劉 健， 楊 磊， 彭錦星， 靳登超， 劉新媛

(天津農(nóng)學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院，天津 300384)

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天津市農(nóng)村沼氣利用現(xiàn)狀及發(fā)展對策

劉 健， 楊 磊*， 彭錦星， 靳登超， 劉新媛

(天津農(nóng)學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院，天津 300384)

生物質(zhì)能源的開發(fā)利用，對于建設(shè)社會主義新農(nóng)村、構(gòu)建資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會、實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要現(xiàn)實意義。從天津市農(nóng)村沼氣主要生物質(zhì)資源類型、分布、利用現(xiàn)狀出發(fā)，分析了目前天津市農(nóng)村沼氣生物質(zhì)資源的現(xiàn)狀與開發(fā)利用情況，并剖析了目前存在的問題，最后結(jié)合現(xiàn)代都市型農(nóng)業(yè)的發(fā)展，提出了今后天津市農(nóng)村生物質(zhì)能源發(fā)展的對策與建議。

沼氣；生物質(zhì)能；轉(zhuǎn)化利用；發(fā)展趨勢

能源是人類社會賴以存在與發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。世界能源危機和全球環(huán)境日益惡化迫使人們開發(fā)可再生能源。黨的十八屆五中全會提出：“加快發(fā)展太陽能、風(fēng)能、水能、生物質(zhì)能、地核能，安全高效發(fā)展核電”。其中，生物質(zhì)能是以農(nóng)林等有機廢物、畜禽糞便以及邊際性土地種植的能源植物為原料生產(chǎn)的綠色能源。通過發(fā)展生物質(zhì)能源推動轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展方式是能源可持續(xù)利用的必然選擇[1]。

近年來，天津市國民經(jīng)濟增長較快，各項建設(shè)取得了明顯成效，但也消耗了大量的能源，付出了資源和環(huán)境的代價。天津市生物質(zhì)能資源蘊藏較為豐富，全市的農(nóng)作物秸桿、家養(yǎng)畜禽以及人類生活垃圾都是頗具開發(fā)潛力的有機物質(zhì)資源。但是，目前已被利用的有機物質(zhì)資源僅占微乎其微的比例，因而進一步開發(fā)利用生物質(zhì)能資源具有廣闊的前景。筆者從天津市農(nóng)村沼氣主要生物質(zhì)資源類型、分布、利用現(xiàn)狀出發(fā)，分析了目前天津市農(nóng)村沼氣生物質(zhì)資源的現(xiàn)狀與開發(fā)利用情況，剖析了目前存在的問題，最后結(jié)合現(xiàn)代都市型農(nóng)業(yè)的發(fā)展，提出了今后天津市農(nóng)村生物質(zhì)能源發(fā)展的對策與建議。

1 天津市農(nóng)村沼氣生物質(zhì)能利用模式

我國的沼氣使用主要還是以農(nóng)村戶用沼氣為主，工農(nóng)業(yè)沼氣工程的沼氣產(chǎn)量僅占沼氣總量的13.33%[2]。深度發(fā)展農(nóng)村戶用沼氣，實施“一池三改”(建沼氣池、改廚房、改廁所、改畜禽圈舍)的生物循環(huán)利用工程，是國家發(fā)改委和農(nóng)業(yè)部聯(lián)合推廣的國債沼氣項目，這是關(guān)乎于天津市民生改善、農(nóng)村環(huán)境優(yōu)化、提高農(nóng)民生活質(zhì)量的一項重要的惠民工程[3]。天津市農(nóng)村沼氣建設(shè)起步較早，與全國的發(fā)展歷程相似。先后經(jīng)歷了20世紀80年代為解決農(nóng)村生活燃料短缺而全面推廣、90年代為重視綜合利用及后期的相對停滯以及2000年注重生產(chǎn)、生態(tài)與農(nóng)民增收等的3個發(fā)展階段。近年來，各地在國家和地方相繼大力發(fā)展農(nóng)村戶用沼氣的大背景下建設(shè)了一大批大中型沼氣工程。目前，天津市主要采用戶用沼氣工程、秸稈沼氣集中供氣工程、畜禽養(yǎng)殖沼氣工程、秸稈氣化燃氣工程等4種模式，4種模式所占比例如圖1所示[4]。

