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摘要随着现在能源和环境的危机，沼气作为一种可再生的清洁能源一直受到人们的重视。近些年，沼气的发展利用得到了很大的进步，但是在发展沼气的过程中也出现了许多问题。针对沼气的发展利用和出现的问题，从发酵工艺到生产管理的几个方面进行分析并给出建议。
关键词沼气；综合利用；温度控制；搅拌
中图分类号S216.4文献标识码
A文章编号0517-6611（2015）10-228-03
Abstract Because of the energy and environmental crises we are facing now，biogas has been attracting attentions for years as a renewable energy.Recently，it has made some great progresses in using biogas，but there are still a lot of problems in the process of developing biogas.In order to solve these problems and elaborate the use of biogas，suggestions are given through the analyses from the fermentation technology to the production management.
Key words Biogas； Comprehensive utilization； Temperature control； Stirring
随着经济的快速发展，我国的能源需求急剧增长[1]。在我国经济快速发展的同时，能源消耗需求和环境污染的压力也迅速增加[2]。目前，我国农村能源消费主要以秸秆和薪柴为主，这不仅导致生物质能低效率消耗，而且燃烧过程中排放的大量CO2和烟尘严重影响了生态环境和生活环境[3]。沼气作为我国农村地区清洁能源的主要组成部分，作为连接养殖和种植业的资源循环链条，多年来一直受到各级政府的重视和老百姓的欢迎[4]。
沼气是可再生能源，可以替代薪柴低热效率的能源使用，这样既能缓解目前我国农村生物质能源短缺问题，又能减少温室气体排放，同时还能限制林木薪柴的砍伐，增加碳汇，一举多得[3]。在我国广大农村地区发展沼气，既能够解决农户生活所需能源，又能巩固以退耕还林为重点的生态建设成果，并减少人畜粪便和生活污水造成的农业面源污染[5]。沼气是一种资源丰富而又价廉的生物质能源，利用沼气发电不但能解决边远山区人民用电难的问题，而且也为缓解商品电能供应不足的紧张局面提供了一条有效的途径[6]。
1农村沼气利用的发展和现状
我国利用和发展沼气的历史可分为3个时期的3次推广过程：民间自发的沼气利用和推广活动时期（1929～1942年），这也是沼气的第一次推广，解放后，“沼气化”运动时期 （1957～1961、1967～1979年）和整顿时期（1980年至今），它包括沼气的第二次（1957～1961年）和第三次推广（1967年至今）[7]。近些年来，我国对于沼气的研究有了较大的进展和突破，并形成了以南方“猪-沼-果”、北方“四位一体”和西北“五配套”为代表的沼气发展模式，沼气的利用也呈现了多元化。
1.1沼气的直接利用
户用沼气池的直接能源产出是沼气，沼气主要用于农户的炊事用能，没有市场价格。但是农户使用沼气后，可以替代传统生物质能或商品能源，按照等量有效热替代的方法，计算所产沼气分别替代秸秆、薪柴、煤炭和液化气燃料的量[8]。若以国家效益分析，一个池容为10 m3的沼气池每年节省液化气产生的效益为360元，由减排带来的环境效益为180.6元，则每年共产生经济效益540.6元[9]。
此外，沼气还可以用作沼气灯为蔬菜大棚增温，提供气肥CO2。项安民通过试验在番茄温室大棚内利用沼气灯进行增温，试验结果表明，沼气灯有效提高了CO2的浓度并且有效提高了温室温度，如遇遇极端天气，温室内使用沼气灯可有效减少冻害发生造成的损失[10]。另有研究表明，沼气灯的波长为300～1 000 nm，许多害虫对330～400 nm的紫外线有较大的趋光性[11]，因此利用沼气灯可以诱杀害虫。方刚等通过试验得出，在水稻大田生长期安装沼气灯能够有效诱杀多种害虫，降低各阶段虫口密度，减少害虫危害[12]。
