北京市農(nóng)村大中型沼氣工程發(fā)展和問題

周孟津

沼氣發(fā)酵是人類利用自然規(guī)律的一個杰作，它完全符合以科學(xué)發(fā)展觀為指導(dǎo)的循環(huán)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)農(nóng)業(yè)，沼氣應(yīng)用將隨著技術(shù)的進(jìn)步和政府的支持而快速發(fā)展。

一北京市大型沼氣工程發(fā)展現(xiàn)狀

上世紀(jì)80年代北京地區(qū)農(nóng)村主要使用的是小型沼氣池，到90年代末才開始實施大型沼氣利用工程。1992年中美合作在留民營建成了100m³塞流式雞糞沼氣池，高溫運行至今。1996年首都師范大學(xué)研究成功了適用于畜禽糞便沼氣發(fā)酵的升流式固體反應(yīng)器(uSR)，1998年在留民營、琉璃河三街、南韓繼建了應(yīng)用USRT藝的三座沼氣站，至今已成功運行十年，成為北京市沼氣利用的典范工程，為北京市沼氣工程快速發(fā)展打下了良好基礎(chǔ)。

進(jìn)入21世紀(jì)，在新農(nóng)村建設(shè)、國家新能源發(fā)展需求，節(jié)能減排等政策的推動下，沼氣綜合利用進(jìn)入蓬勃發(fā)展階段。僅2006～2008年，北京市農(nóng)村地區(qū)就興建了大、中型沼氣工程近百座。

在大型沼氣工程方面，亮點工程當(dāng)屬延慶縣的德青源2兆瓦沼氣發(fā)電工程。在這個以生產(chǎn)雞蛋為主的企業(yè)，原來每天產(chǎn)生400多噸雞糞和廢水，處理起來很頭痛。通過建起1.2萬立方米的沼氣池，日產(chǎn)沼氣2萬立方米，日發(fā)電4萬度。沼渣、沼液被用作當(dāng)?shù)毓麡浜陀衩椎姆柿?。沼氣發(fā)電的余熱還可以為沼氣池加溫。從而形成熱、電、肥聯(lián)供的模式。

在農(nóng)村，大興區(qū)經(jīng)過留民營村沼氣應(yīng)用的早期實踐，在沼氣工程建設(shè)、沼氣發(fā)酵產(chǎn)物綜合利用方面為北京市提供了成功的經(jīng)驗。2008年，北京市選擇在留民營村動工建設(shè)首個大型沼氣七村聯(lián)供示范工程。工程利用當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)養(yǎng)雞場的畜禽糞便資源，通過建設(shè)輸氣管道，向周邊七個村1690戶供應(yīng)綠色炊事燃?xì)?，實施了多村?lián)供的發(fā)展新模式，促進(jìn)了生物質(zhì)資源利用的集約化的發(fā)展。新建的大興區(qū)牛坊沼氣工程、房山區(qū)竇店沼氣工程等都有明顯的技術(shù)進(jìn)步?？梢哉f，北京在大型沼氣工程建設(shè)方面走在了全國的前列。

二沼氣工程模式由能源環(huán)保型轉(zhuǎn)向能源生態(tài)型

伴隨著沼氣工程建設(shè)的興起、工程規(guī)模不斷擴(kuò)大，北京農(nóng)村地區(qū)沼氣應(yīng)用的模式及技術(shù)也在迅速調(diào)整步調(diào)。前些年強(qiáng)調(diào)沼氣發(fā)酵污水的達(dá)標(biāo)排放，雖然經(jīng)過多年的實踐摸索，但處理成本過高的問題始終沒有得到有效解決。這也導(dǎo)致了沼氣應(yīng)用在我國應(yīng)用推廣不暢。

沼氣發(fā)酵只取出了有機(jī)物中的能量——沼氣，剩余的沼渣、沼液是良好的活性有機(jī)肥料。沼氣發(fā)酵是農(nóng)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的重要一環(huán)。把用畜禽糞便生產(chǎn)沼氣剩余的沼液當(dāng)污水處理，不僅造成肥分的浪費，而且大大提高了沼氣發(fā)酵的成本。這種花費大、產(chǎn)氣少、浪費資源，以達(dá)標(biāo)排放為特征的沼氣工程模式稱為能源環(huán)保模式。

