日光能溫室沼氣集中供氣技術應用

程學順

(徐州市銅山區農業農村局, 江蘇 徐州 221000)

日光能沼氣集中供氣技術[1-2]是把大中型沼氣工程技術、日光溫室增溫保溫技術和農業規模化種植技術有機結合，形成的一種農業生態循環利用技術，是管道天然氣覆蓋網外農村生活用燃氣的現實選擇[3-4]。建設以利用該技術的“沼氣站”[5]，真正解決農村使用清潔燃氣難題，利用農作物秸稈、畜禽糞污等農業有機廢棄物為厭氧原料，實現農業廢棄物的資源化利用，有利于農村環境整治、無廢城市建設、促進生態環境保護；拓寬秸稈處理與利用渠道，避免直接還田易滋生病蟲草害等問題，沼肥代替化肥有效改善土壤質量，提高農產品品質，促進農業生態循環模式的形成。

1 關鍵技術要點與工藝路線

1.1 關鍵技術要點

1.1.1 增溫保溫措施

冬季氣溫低，引起厭氧罐內發酵溫度低，是影響沼氣集中供氣不能正常運行的主要因素[6]。采用日光能溫室大棚進行增溫保溫后，再加上采用圓柱形臥式罐體，采用黑色涂層、塑料薄膜覆蓋等措施，可提高沼氣發酵溫度8℃～10℃，據測定冬季日光能溫室內最高溫度可達38℃；即使在無陽光的陰天，室內溫度仍維持在15℃～23.7℃，有效容積產氣率0.42～0.52 m3·m-3d-1。據2015年農業部沼氣產品與設備監督檢驗檢測中心測驗，室外溫度5.2℃，溫室內溫度18.2℃，溫室內比室外高13℃；溫室內濕度63.4%，室外52.7%，相對濕度相差10.7%；氣體成分分析結果為：CH4,CO2,H2S分別為60.2%,39.7%,942 ppm.，寒冬季節與用氣高峰時段保障供氣不減壓、不減量，保證全年產氣。

徐州市賈汪區馬莊村日光溫室大棚沼氣集中供氣站，2012年3月建成投產，建設有200 m2日光能溫室,300 m3拼裝臥式沼氣罐,60 m3儲氣柜、160 m2原料計量池、儲肥池，安裝了脫硫、脫水和智能控制等儀表及管網、表灶，集中供氣居民100戶，已經運行8年，全年不間斷供氣；銅山區棠張鎮棠張村日光能溫室沼氣集中供氣站于2018年8月建成投產，建設有400 m2日光能溫室、1200 m3臥式鋼制沼氣罐、800 m3濕式儲氣柜、200 m2原料計量池、儲肥池，安裝了脫硫、脫水和智能控制等儀表及管網、表灶；集中供氣居民1000戶，已經運行2年，全年不間斷供氣，效果良好[7-8]。

1.1.2 技術參數

通過對運行溫室沼氣站調查測定，以秸稈和畜禽糞便為發酵原料，秸稈2.7 t·d-1，畜禽糞便8.8 t·d-1，沼液回流2.5 t·d-1。技術參數如下：秸稈TS：70%;畜禽糞便TS：10%;發酵池溫度：中溫30℃±2℃;發酵池物料TS：20%;發酵物pH值：6.8～7.4;發酵罐容積產氣率：1.3 m3·m-3d-1;停留時間：40 d;沼氣產率：牛糞：45 m3·t-1;秸稈(小麥)：260 m3·t-1;濕式儲氣柜壓力:4000 Pa;灶前壓力800 Pa;固液分離后沼渣中含水率：60%，經過簡單堆肥后可達國標[9]。

1.1.3 原料預處理技術

糞便儲存池建在日光溫室內，秸稈、糞便被送入儲存池后被預留在儲存池內的菌種接種酸化后，經原料上料泵打入干式進料泵的料斗，然后用干式進料泵泵入厭氧罐內。

1.1.4 厭氧消化技術

進料方式：秸稈、糞便由干式進料泵向厭氧消化池進料，每天進料一次。厭氧反應器：通過對徐州市賈汪區、銅山區、睢寧縣等地區大、中型日光能溫室沼氣集中供氣站不間斷運行實例分析證明，采用雙混塞流式厭氧反應器(SHSL)是解決我國長江以北地區冬季正常產氣的一項十分有效的技術。在沼氣罐內，經攪拌使發酵物料和微生物處于完全混合狀態，各部分微生物種類和數量及其生存環境基本相同，與常規厭氧反應器相比，其活性區域遍布整個反應器，其效率比常規反應器有明顯提高。