1.2沼气发酵残留物的利用
沼气发酵过后的残留物不仅没变成废物垃圾反而成为了宝贝，沼气发酵残留物可作为肥料、饲料、生物农药、培养料液。若将四方面联合起来利用，对于增加国民经济收入具有很好的效益[13]。
沼渣作为优质固体肥料，营养成分较丰富，养分含量较为全面，其中有机质36%～49%，腐殖酸10.1%～24.6%，粗蛋白5%～9%，氮0.4%～0.6%，钾0.6%～1.2%，还含有一些矿物质养分[14]。沼液不仅含有丰富的氮、磷、钾等大量营养元素和锌等微量营养元素，而且含有17种氨基酸、活性酶。这些营养元素基本上是以速效养分形式存在的。因此，沼液的速效营养能力强，养分可利用率高，是多元的速效复合肥料，能迅速被动物和农作物吸收利用[15]。
张翠丽等通过试验分析认为，沼液沼渣除对盐碱土总盐分的影响不显著外，对土壤容重、pH、有机质和有效氮均有明显改善[16]。张久东等通过沼液与化肥配方叶面肥在油白菜上喷施试验表明，喷施沼液叶面肥可增加油白菜的产量[17]。钱伯祈等通过试验分析认为，用沼液 （渣） 代替有机肥料培肥水质，对养殖成鱼和培育鱼种都具有明显的促进鱼生长，提高产量，增加经 济收益的效果[18]。张伦德等的试验结果表明，沼液对防治柑橘红蜘蛛、蚜虫的效果优于农药防治效果[19]。 1.3沼气发电
沼气燃烧发电是随着沼气综合利用的不断发展而出现的一项沼气利用技术，是将沼气用于发动机上，并装有综合发电装置，以产生电能和热能，它是一种有效利用沼气的重要方式[6]。德国是目前世界上沼气工程发展最为成功的国家之一[20]。我国在沼气发电技术方面的研发已有30多年的历史，但主要集中在大中型沼气发电项目上，而且多是引进国外技术[21]。90年代中期以后，随着一些大型沼气工程垃圾填埋场的建成，沼气发电已具有稳定的充足的气源，促成了沼气发电技术研究的逐步深入，使沼气发动机的性能得到较大改善，发电机组的单机功率也有所增大[22]。
2农村沼气难以推广的原因分析
尽管当前沼气产业正处在一个高速发展的阶段，受到了各级政府和人民群众的欢迎，但是在其发展过程中也面临着不少问题和障碍[23]。有研究结果表明，并不是所有已建沼气池都在投入使用，投入使用的沼气池占76.5%。另外，从使用时间来看，沼气池的总体使用效率仅为64.8%[2]。我国不少省市都在农村推广过沼气池的建设，甚至掀起了沼气建设的高潮，但是由于技术不成熟，没有专业施工队伍，多数沼气池质量问题突出，只能使用1～3年，出现了边建设边报废的情况[24]。这样沼气在农村的推广受到了限制，打击了农民建设沼气池的积极性。其原因归结为以下几点。
2.1农村沼气池成本
近年来，建筑材料价格和人工工资大幅度上涨。经测算，目前建设一口10 m3的沼气池需要投资3 500元左右，配套进行“一池三改”需要投资3 500元左右，合计总投资需要7 000元左右，而每口沼气池中央预算内投资补贴仅1 600～2 000元，使得农户建设沼气池形成较大的资金缺口，影响了农户建设沼气池的积极性[25]。
2.2农村沼气池发酵过程存在的问题农村在沼气发酵过程中出现的突出问题就是不能保证正常的发酵温度、池中不同深度发酵不均的问题造成频繁增加更换发酵原料。
2.2.1温度难以长期恒定并控制。
由于厌氧发酵大多以中温发酵为主，所以该项技术在我国南方地区得到广泛的应用。而我国北方的年平均气温为1.3 ℃，冬季漫长严寒，最冷月份气温可达-15～-30 ℃，极大地限制了中温厌氧发酵技术的应用[26]。在北方地区，由于受冬季气候的影响，沼气池在冬季产气量通常低于 0.1 m3/ （m3·d），无法满足农户需求，农户不得不烧柴灶或使用其他燃料炉灶，直接影响了沼气池在农村中的推广[27]。
2.2.2发酵不均匀。
目前，通过搅拌混合以达到提高有机物的有效转化率的重要性已经被大多数学者所认同[28]。欧洲规模化农场沼气工程的成功经验表明，高浓度物料沼气发酵是规模化沼气工程正常运行的技术关键[29]。然而在农村，沼气池普遍没有搅拌这一工序，因而造成沼气池中发酵原料发酵不均匀，所以粪便等发酵原料得不到充分的处理和利用。
2.2.3原料配比不合理。
一般而言，发酵原料碳氮比为25∶1左右时，微生物活性较高，沼气产量较大[30]。由于农村缺乏相关专业知识，原料配比单一，因此单一秸秆或者家禽粪生产沼气均不能取得高产。
2.3废料难以清理
