駱林平，單勝道，虞方伯，翁佳麗，阮樂華

(1.浙江農(nóng)林大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，浙江 杭州 311300； 2.浙江科技學(xué)院，浙江 杭州 310023；3.諸暨市農(nóng)村能源技術(shù)推廣站，浙江 諸暨 311800)

諸暨市安家湖村聯(lián)戶沼氣工程及效益分析

駱林平1，單勝道2，虞方伯1，翁佳麗3，阮樂華3

(1.浙江農(nóng)林大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，浙江 杭州 311300； 2.浙江科技學(xué)院，浙江 杭州 310023；3.諸暨市農(nóng)村能源技術(shù)推廣站，浙江 諸暨 311800)

以浙江省諸暨市安家湖村聯(lián)戶沼氣工程為例，對(duì)其工藝流程、運(yùn)行效果及經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益進(jìn)行具體分析，為聯(lián)戶沼氣工程應(yīng)用推廣提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

聯(lián)戶沼氣工程； CSTR； 效益分析； 新農(nóng)村建設(shè)

規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展促進(jìn)了農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的繁榮，同時(shí)也產(chǎn)生了大量農(nóng)業(yè)廢棄物。根據(jù)2010年《第一次全國污染源普查公報(bào)》，畜禽養(yǎng)殖業(yè)的污染排放已經(jīng)成為我國最重要的農(nóng)業(yè)面源污染源之一，其排放的化學(xué)需氧量(chemical oxygen demand，COD)達(dá)到1 268.26萬t，占全國所有污染物排放的化學(xué)需氧量的41.9%，氮和磷污染的排放量分別為102.48萬t和16.04萬t，分別占全國所有污染物氮和磷排放總量的21.7%和37.9%。數(shù)據(jù)顯示，2010年浙江省畜禽糞便污染總量為0.05億t，因耕地面積小，單位耕地面積的畜禽糞便污染量高達(dá)2.72 t·hm-2，超過全國1.86 t·hm-2的平均值[1]。

農(nóng)業(yè)大中型沼氣工程作為農(nóng)村生物質(zhì)能源高效利用的一種方式，通過厭氧發(fā)酵，不僅有效降解了多種有機(jī)物，生成沼液有機(jī)肥[2]，而且可獲得清潔能源沼氣，實(shí)現(xiàn)變廢為寶。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)性變化和新農(nóng)村建設(shè)的需要，集中供氣成為農(nóng)村沼氣建設(shè)發(fā)展的新方向[3]。利用增壓和減壓調(diào)節(jié)裝置，通過輸送管道將沼氣配送到農(nóng)戶，形成供氣管網(wǎng)，解決生活燃料問題，改變了以往的農(nóng)村能源結(jié)構(gòu)和使用方式，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)村可再生能源技術(shù)的推廣和綜合利用，有效促進(jìn)了農(nóng)村科技進(jìn)步，推動(dòng)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變[4]。

諸暨市位于浙江省中北部，屬北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，雨量充沛，氣候溫和濕潤。年平均氣溫17.4 ℃，冬季最低氣溫-10.7 ℃，年平均降雨量1 401 mm，年日照總時(shí)數(shù)1 668 h，無霜期234 d左右。安家湖村位于諸暨市城南，是諸暨市農(nóng)村清潔能源示范村，現(xiàn)有人口1 602人，農(nóng)田76 hm2，以種植水稻、蔬菜為主。2010年在中央和地方財(cái)政支持下，投資70萬元，以村中某規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)糞污為處理對(duì)象，建設(shè)沼氣集中供氣項(xiàng)目。該工程于2011年2月正式投入運(yùn)行。

1 沼氣工程工藝流程

我國規(guī)模化豬場(chǎng)糞污處理技術(shù)通常分為能源生態(tài)型和能源環(huán)保型，2種技術(shù)均以沼氣工程為核心。能源生態(tài)型針對(duì)沼液沼渣等以肥料形式直接進(jìn)行土地利用，能源環(huán)保型則對(duì)沼液進(jìn)行好氧等深度處理使出水達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)后排放到自然水體。這2種糞污處理系統(tǒng)均可實(shí)現(xiàn)豬場(chǎng)糞污的低污染排放，同時(shí)可分別實(shí)現(xiàn)81.9%和86.7%的溫室氣體減排[5]。