順義區(qū)北郎中村建曾以此模式建起沼氣站，但處理污水的成本始終控制不下來，最后不得不進(jìn)行改造。

以留民營村沼氣利用為代表的能源生態(tài)模式逐漸得到了大家的認(rèn)可。在這個模式中，畜禽糞便產(chǎn)生沼氣和沼肥，沼氣被用于做飯和發(fā)電。沼渣、沼液則被當(dāng)作農(nóng)作物的有機(jī)肥生產(chǎn)綠色食品，從而避免了污水處理的高額花費。同時為循環(huán)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)農(nóng)業(yè)提供了途徑。北京市近幾年興建的沼氣工程大都是以能源生態(tài)模式為主。

三厭氧消化器多采用升流式固體反應(yīng)器(USR)

應(yīng)用模式的改變不僅是對可再生能源利用思路的轉(zhuǎn)變，其背后蘊(yùn)藏著復(fù)雜的技術(shù)演進(jìn)過程。厭氧消化器(沼氣池)是沼氣工程的核心設(shè)備，厭氧消化器工藝的選擇是決定畜禽糞便沼氣集中供氣工程能否長期高效穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。

能源生態(tài)模式要將全部畜禽糞便進(jìn)行沼氣發(fā)酵，畜禽糞便中含有大量懸浮固體，對原有的沼氣發(fā)酵工藝(UASB)提出新問題。“升流式固體反應(yīng)器(USR)”適用于高懸浮固體畜禽糞便的沼氣發(fā)酵，該反應(yīng)器的工藝特點是在升流式流態(tài)下，依靠自然沉降作用使畜禽糞便中的固體顆粒物和發(fā)酵微生物能夠長時間滯留在消化器內(nèi)，從而提高了產(chǎn)氣率。該工藝運用在留民營、琉璃河三街、南韓繼3座沼氣站，沼氣站分別以雞糞和豬糞為發(fā)酵原料，產(chǎn)生的沼氣為當(dāng)?shù)財?shù)百戶居民供應(yīng)炊事用燃?xì)?，沼肥則用于農(nóng)田，至今已成功運行十年。

由于USR具有原理先進(jìn)、結(jié)構(gòu)簡單、效率較高、管理方便的特點，加之連續(xù)十年的成功運行，為北京市大中型沼氣工程建設(shè)提供了堅實的技術(shù)支撐，近幾年北京市興建的大中型沼氣工程中70～80％的沼氣站都使用了USR反應(yīng)器，少數(shù)使用CSTR、PFR和干發(fā)酵工藝。搪瓷鋼板拼裝罐和利浦罐的開發(fā)和應(yīng)用。也為沼氣工程的快速建成創(chuàng)造了條件。為防凍沼氣貯存多采用壓力罐貯存。北京市大中型沼氣工程建設(shè)的技術(shù)和經(jīng)驗，以及經(jīng)過幾年磨練的一批大中型沼氣工程建設(shè)隊伍已經(jīng)開始走向全國。

四北京市大中型沼氣工程建設(shè)存在的問題和解決途徑

十余年的發(fā)展，北京畜禽糞便沼氣工程建設(shè)迅速成長。節(jié)能減排和新農(nóng)村建設(shè)的需要以及政府的大力推動和支持，促使沼氣工程建設(shè)迅速發(fā)展。但是，大家都忙于新工程的建設(shè)，而對生產(chǎn)工程的跟蹤研究則很少關(guān)心。很多問題亟待解決。