圖1 天津市沼氣利用模式Fig.1 The utilization mode of biogas in Tianjin

1.1 戶用沼氣工程 農(nóng)村戶用沼氣工程是指一家一戶使用的小型沼氣工程。天津市啟動了生態(tài)家園富民行動計劃，著力為全市農(nóng)村興建“三位一體”、“四位一體”和小型畜禽養(yǎng)殖沼氣池，主要分布在天津市80個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的426個自然村。目前，天津市擁有戶用沼氣池33 900戶，年產(chǎn)沼氣量達到1 161.95萬m3[5]。以寶坻區(qū)為例，僅2014年使用新沼氣的農(nóng)戶已達到8 400戶，占農(nóng)村總戶數(shù)的5.6%。

1.2 畜禽養(yǎng)殖場沼氣工程 蓄禽養(yǎng)殖廠沼氣工程是一項以開發(fā)利用養(yǎng)殖場糞污為對象，以獲取能源和治理環(huán)境污染為目的，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生態(tài)良性循環(huán)的農(nóng)村能源技術(shù)工程。它以養(yǎng)殖場糞污為對象，以服務(wù)周邊農(nóng)戶為發(fā)展目標，主要用于農(nóng)村居民炊事。目前，天津市有寧河原種豬場大型沼氣工程等8處大型畜禽養(yǎng)殖沼氣工程，年產(chǎn)沼氣量1 729 800 m3；此外，還有中型畜禽養(yǎng)殖沼氣工程140余處，年產(chǎn)沼氣5 712 100 m3；小型畜禽養(yǎng)殖沼氣工程40余處，年產(chǎn)沼氣700 800 m3[6]。

由于養(yǎng)殖戶和當?shù)卮迕竦睦?、沼氣收費等問題，再加上養(yǎng)殖場一般離村莊尚有一段距離，管網(wǎng)建設(shè)尚需大額投資，因此目前天津的養(yǎng)殖場制沼氣只是自用(如燒熱水)，一般不供民用，大多數(shù)養(yǎng)殖場制沼氣的規(guī)模也較小。

1.3 秸稈沼氣集中供氣工程 與普通戶用沼氣池相比，集中供氣站的顯著優(yōu)勢在于以村落為單元，各單位規(guī)模小則數(shù)十戶，多則數(shù)百戶。通過設(shè)置集中供氣站，鋪設(shè)管網(wǎng)系統(tǒng)，將燃氣輸送分配至農(nóng)戶家中，解決農(nóng)村群眾普遍存在的生活用氣問題。大量存在于秸稈中的有機物是秸稈的利用價值所在，使這些有機物厭氧發(fā)酵可以產(chǎn)生沼氣。但是，由于秸稈的木質(zhì)纖維素比重大且流動性差、進出料困難、發(fā)酵速度慢、產(chǎn)氣不穩(wěn)定、效率低等問題一直制約著以秸稈為原料的沼氣工程的發(fā)展，同時秸稈原料的收集困難也是重要制約因素之一。此外，秸稈原料的收集困難等因素在一定程度上限制了其發(fā)展。目前，天津市建有秸稈沼氣集中供氣工程2處，供氣戶數(shù)600萬戶，年產(chǎn)沼氣324 000 m3。例如，靜?？h四黨口村建成的1 200 m3大型秸稈沼氣集中供氣工程，能滿足1 000戶農(nóng)民做飯使用，每年可以消化秸稈2 000 t[7]。1.4 秸稈氣化生物質(zhì)燃氣 秸稈氣化是指農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的稻稈、玉米稈、油菜稈等秸稈在缺氧狀態(tài)下通過熱化學(xué)反應(yīng)，將秸稈中的碳轉(zhuǎn)化成可燃氣體的過程。目前天津市應(yīng)用最多的、技術(shù)較成熟的是以空氣為氣化劑對秸稈進行氣化。這種秸稈氣最主要的特點就是含氮氣的比例較高，因此熱值也就偏低。在秸稈氣中主要可燃成分為一氧化碳和氫氣以及少量的甲烷。天津現(xiàn)有秸稈氣化集中供氣工程55處，供氣戶數(shù)23 100戶，年產(chǎn)秸稈氣化生物質(zhì)燃氣42 147 500 m3。例如，寧河縣寧河鎮(zhèn)后邦村建秸稈燃氣站1座，設(shè)備采用低焦油高燃值秸稈氣化爐900 m3設(shè)備1套，全村日生活用氣量為1 500 m3，每天運行2 h，保證全村農(nóng)民生活用氣需要。