根據(jù)安家湖村地理?xiàng)l件，結(jié)合新農(nóng)村建設(shè)，采用能源生態(tài)型模式，以養(yǎng)殖場(chǎng)豬糞等有機(jī)物為原料，經(jīng)厭氧消化池厭氧發(fā)酵，產(chǎn)生的沼氣經(jīng)脫硫和脫水等凈化處理后，通過管網(wǎng)輸配系統(tǒng)輸送至農(nóng)戶家中，作為生活用能；產(chǎn)生的沼液經(jīng)貯肥池輸送至附近13 hm2蔬菜基地，作為優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥。工程設(shè)計(jì)處理污水量為50 t·d-1(雨污分流)，平均COD濃度為10 000 mg·L-1，SS 5 000 mg·L-1，工藝流程如圖1所示。

圖1 諸暨安家湖村聯(lián)戶沼氣工程工藝流程圖

1.1 技術(shù)特點(diǎn)

1.1.1 水解酸化池

水解酸化池用于均勻混合養(yǎng)殖場(chǎng)產(chǎn)生的豬糞尿和沖洗水，對(duì)廢水進(jìn)行水解酸化反應(yīng)，使高分子降解為小分子、產(chǎn)乙酸，有利于后續(xù)厭氧處理的進(jìn)行。設(shè)計(jì)水解酸化池1座，為地下磚混結(jié)構(gòu)，有效容積100 m3(8 m×5 m×2.5 m)，水力停留時(shí)間為2 d。污水自流入池，水解酸化后通過水泵抽送至厭氧消化池。

1.1.2 厭氧消化池

厭氧消化池采用連續(xù)攪拌完全混合厭氧消化(continuous stirred tank reactor，CSTR)工藝，半連續(xù)投料，借助于消化池內(nèi)厭氧活性污泥來凈化有機(jī)污染物。發(fā)酵原料進(jìn)入池內(nèi)后，經(jīng)攪拌與池內(nèi)原有厭氧活性污泥充分接觸，通過厭氧微生物的吸附、吸收和生物降解作用，使廢水中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為沼氣。

CSTR消化器使發(fā)酵原料和微生物處于完全混合狀態(tài)，消化器內(nèi)物料分布均勻，避免了分層狀態(tài)，增加了底物和微生物接觸的機(jī)會(huì)。消化器內(nèi)溫度分布均勻，進(jìn)入消化器的抑制物質(zhì)能迅速擴(kuò)散，保持較低濃度水平，避免了浮渣、結(jié)殼、堵塞、氣體逸出不暢和短流現(xiàn)象。與常規(guī)消化器相比，CSTR活性區(qū)域遍布整個(gè)消化器，其效率較常規(guī)消化器有顯著提高，適用于高濃度及含有大量懸浮固體原料的處理[6]。與此同時(shí)，因CSTR消化器的污泥停留時(shí)間與水力停留時(shí)間相等，為提高產(chǎn)氣率，需要較長的水力停留時(shí)間，使得消化器的體積較大[7]。

本工程設(shè)計(jì)厭氧消化池2座，為地埋式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，并聯(lián)運(yùn)行，有效容積為400 m3，水力停留時(shí)間為8 d，常溫發(fā)酵。每個(gè)消化池均分為3室，采用水泵循環(huán)攪拌。厭氧消化池從地下50 cm至地面部分外覆保溫層，以保證發(fā)酵的穩(wěn)定運(yùn)行[8]。

常溫條件下，設(shè)計(jì)每日產(chǎn)氣量在0.3～0.4 m3，沼氣工程滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)日產(chǎn)氣達(dá)到120～160 m3。按照安家湖村集中供氣規(guī)劃，工程滿足要求。

1.1.3 沉淀貯肥池

厭氧池后設(shè)200 m3沉淀貯肥池1座，水力停留時(shí)間為4 d。貯肥池的沼液用水泵抽取至蔬菜基地臨時(shí)沼液儲(chǔ)備池，作為有機(jī)肥供給農(nóng)戶使用。

1.1.4 貯氣柜及輸氣管網(wǎng)

沼氣經(jīng)氣水分離、脫硫凈化和計(jì)量后，進(jìn)入容積為100 m3的圓柱形濕式貯氣柜，通過管道送入農(nóng)戶家中。150戶集中供氣用戶使用同一類型炊具，額定氣量為0.4 m3·h-1，燃具同時(shí)工作比例為40%，主沼氣管道計(jì)算流量為24 m3·h-1。管道采用聚乙烯(PE)燃?xì)夤艿?，熱熔連接。管網(wǎng)總長6 000 m，貯氣柜至第1分支距離為1 100 m，PE燃?xì)夤苋≈睆?10 mm；第2分支長1 900 m，PE燃?xì)夤苋≈睆?0 mm；其余依次取直徑32 mm和直徑20 mm。