1對沼氣工程常用工藝進(jìn)行生產(chǎn)性跟蹤研究甚少

應(yīng)當(dāng)立即深入開展對現(xiàn)有大中型沼氣工程跟蹤研究，首先弄清常用工藝(包括：USR、CSTR、PFR)生產(chǎn)運行的技術(shù)性能和工藝參數(shù)，進(jìn)而比較常用工藝的適用性和問題，為今后北京市大中型沼氣工程建設(shè)明確技術(shù)發(fā)展方向。例如USR工藝，在實驗室1立方米反應(yīng)器可產(chǎn)生5立方米沼氣，但在生產(chǎn)工程設(shè)計時僅為1立方米沼氣池產(chǎn)1立方米沼氣。到底1立方米沼氣池每天能產(chǎn)生多少沼氣?也就是說，目前有關(guān)沼氣工程的工藝過程和工藝參數(shù)等在生產(chǎn)工程中的許多問題尚不清楚。還有每天進(jìn)料的性質(zhì)和數(shù)量、適宜的進(jìn)料濃度、平均每天每戶的沼氣用量、原料產(chǎn)氣率等。利用太陽能或沼氣加溫沼氣池應(yīng)如何進(jìn)行配置。弄清這些基本問題，才能對目前使用較多的工藝進(jìn)行比較，為后續(xù)工程建設(shè)的工藝選擇和設(shè)計提供依據(jù)。

2專用設(shè)備的研究開發(fā)不足

非專用設(shè)備體積大，能耗高，效率低。應(yīng)加強(qiáng)專用設(shè)備的研究開發(fā)，包括調(diào)料去雜機(jī)、布料器、攪拌機(jī)、去浮渣溢流出料器、脫水罐、脫硫罐等。

3缺乏沼氣脫硫工藝的比較選擇研究

目前常用的沼氣脫硫工藝有氧化鐵脫硫劑脫硫、罐內(nèi)生物脫硫和罐外生物脫硫，三種脫硫方式在北京均有所應(yīng)用，但以氧化鐵脫硫劑脫硫為主。比較三種工藝的適用性并開發(fā)相應(yīng)設(shè)備，特別是罐外生物脫硫剛開始應(yīng)用，但其應(yīng)用前景看好。

4鼓勵施用沼肥(沼渣、沼液)并解決施用中的各種問題

沼肥是一種活性有機(jī)肥料，除含有常規(guī)有機(jī)肥的肥分外，還含有多種生物活性物質(zhì)。政府應(yīng)加強(qiáng)對沼肥使用的宣傳，鼓勵農(nóng)民使用沼肥，并把沼肥施用和綠色食品生產(chǎn)結(jié)合起來，還要不斷解決沼肥使用中的具體技術(shù)和設(shè)備問題。采用能源生態(tài)模式進(jìn)行沼氣發(fā)酵，會產(chǎn)生大量沼肥，如應(yīng)用渠道不暢會造成二次污染。

對北方農(nóng)民而言，過去使用的多是固體肥料，而沼肥是液態(tài)肥，不僅需要運輸、儲存，而且怎樣用也是個問題。政府則應(yīng)該加強(qiáng)對沼肥的宣傳，出臺具體的鼓勵措施，同時不斷完善使用手段。

5制定應(yīng)用沼氣的鼓勵政策

現(xiàn)在沼氣站建設(shè)和運行多為公益性，僅購買發(fā)酵原料的花費每立方米沼氣就要一元左右，平均一個沼氣站冬季每月支出要一萬元。既然沼氣發(fā)電國家給于補(bǔ)助，農(nóng)民用沼氣也應(yīng)按實際用量給于補(bǔ)貼，以鼓勵沼氣站的正常運行。

6引進(jìn)消化國外高濃度沼氣發(fā)酵技術(shù)

德國普遍采用高濃度CSTR工藝，該工藝適用于畜禽糞便、畜禽糞便+秸稈及純秸稈沼氣發(fā)酵，應(yīng)加以研發(fā)。

下面是一個公司的設(shè)計參數(shù)，供參考：

發(fā)酵原料：豬糞、牛糞、有機(jī)垃圾。

消化器體積；3200m³

進(jìn)料濃度平均=21.4％

進(jìn)料量：152t／d(含回流沼液量：27.4t／d，濃度=4％TS)

負(fù)荷=8.1kg／m³d

HRT=23.2d

理論沼氣產(chǎn)量：11146m³／d

容積產(chǎn)氣率：3.48m³／m³d

出料濃度=15.2％TS