2 天津市農(nóng)村沼氣資源量及利用現(xiàn)狀

2.1 農(nóng)作物秸稈量 為準確評估天津市秸稈資源，根據(jù)農(nóng)業(yè)部提供的秸稈資源評價體系，對天津市5種主要農(nóng)作物玉米、稻谷、小麥、棉花和花生進行評估。從圖2可以看出，資源最豐富的是玉米秸稈，年均產(chǎn)量可達1 006 983 t，約占秸稈資源總量的52%；其次是小麥秸稈，年產(chǎn)量達653 504.6 t，約占總量的34%；再次是棉花秸稈和稻谷秸稈，分別約占總量的7.7%和6.9%；由于花生的種植面積少，因而由此產(chǎn)生秸稈資源量小，花生在秸稈資源總量中所占比例最小。

圖2 天津市秸稈資源結(jié)構(gòu)Fig.2 The structure of straw resources in Tianjin

調(diào)查結(jié)果表明，按近3年平均播種面積及作物產(chǎn)量測算，天津市秸稈理論資源量為2 941 100 t，秸稈可收集資源量2 588 500 t，除大部分用于燃燒、肥料、飼料、造紙原料外，其余部分則被廢棄或焚燒，具體利用情況如圖3所示[8]。

圖3 天津市作物秸稈利用情況Fig.3 The utilization of crop straw in Tianjin

2.2 畜禽糞便資源量 近年來，畜禽養(yǎng)殖業(yè)向規(guī)模化發(fā)展，畜禽養(yǎng)殖業(yè)的糞便污水以及人類生活垃圾都是頗具開發(fā)潛力的生物質(zhì)能源，為沼氣技術(shù)發(fā)展奠定了雄厚的原料基礎(chǔ)。截至2011年末,天津市年出欄生豬780萬頭、肉牛51萬頭、肉雞12 000萬只，分別比“十五”期末增長39.0%、34.2%、34.1%；蛋雞、奶牛數(shù)量穩(wěn)中有升，其存欄量分別達到1 800萬只和20萬頭；肉類總產(chǎn)量91萬t、蛋類產(chǎn)量27萬t、奶類產(chǎn)量75萬t，比“十五”期末分別增長40%、17.4%、19%；畜牧業(yè)產(chǎn)值占農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值比重由41.6%提高到50%以上。對2006—2014年各類畜禽糞便資源量及總量進行了測算，2014年畜禽糞便總排放量達到9 404 730萬t(圖4)，主要用于農(nóng)用肥料、直接出售、直接排放、沼氣等，具體利用情況如圖5所示[9]。

圖 4 2006—2014年天津市糞便排放量Fig.4 The discharged amount of manure in Tianjin during 2006-2014

圖5 天津市畜禽糞便利用情況Fig.5 The utilization situations of livestock and poultry manure Tianjin

天津市生物質(zhì)的資源范圍較為廣泛，作物秸稈有30%用于燃料使用，但每年仍近30%的農(nóng)作物秸稈被廢棄或焚燒；利用畜禽糞便產(chǎn)生沼氣作為燃料使用的比例相對較少(僅占5%左右)，有63萬t畜禽糞便(約占可收集畜禽糞便的10%)直接排放而未被充分利用，其危害不容忽視。同時，農(nóng)村居民每年因采暖熱水、炊事等消耗大量的常規(guī)能源。因此，沼氣生物質(zhì)能源具有較大的發(fā)展空間。