沼气池三分建设七分管。在沼气池的管理中，沼气池的定期清池换料是最令农户头痛一件事，一定程度上影响了沼气技术的快速推广，但同时也带来了沼气池出料方法的不断改进和提高[31]。
目前沼气池废料的处理主要靠手动出料和机械设备出料。手动出料耗时耗力，而且出料效果也不好。机械设备出料虽然方便省力，但是出料设备对于农户来说也是一笔额外的支出，在经济上不合算。
2.4技术、管理问题
在技术方面，由于各级财政投入不足，缺乏培训经费，各地农村沼气建设推广技术人员培训严重滞后于沼气建设的发展，基层服务组织力量薄弱[32]。在管理方面，由于服务网络不健全，后继服务跟不上，造成了部分沼气池用坏了就被迫停用、报废[33]。
2.5占地面积大
确定发酵池容积，首先要考虑家庭用气人数。在实际应用中，容积确定一般以人数的两倍 为佳。据统计，目前农村户均人数一般为3～5人，因此，发酵池的设计容积以6～10 m3居多[34]。那么加上沼气池配套措施，其所占面积不止10 m3，在一定程度上造成了土地资源的浪费，从而限制了沼气在农村的推广。
2.6地域气候条件限制
区域差异是我国农村沼气发展的重要特征[35]。陈豫等经过调查研究认为，沼气发展水平和空间分布格局受到多种因素的共同影响，
根据发酵温度，将我国农村户用沼气地区划分为沼气发酵温度最适宜区、适宜区、次适宜区和非适宜区[36]。在北方一些次适宜区和非适宜区域，由于气候的原因极大限制了沼气发展的进程。
3结论及建议
沼气产业是一项利国利民的工程，不仅可以解决能源、环境等一系列问题，还可以给社会带来巨大的经济效益，沼气工程必然受到人们的重视。事实上，我国历来对沼气都相当重视，从“七五”的几百万到“十二五”的几十个亿的财政投入，我国不论是在大中型沼气工程还是农村沼气的发展都取得了一定的成效，沼气发酵的理论和工艺技术都取得了很大的进步。但是不可否认我国大中型沼气工程仍处于起步阶段，农村沼气建设覆盖率很低。究其原因还是沼气发酵工艺达不到理想要求，沼气池或者一些固定式沼气罐在保温、加热、搅拌等的问题上没有得到很好的解决。
笔者认为，若将搅拌这一工序加入到农村沼气发酵措施当中，那么在很大程度上会解决微生物与物料接触不充分的问题，相应地也解决了物料不同深度发酵温度不同导致发酵不充分的问题，也解决了发酵物料表层易结壳导致沼气不能溢出的问题。若将加热和沼气发酵有效地配合起来，那么对沼气的产气量和产气率也是一个很大的提高。通过笔者的调查发现，若利用太阳能为沼气发酵提供所需的发酵温度，那么对沼气产气率的提高是毋庸置疑的，而太阳能又是一种可再生的清洁能源，为沼气发酵提供热量没有其他额外成本消耗的问题。 目前有大量在保温、加热、搅拌方面的研究，但是这些措施不是存在效果不明显的情况就是存在效果好但自消耗大的问题。笔者通过分析认为，如果将太阳能加热装置与装有搅拌装置的固定沼气罐结合起来，再改变沼气发酵罐不可移动的思维，设计一种新型发生器定能取得不错的效果。那么这种新型沼气发生器便可作为一种可移动式小型能源站，为我国农村，尤其是北高寒旱等区域，提供可靠的能源供应。
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关键词沼气；综合利用；温度控制；搅拌
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A文章编号0517-6611（2015）10-228-03
Abstract Because of the energy and environmental crises we are facing now，biogas has been attracting attentions for years as a renewable energy.Recently，it has made some great progresses in using biogas，but there are still a lot of problems in the process of developing biogas.In order to solve these problems and elaborate the use of biogas，suggestions are given through the analyses from the fermentation technology to the production management.