溫度是影響微生物生命活動最重要的因素之一，其對厭氧微生物及厭氧消化的影響尤為顯著。在工程運用中，中溫工藝其最佳處理溫度在26℃～35℃，如果溫度波動幅度過大，則由于微生物活力下降，反應器的負荷也將降低。日光溫室加熱保溫使厭氧溫度波動較小，對厭氧工藝不會有明顯的影響。

1.1.5 沼氣凈化技術

厭氧發酵產生的沼氣是含飽和水蒸氣的混合氣體，其主要成分為：可燃氣體CH4，CO2，H2S等。沼氣中的H2S對設備的腐蝕作用極大，而且燃燒后產生的污染性含硫氣體嚴重危害環境，因此，需要設置脫硫單元去除沼氣中的H2S。采用罐內干法脫硫工藝，常見的是氧化鐵脫硫法。氧化鐵脫硫法是在常溫下沼氣通過脫硫劑床層，沼氣中的H2S與活性氧化鐵接觸，生成硫化鐵和硫化亞鐵，然后含有硫化物的脫硫劑與空氣中的氧接觸，當有水存在時，鐵的硫化物又轉化為氧化鐵和單體硫。這種脫硫再生過程可循環進行多次，直至氧化鐵脫硫劑表面的大部分孔隙被硫或其他雜質覆蓋而失去活性為止。一旦脫硫劑失去活性，則需將脫硫劑從塔內卸出，攤曬在空地上，然后均勻地在脫硫劑上噴灑少量稀氨水，利用空氣中的氧進行自然再生。

1.1.6 沼氣貯存工技術

根據筆者近年來積累的沼氣集中供氣管理經驗認為，適當增加沼氣儲氣柜的容積是保障集中供氣項目村在新年和連續陰雨天不斷氣的有效措施，設計沼氣壓力應滿足國家燃氣規范。

1.1.7 沼液處理技術

采用干式發酵技術，基本不產生沼液。但是考慮到利用沼渣生產有機肥時會產生少量高濃度沼液，因此要設計沼液備用儲存池，通過輸送泵、輸肥管網進入農田消納。

1.1.8 沼渣處理消納技術

沼渣定期排出，通過固液分離機分離后，生產沼肥，用于高效實施農業生產有機農產品用肥。

1.2 工藝路線

日光能溫室沼氣集中供氣的工藝流程如圖1所示。人畜糞便和粉碎后秸稈直接用車倒入40 m3的糞便儲存池，用干式進料泵打入日光溫室內發酵罐中，發酵罐下部保溫，外部涂黑用于保溫，產生的沼氣經脫水、脫硫等凈化處理后送到儲氣柜，再將沼氣恒壓輸送至農戶作為生活燃料，利用日光溫室(見圖2)保溫以保證冬季正常產氣；通過渣位鏡觀察池內沼渣的多少并根據用肥季節和池內沼渣數量排渣。池內沼肥通過沼渣泵排出后與秸稈漚制生產有機肥或直接施用種植綠色糧菜。

圖1 工藝流程圖

圖2 日光能溫室

2 沼氣集中供氣站建設、效益與運行管理

2.1 沼氣站建設

2.1.1 落實實施主體

使用與管理的沼氣村委會作為沼氣站實施主體，也有建設和承包服務沼氣專業公司作為實施主體。

2.1.2 編制設計方案

沼氣站專業性強、技術要求高，設計單位須有環保工程專業設計資質，且近年來有成功案例，設計標準要求保證燃氣供給全天候、不間斷、嚴寒冬季也能正常產氣供氣。

2.1.3 建設遵循的原則

“先地下、后地上”原則，沼氣站建設與新農村集中居住點建設做到“四個同步即同步設計、同步施工、同步驗收、同步使用”原則，這樣可以節省大量建設資金。

2.1.4 建設內容

以銅山區棠張鎮棠張村沼氣站集中供氣1000戶為例，主要包括土建工程和工藝設備兩部分。

2.1.4.1 土建工程

畜禽糞便、秸稈預處理池40 m3，厭氧發酵罐基礎248 m2，貯氣柜基礎45 m3，采用鋼筋混凝土結構；日光能溫室大棚400 m2，輔助用房54 m2，沼液池200 m3，采用磚混結構；秸稈、肥料庫200 m2，采用鋼結構；配套道路、圍欄、綠化等。具體土建內容見表1。

