而導致壓力降有差別，管道較長的壓力降大，管道較短的壓力降小。在實際運算中通常采用將摩阻系數包括在內的簡化計算方法，在流量、輸送距離確定條件下增大壓降來降低管徑，減少投資；或在流量、管徑、輸送距離確定條件下，可以計算出沿程壓力降來確定貯氣柜壓力，對貯氣柜配重進行重新調配。

3.2 厭氧消化器容積與發酵工藝要科學

3.2.1 厭氧消化器容積 厭氧消化器容積的確定和計算要科學合理，既能做到有效保證集中供氣的產氣量，又要能夠處理養殖場每天排放的糞便量。沼氣工程池容確定通常根據發酵原料的數量、一定溫度下發酵原料在池內停留的時間和投料濃度計算，合理確定發酵溫度、發酵濃度及HRT值是確定沼氣工程池容的3個關鍵要素，其中任何一個要素的變化都會影響沼氣工程的容積。

3.2.2 發酵工藝 科學高效的厭氧消化器是整個沼氣工程建設的核心。有研究表明，可將若干個單元集裝成50～100 m3的標準厭氧發酵系統，根據養殖規模由標準厭氧發酵系統相并聯集裝成200 m3、300 m3、400 m3、500 m3等不同規模的厭氧發酵系統[4]；20～50 m3的小型沼氣工程宜采用單體地下立式圓柱形旋動推流式厭氧消化裝置，60～200 m3的中型沼氣工程宜采用地下并聯立式圓柱形旋動推流式厭氧消化裝置，都能有效提高沼氣工程的產氣率[5]。筆者結合多年建設經驗，中小型沼氣工程發酵工藝宜選用10～25 m3為發酵單元、地下式并聯立式圓柱形旋動推流式厭氧消化裝置或隧道式厭氧消化器，深度控制在2～2.5 m，隧道式沼氣池底部采用斜底面，并在中間設置兩道過濾墻，便于原料與菌種較好接觸，提高產氣量。

3.3 工程建設要設施配套完整

增加冬季保溫設施是確保沼氣工程冬季正常運行的必要措施。常用措施主要有電加熱膜增溫保溫系統、鍋爐水循環增溫系統、太陽能熱水器水循環增溫系統、太陽能溫室保溫室系統。根據不同溫度控制技術的應用效果和投資成本分析[4-10]，中小型集中供氣沼氣工程應充分利用太陽能提高發酵料液溫度，宜采用太陽能溫室保溫系統和生物質能增溫相結合的冬季增溫措施，晴天充分利用太陽熱能給厭氧消化器進行增溫，陰雨天利用輔助增溫設施進行增溫，可有效提高料液溫度，實現沼氣工程冬季正常運行。

3.4 提高沼氣工程技術人員的日常管理水平

對沼氣工程人員，加強發酵原料預處理技術、沼氣脫水、脫硫凈化技術、輸氣系統維護等專業技術培訓，以提高沼氣工程技術人員的管理水平，也是提高中小型集中供氣沼氣工程效益十分重要的措施。