Key words Biogas； Comprehensive utilization； Temperature control； Stirring
随着经济的快速发展，我国的能源需求急剧增长[1]。在我国经济快速发展的同时，能源消耗需求和环境污染的压力也迅速增加[2]。目前，我国农村能源消费主要以秸秆和薪柴为主，这不仅导致生物质能低效率消耗，而且燃烧过程中排放的大量CO2和烟尘严重影响了生态环境和生活环境[3]。沼气作为我国农村地区清洁能源的主要组成部分，作为连接养殖和种植业的资源循环链条，多年来一直受到各级政府的重视和老百姓的欢迎[4]。
沼气是可再生能源，可以替代薪柴低热效率的能源使用，这样既能缓解目前我国农村生物质能源短缺问题，又能减少温室气体排放，同时还能限制林木薪柴的砍伐，增加碳汇，一举多得[3]。在我国广大农村地区发展沼气，既能够解决农户生活所需能源，又能巩固以退耕还林为重点的生态建设成果，并减少人畜粪便和生活污水造成的农业面源污染[5]。沼气是一种资源丰富而又价廉的生物质能源，利用沼气发电不但能解决边远山区人民用电难的问题，而且也为缓解商品电能供应不足的紧张局面提供了一条有效的途径[6]。
1农村沼气利用的发展和现状
我国利用和发展沼气的历史可分为3个时期的3次推广过程：民间自发的沼气利用和推广活动时期（1929～1942年），这也是沼气的第一次推广，解放后，“沼气化”运动时期 （1957～1961、1967～1979年）和整顿时期（1980年至今），它包括沼气的第二次（1957～1961年）和第三次推广（1967年至今）[7]。近些年来，我国对于沼气的研究有了较大的进展和突破，并形成了以南方“猪-沼-果”、北方“四位一体”和西北“五配套”为代表的沼气发展模式，沼气的利用也呈现了多元化。
1.1沼气的直接利用
户用沼气池的直接能源产出是沼气，沼气主要用于农户的炊事用能，没有市场价格。但是农户使用沼气后，可以替代传统生物质能或商品能源，按照等量有效热替代的方法，计算所产沼气分别替代秸秆、薪柴、煤炭和液化气燃料的量[8]。若以国家效益分析，一个池容为10 m3的沼气池每年节省液化气产生的效益为360元，由减排带来的环境效益为180.6元，则每年共产生经济效益540.6元[9]。
此外，沼气还可以用作沼气灯为蔬菜大棚增温，提供气肥CO2。项安民通过试验在番茄温室大棚内利用沼气灯进行增温，试验结果表明，沼气灯有效提高了CO2的浓度并且有效提高了温室温度，如遇遇极端天气，温室内使用沼气灯可有效减少冻害发生造成的损失[10]。另有研究表明，沼气灯的波长为300～1 000 nm，许多害虫对330～400 nm的紫外线有较大的趋光性[11]，因此利用沼气灯可以诱杀害虫。方刚等通过试验得出，在水稻大田生长期安装沼气灯能够有效诱杀多种害虫，降低各阶段虫口密度，减少害虫危害[12]。
1.2沼气发酵残留物的利用
沼气发酵过后的残留物不仅没变成废物垃圾反而成为了宝贝，沼气发酵残留物可作为肥料、饲料、生物农药、培养料液。若将四方面联合起来利用，对于增加国民经济收入具有很好的效益[13]。
沼渣作为优质固体肥料，营养成分较丰富，养分含量较为全面，其中有机质36%～49%，腐殖酸10.1%～24.6%，粗蛋白5%～9%，氮0.4%～0.6%，钾0.6%～1.2%，还含有一些矿物质养分[14]。沼液不仅含有丰富的氮、磷、钾等大量营养元素和锌等微量营养元素，而且含有17种氨基酸、活性酶。这些营养元素基本上是以速效养分形式存在的。因此，沼液的速效营养能力强，养分可利用率高，是多元的速效复合肥料，能迅速被动物和农作物吸收利用[15]。