2.1.4.2 設備建設

包括臥式厭氧發酵罐1200 m31座，單座容積1200 m3，濕式貯氣柜800 m31座，單座容積800 m3，秸稈粉碎機、原料提升機、高濃度進料泵、流量計及鏟車等配套設施設備33臺(套)，農戶沼氣入戶管網及燃氣表、燃氣灶等1000套。具體設備內容見表2。

表2 儀器設備清單

2.1.5 投資情況

該工程總投資468萬元，其中土建112萬元，儀器設備及安裝341萬元，其他費用15萬元。建設周期為6個月。

2.2 效益分析

2.2.1 經濟效益

工程年均收入132萬元，其中燃氣收入1.8元·m-3×45萬=81萬元，沼渣300元·t-1×1700噸=51萬元。成本為91萬元，不計折舊，盈利41萬元。

2.2.2 社會效益

沼氣站建成投產后為當地的生態建設、農業循環經濟的發展，綠色 GDP 的創造探索出了一種新型的模式，項目建成后生產的有機肥及液態肥促進周邊生態農業發展，帶動無公害農產品生產，促進就業和農民增收；提供穩定可靠的清潔能源供應，促進國民經濟的健康與可持續發展；通過污染治理，改善當地環境衛生條件，減少疾病發生率，創建更加優美的生活環境和良好的投資環境。同時，還解決了秸稈燃燒以及畜禽糞便等農業廢棄物污染環境的難題。

2.2.3 生態效益

利用植物秸稈為原料生產沼氣，為新農村秸稈的綜合利用開辟了新的途徑，減少了秸稈焚燒帶來的大氣污染問題；解決農村秸稈在村頭河邊任意堆放，風吹日曬雨淋污染水源的現象。通過實施該農業面源污染沼氣治理項目，對秸稈和人畜糞便進行無害化處理和資源化利用，殺滅了寄生蟲卵和各種有害病菌，村內外環境得到顯著改善，優化了農村生產生活環境，提高了農民的生活質量。

該項目建設為新農村提供了高品質的清潔能源，改善了農民的生活質量，是社會主義新農村建設的重要內容。農業面源污染沼氣治理項目產生的沼氣作為燃料使用，可以減少石化能源的消耗，有利于減少碳排放，緩解溫室效應，降低PM2.5。

該項目產生沼液和沼渣又是很好的有機肥料和生產食用菌的原料，可以替代部分化學肥料的使用，減少氮和磷的排放和環境污染，為發展循環經濟服務，從而促進了農業的可持續發展[10]。

2.2.4 績效指標

項目農業廢棄物的處理情況：年處理畜禽糞便約4200 t，秸稈約1000 t；沼氣供氣1000戶；年生產沼氣45萬m3(甲烷平均含量56%)，節約標煤300 t。

2.3 建后運行管理

2.3.1 沼氣工程運營管理

項目完成后，日常生產及經營管理由項目建設單位，由經過專業培訓的持證人員進行操作管理。市區農村能源部門技術指導和業務監督，并及時提供技術和管理方面的服務。為了加強管理，減少費用，整個項目管理實行統一安排，分工協作。

沼氣站日常管理包括[11]：秸稈集中收購、加工及青貯管理；發酵原料上料管理；發酵罐排料管理；輸氣管理；料液控制管理；溫度控制管理；pH值管理；安全消防管理；相關數據記錄管理；24小時輪流值班等。

2.3.2 安全生產管理

參照近年來沼氣站的安全管理制度，進一步總結經驗，不斷完善。通過廣播、電視、宣傳欄等宣傳沼氣安全的重要性。技術人員入戶安裝時，要向農戶宣講沼氣安全常識，并給每位用戶張貼沼氣安全使用注意事項。

在目前國家沒有日光能溫室沼氣集中供氣標準的情況下，嚴格按照《規模化畜禽養殖場沼氣工程運行、維護及其安全技術規程》和《沼氣工程施工操作規程》等標準實施、運營和管理。