3 天津市農(nóng)村沼氣工程推廣的影響因素

3.1 農(nóng)民對沼氣生物質(zhì)能的發(fā)展意義認識不夠 目前，開發(fā)利用生物質(zhì)能對經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要意義尚未引起全社會的重視，社會各界對開發(fā)生物質(zhì)能源的必要性、重要性認識不足。以農(nóng)村戶用沼氣建設(shè)為例，全市發(fā)展不平衡，部分區(qū)縣存在工作組織不到位、思想認識不到位、政策措施不到位的問題；部分干部、群眾思想有顧慮，因為與傳統(tǒng)能源的開發(fā)利用相比，生物質(zhì)能這一高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，開發(fā)利用的不確定因素多，前期投入高，所以發(fā)展生物質(zhì)能的信心不足。此外，發(fā)放光盤和技術(shù)資料仍然是目前沼氣利用的主要技術(shù)培訓(xùn)手段，但是當前農(nóng)村人員結(jié)構(gòu)變化，低文化水平的留守農(nóng)民比重高，不具備使用網(wǎng)絡(luò)的條件或不會使用，看不懂資料甚至不愿意看書本知識，沒有從本質(zhì)上調(diào)動起農(nóng)民參與開發(fā)利用沼氣的主動性和積極性。

3.2 當前沼氣的使用途徑單一 受制于認識不足、技術(shù)難以推廣、生活習(xí)慣等因素，沼氣、沼液和沼渣的綜合利用率低并且短時間內(nèi)難以提高，因而不能完全體現(xiàn)它的綜合效益，對沼渣、沼液的還田利用仍舊停留在一個概念。目前，在部分地區(qū)依舊存在著由于沼氣利用年限短而缺乏綜合利用沼氣意識的農(nóng)戶，沼液沼渣可用于農(nóng)地肥料的認識尚未得到大面積的深度普及，農(nóng)戶對沼氣的認識還停留在只能節(jié)能做飯，遑論對“三位或四位一體”綜合利用技術(shù)的了解。在已建成的沼氣工程中，大量工程不僅缺乏足夠的設(shè)施存儲沼渣和沼液，而且沒有輸送管網(wǎng)或輸送設(shè)備。這些都反映了現(xiàn)有的沼氣工程不能與生態(tài)農(nóng)業(yè)、循環(huán)農(nóng)業(yè)相結(jié)合，當前的沼氣工程仍停留在用于生活燃料及照明。

3.3 后續(xù)管理和服務(wù)問題 服務(wù)體系欠缺，綜合效益很難得到發(fā)揮。以農(nóng)村戶用沼氣建設(shè)為例，要使其正常運行并且產(chǎn)生效益必須完善現(xiàn)有的服務(wù)體系，截至2010年底，全市已建鄉(xiāng)村沼氣服務(wù)網(wǎng)點78處，按現(xiàn)有農(nóng)村戶用沼氣數(shù)量，雖符合農(nóng)業(yè)部提出的350～500沼氣用戶設(shè)置1個服務(wù)網(wǎng)點的要求，但仍存在人員少、設(shè)備、經(jīng)費不足等問題，區(qū)縣級服務(wù)站也有待于進一步加強。一方面，因為勞動力的缺乏，存在大量的沼氣池建成已三年卻沒有換過沼料，直接導(dǎo)致沼氣池不再產(chǎn)出沼氣，進而致使大量沼氣池及相關(guān)設(shè)備被閑置；另一方面，因為對沼氣池和相關(guān)設(shè)備的維護缺少基本的技術(shù)指導(dǎo)，已建成的沼氣池使用效果不佳甚至是存在安全隱患。在已建成的服務(wù)網(wǎng)點中普遍存在人員不足、團隊不穩(wěn)定、服務(wù)能力不強等問題，致使沼氣項目在建成后服務(wù)不到位，不能及時排除故障，使得沼氣正常使用率偏低難以產(chǎn)生效益[10]。