张翠丽等通过试验分析认为，沼液沼渣除对盐碱土总盐分的影响不显著外，对土壤容重、pH、有机质和有效氮均有明显改善[16]。张久东等通过沼液与化肥配方叶面肥在油白菜上喷施试验表明，喷施沼液叶面肥可增加油白菜的产量[17]。钱伯祈等通过试验分析认为，用沼液 （渣） 代替有机肥料培肥水质，对养殖成鱼和培育鱼种都具有明显的促进鱼生长，提高产量，增加经 济收益的效果[18]。张伦德等的试验结果表明，沼液对防治柑橘红蜘蛛、蚜虫的效果优于农药防治效果[19]。 1.3沼气发电
沼气燃烧发电是随着沼气综合利用的不断发展而出现的一项沼气利用技术，是将沼气用于发动机上，并装有综合发电装置，以产生电能和热能，它是一种有效利用沼气的重要方式[6]。德国是目前世界上沼气工程发展最为成功的国家之一[20]。我国在沼气发电技术方面的研发已有30多年的历史，但主要集中在大中型沼气发电项目上，而且多是引进国外技术[21]。90年代中期以后，随着一些大型沼气工程垃圾填埋场的建成，沼气发电已具有稳定的充足的气源，促成了沼气发电技术研究的逐步深入，使沼气发动机的性能得到较大改善，发电机组的单机功率也有所增大[22]。
2农村沼气难以推广的原因分析
尽管当前沼气产业正处在一个高速发展的阶段，受到了各级政府和人民群众的欢迎，但是在其发展过程中也面临着不少问题和障碍[23]。有研究结果表明，并不是所有已建沼气池都在投入使用，投入使用的沼气池占76.5%。另外，从使用时间来看，沼气池的总体使用效率仅为64.8%[2]。我国不少省市都在农村推广过沼气池的建设，甚至掀起了沼气建设的高潮，但是由于技术不成熟，没有专业施工队伍，多数沼气池质量问题突出，只能使用1～3年，出现了边建设边报废的情况[24]。这样沼气在农村的推广受到了限制，打击了农民建设沼气池的积极性。其原因归结为以下几点。
2.1农村沼气池成本
近年来，建筑材料价格和人工工资大幅度上涨。经测算，目前建设一口10 m3的沼气池需要投资3 500元左右，配套进行“一池三改”需要投资3 500元左右，合计总投资需要7 000元左右，而每口沼气池中央预算内投资补贴仅1 600～2 000元，使得农户建设沼气池形成较大的资金缺口，影响了农户建设沼气池的积极性[25]。
2.2农村沼气池发酵过程存在的问题农村在沼气发酵过程中出现的突出问题就是不能保证正常的发酵温度、池中不同深度发酵不均的问题造成频繁增加更换发酵原料。
2.2.1温度难以长期恒定并控制。
由于厌氧发酵大多以中温发酵为主，所以该项技术在我国南方地区得到广泛的应用。而我国北方的年平均气温为1.3 ℃，冬季漫长严寒，最冷月份气温可达-15～-30 ℃，极大地限制了中温厌氧发酵技术的应用[26]。在北方地区，由于受冬季气候的影响，沼气池在冬季产气量通常低于 0.1 m3/ （m3·d），无法满足农户需求，农户不得不烧柴灶或使用其他燃料炉灶，直接影响了沼气池在农村中的推广[27]。
2.2.2发酵不均匀。
目前，通过搅拌混合以达到提高有机物的有效转化率的重要性已经被大多数学者所认同[28]。欧洲规模化农场沼气工程的成功经验表明，高浓度物料沼气发酵是规模化沼气工程正常运行的技术关键[29]。然而在农村，沼气池普遍没有搅拌这一工序，因而造成沼气池中发酵原料发酵不均匀，所以粪便等发酵原料得不到充分的处理和利用。
2.2.3原料配比不合理。
一般而言，发酵原料碳氮比为25∶1左右时，微生物活性较高，沼气产量较大[30]。由于农村缺乏相关专业知识，原料配比单一，因此单一秸秆或者家禽粪生产沼气均不能取得高产。
2.3废料难以清理
沼气池三分建设七分管。在沼气池的管理中，沼气池的定期清池换料是最令农户头痛一件事，一定程度上影响了沼气技术的快速推广，但同时也带来了沼气池出料方法的不断改进和提高[31]。
目前沼气池废料的处理主要靠手动出料和机械设备出料。手动出料耗时耗力，而且出料效果也不好。机械设备出料虽然方便省力，但是出料设备对于农户来说也是一笔额外的支出，在经济上不合算。
2.4技术、管理问题
在技术方面，由于各级财政投入不足，缺乏培训经费，各地农村沼气建设推广技术人员培训严重滞后于沼气建设的发展，基层服务组织力量薄弱[32]。在管理方面，由于服务网络不健全，后继服务跟不上，造成了部分沼气池用坏了就被迫停用、报废[33]。
2.5占地面积大
确定发酵池容积，首先要考虑家庭用气人数。在实际应用中，容积确定一般以人数的两倍 为佳。据统计，目前农村户均人数一般为3～5人，因此，发酵池的设计容积以6～10 m3居多[34]。那么加上沼气池配套措施，其所占面积不止10 m3，在一定程度上造成了土地资源的浪费，从而限制了沼气在农村的推广。
2.6地域气候条件限制
区域差异是我国农村沼气发展的重要特征[35]。陈豫等经过调查研究认为，沼气发展水平和空间分布格局受到多种因素的共同影响，
根据发酵温度，将我国农村户用沼气地区划分为沼气发酵温度最适宜区、适宜区、次适宜区和非适宜区[36]。在北方一些次适宜区和非适宜区域，由于气候的原因极大限制了沼气发展的进程。
3结论及建议
沼气产业是一项利国利民的工程，不仅可以解决能源、环境等一系列问题，还可以给社会带来巨大的经济效益，沼气工程必然受到人们的重视。事实上，我国历来对沼气都相当重视，从“七五”的几百万到“十二五”的几十个亿的财政投入，我国不论是在大中型沼气工程还是农村沼气的发展都取得了一定的成效，沼气发酵的理论和工艺技术都取得了很大的进步。但是不可否认我国大中型沼气工程仍处于起步阶段，农村沼气建设覆盖率很低。究其原因还是沼气发酵工艺达不到理想要求，沼气池或者一些固定式沼气罐在保温、加热、搅拌等的问题上没有得到很好的解决。
笔者认为，若将搅拌这一工序加入到农村沼气发酵措施当中，那么在很大程度上会解决微生物与物料接触不充分的问题，相应地也解决了物料不同深度发酵温度不同导致发酵不充分的问题，也解决了发酵物料表层易结壳导致沼气不能溢出的问题。若将加热和沼气发酵有效地配合起来，那么对沼气的产气量和产气率也是一个很大的提高。通过笔者的调查发现，若利用太阳能为沼气发酵提供所需的发酵温度，那么对沼气产气率的提高是毋庸置疑的，而太阳能又是一种可再生的清洁能源，为沼气发酵提供热量没有其他额外成本消耗的问题。 目前有大量在保温、加热、搅拌方面的研究，但是这些措施不是存在效果不明显的情况就是存在效果好但自消耗大的问题。笔者通过分析认为，如果将太阳能加热装置与装有搅拌装置的固定沼气罐结合起来，再改变沼气发酵罐不可移动的思维，设计一种新型发生器定能取得不错的效果。那么这种新型沼气发生器便可作为一种可移动式小型能源站，为我国农村，尤其是北高寒旱等区域，提供可靠的能源供应。
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