4 天津市農(nóng)村沼氣工程推廣的建議

4.1 優(yōu)化發(fā)展模式結(jié)構(gòu)

4.1.1 推廣“一池三改”、“四位一體”的戶用模式?！耙怀厝摹薄ⅰ八奈灰惑w”是一種將沼氣池與改畜禽舍、改廚、改廁相結(jié)合的一種效益顯著的生產(chǎn)模式，這種生態(tài)的能源模式能夠有效的利用農(nóng)村能源，進而實現(xiàn)“一氣(沼氣)”帶“三料(燃料、飼料、肥料)”，“三料”促“四業(yè)(農(nóng)、林、牧、漁)”，“四業(yè)”出“三效(生態(tài)效益、社會效益、經(jīng)濟效益)”的目標[11]?！八奈灰惑w”的生態(tài)模式，就是在“一池三改”的基礎(chǔ)上建設(shè)日光溫室，構(gòu)成“日光溫室、暖圈舍、沼氣池、廁所”這種“四位一體”模式，實現(xiàn)種養(yǎng)結(jié)合，優(yōu)勢互補的目的。蔬菜塑料大棚內(nèi)也可建設(shè)沼氣池，這種循環(huán)生產(chǎn)的優(yōu)勢在于：大棚為暖圈舍、菜園、沼氣池創(chuàng)建良好的環(huán)境條件，禽畜糞便入池后發(fā)酵產(chǎn)生沼氣，凈化豬舍環(huán)境，沼液、沼渣為菜園提供有機肥料，這樣牲畜與菜之間可以有效交換二氧化碳與氧氣，當冬季大棚內(nèi)溫度為10～30 ℃時，即可保證沼氣越冬產(chǎn)氣，為大棚蔬菜生產(chǎn)提供更多資源。

4.1.2 加大對養(yǎng)殖場秸稈沼氣和大中型沼氣項目的支持。進一步深度優(yōu)化沼氣相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展結(jié)構(gòu)，從而提高大中型沼氣對農(nóng)戶的供氣率及沼液沼渣的利用率。對于規(guī)?；B(yǎng)殖地區(qū)，不適合小型沼氣池的發(fā)展，要因地制宜，多戶聯(lián)建或者規(guī)模建設(shè)沼氣池，建立相對集中、適度規(guī)模的模式。根據(jù)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展趨勢和農(nóng)民生產(chǎn)生活方式的改變，在繼續(xù)支持戶用和聯(lián)戶沼氣池建設(shè)的基礎(chǔ)上，進一步加大對養(yǎng)殖場大中型沼氣及秸稈沼氣等項目的支持力度，并著力解決好供氣、用氣雙方的關(guān)系，從而提高大中型沼氣項目的產(chǎn)氣率、對農(nóng)戶的供氣率以及沼液、沼渣在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的利用率，最后解決畜牧養(yǎng)殖小區(qū)、規(guī)模養(yǎng)殖場利用沼氣工程所產(chǎn)生的一系列問題。

4.2 建立農(nóng)村沼氣管理專家系統(tǒng) 農(nóng)村沼氣運行管理專家系統(tǒng)是應(yīng)用人工智能技術(shù)，采用系統(tǒng)化工程的指導(dǎo)思想，根據(jù)沼氣專家所總結(jié)的沼氣工程日常運行管理、故障診斷、更新等技術(shù)和經(jīng)驗加以整理、總結(jié)從而形成規(guī)則，通過編寫軟件的方式予以實現(xiàn)，最后總結(jié)歸納采用直面對象的方法建立可以同時處理多種問題的綜合性的專家系統(tǒng)。上述系統(tǒng)將天津市高校、研究機構(gòu)、企事業(yè)單位的沼氣工程專家們的專業(yè)知識、科研成果、實踐經(jīng)驗、實際工程案例與計算機技術(shù)相結(jié)合并建立一個智能化的綜合性系統(tǒng)。這既可以在農(nóng)村沼氣綜合利用過程中為用戶提供工程技術(shù)指導(dǎo)、管理和咨詢服務(wù),又可以作為沼氣綜合利用工程知識的普及和教學(xué)的多媒體教材。在應(yīng)用該專家系統(tǒng)的過程中，及時對知識庫進行擴充，從而增強系統(tǒng)的實用性，最后讓沼氣工程專家系統(tǒng)發(fā)揮它應(yīng)有的效用。

4.3 積極發(fā)揮政府引導(dǎo)和服務(wù)功能

4.3.1 開展培訓(xùn)服務(wù)。對于沼氣池的后期管理，簡單的維修不能解決實質(zhì)性的問題，能夠掌握沼氣池綜合利用的技術(shù)等管理知識才是關(guān)鍵。政府應(yīng)當定期、及時舉辦一些類似于“三沼綜合開發(fā)利用培訓(xùn)班”、“沼氣池技術(shù)培訓(xùn)班”等的相關(guān)教育和培訓(xùn)，從而提高從事沼氣工程的相關(guān)工作人員的管理水平和業(yè)務(wù)素質(zhì)。與此同時，開展更多的形式，對使用沼氣的群眾提供技術(shù)支持以及指導(dǎo)培訓(xùn)，以此來提高廣大群眾的對沼氣的使用和管理水平，促進沼氣池后續(xù)管理，提高其使用效率。

4.3.2 幫助農(nóng)民創(chuàng)立品牌。將生態(tài)農(nóng)業(yè)建設(shè)和農(nóng)村沼氣工程相關(guān)聯(lián)。在生態(tài)農(nóng)業(yè)的建設(shè)中，政府應(yīng)發(fā)揮積極的引導(dǎo)和服務(wù)功能，在以家庭為生產(chǎn)單位的沼氣生態(tài)農(nóng)業(yè)模式中，依靠一家一戶是不可能在市場中創(chuàng)立品牌的[12]。政府應(yīng)當積極主動地幫助分散農(nóng)戶應(yīng)對市場的變化，包括為農(nóng)戶進行無公害農(nóng)副產(chǎn)品的鑒定以及檢測提供相應(yīng)的幫助，為農(nóng)戶尋求無公害農(nóng)副產(chǎn)品的銷售市場，使得無公害農(nóng)產(chǎn)品的價值能夠得到市場的普遍認可，從而創(chuàng)立品牌，進而使沼氣與更多產(chǎn)業(yè)掛鉤，并得到廣泛應(yīng)用。

5 小結(jié)

天津市農(nóng)村沼氣生物質(zhì)能資源豐富，發(fā)展農(nóng)村沼氣生物質(zhì)能不僅能夠有效緩解農(nóng)村能源矛盾問題，而且有利于改善農(nóng)村環(huán)境衛(wèi)生，減少有毒有害氣體的排放，保護農(nóng)村水土、大氣環(huán)境，同時具有擴展農(nóng)業(yè)環(huán)境的功能，增加農(nóng)民收入，進一步加快建設(shè)美麗鄉(xiāng)村、生態(tài)文明制度、“四清一綠”行動的步伐。參考文獻

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Current Situations and Development Countermeasures of Biogas Utilization in Rural Areas of Tianjin

LIU Jian, YANG Lei*, PENG Jin-xing et al

(College of Engineering and Technology, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300384)

The exploration and utilization of biomass energy has important practical significance to build new socialist countryside, establish a resource-saving and environment-friendly society and realize the sustainable development of agriculture. Starting from the types, distributions and utilization status of biomass resources of rural marsh gas in Tianjin，the current situations and exploration and utilization of biomass energy of rural biogas in Tianjin were analyzed. And the current existing problems were pointed out. Finally, some development countermeasures and suggestions of rural biomass energy in Tianjin in the future were put forward combined with the development of modern urban agriculture.

Biogas；Biomass energy; Transformation and utilization；Development trend

天津市農(nóng)委調(diào)查研究項目(TJNWY2014005)；大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目(201510061121)。

劉健(1995- )，男，江蘇淮安人，本科生，專業(yè)：新能源科學(xué)與工程。*通訊作者，講師，碩士，從事生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化利用研究。

2016-09-14

S 216.4

A

0517-6611(2016)33-0054-03