1.2 系統(tǒng)運(yùn)行效果

該沼氣工程于2010年7月進(jìn)料啟動(dòng)，8月開始試運(yùn)行。期間，根據(jù)農(nóng)戶用氣量大小，以貯氣柜升降高度為參照，適時(shí)進(jìn)料。進(jìn)料以干糞為主，進(jìn)料后水泵回流攪拌，平均每天攪拌2 h。2010年8月至2011年6月每月的日平均產(chǎn)氣量、日平均投料量及平均溫度如表1所示。

表1 2010年8月至2011年6月產(chǎn)氣情況

2010年8月至2011年1月為試運(yùn)行期，期間農(nóng)戶用氣免費(fèi)，月均用氣量最高為87.1 m3·d-1，最低為62.8 m3·d-1，平均76.5 m3·d-1，相當(dāng)于平均每戶用氣0.51 m3·d-1。該常溫沼氣池雖為地埋式，但因沒有外在的加熱保溫設(shè)備，其產(chǎn)氣率受氣溫影響仍然較大。如表1所示，為保證農(nóng)戶用氣，當(dāng)氣溫由8月份的31.3 ℃降低至12月份的4.3 ℃時(shí)，投料量也逐月遞增，從230 kg·d-1增加至680 kg·d-1，其中包括人工投加的豬糞干料。2011年1月因用氣量有所回落，投料量也相應(yīng)減少。2011年2月正式投入運(yùn)行后，實(shí)行用氣收費(fèi)，單價(jià)為0.5元·m-3，此項(xiàng)費(fèi)用用于支付1名管理人員工資及日常運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。受收費(fèi)影響，從2月份開始，截止至6月份，月平均用氣量減少為68.2 m3·d-1，比試運(yùn)行期間平均減少10.8%。

2 效益分析

2.1 經(jīng)濟(jì)效益

安家湖聯(lián)戶沼氣工程年供沼氣約2.5萬m3，按0.5元·m-3計(jì)，合計(jì)1.25萬元，平均每戶年均支付燃料費(fèi)約83元。普通農(nóng)戶每年需消耗液化石油氣5～7罐或相當(dāng)量的薪材，以平均6罐測(cè)算(當(dāng)前液化石油氣價(jià)格110元每罐)，每戶年可節(jié)約燃料費(fèi)用支出577元，150戶合計(jì)年可節(jié)約8.66萬元，節(jié)省逾87%。沼氣發(fā)酵后產(chǎn)生的沼液與沼渣是優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥，通過在蔬菜基地的施用，不僅可提高作物品質(zhì)，而且可節(jié)省化肥支出，經(jīng)濟(jì)效益顯著[9]。

2.2 社會(huì)效益

該沼氣工程年可處理養(yǎng)殖場(chǎng)糞污約1.8萬t，年產(chǎn)沼氣約2.5萬m3，不僅顯著改善了周邊環(huán)境，還解決了農(nóng)村生活用能問題，改善了能源利用結(jié)構(gòu)。養(yǎng)殖場(chǎng)糞污的集中有效處理，改善了養(yǎng)殖場(chǎng)周邊的空氣質(zhì)量與衛(wèi)生問題，同時(shí)也避免了對(duì)河道湖泊的污染。沼液與沼渣的合理利用，不僅增加了農(nóng)戶用肥來源，施用后還能改土增產(chǎn)，提升作物品質(zhì)[10]。沼氣作為生活用能推廣使用后，改變了農(nóng)村原先粗放型的能源利用方式，節(jié)省大量竹木材等資源，并且減少了溫室氣體的排放量。同時(shí)，沼氣進(jìn)農(nóng)戶，減輕了農(nóng)村家庭婦女的勞動(dòng)負(fù)擔(dān)，改善了生產(chǎn)生活條件，有利于加快農(nóng)村致富奔小康步伐，加快城鄉(xiāng)一體化進(jìn)程。

安家湖聯(lián)戶沼氣工程作為浙江農(nóng)村沼氣發(fā)展的新實(shí)踐，取得了一定的寶貴經(jīng)驗(yàn)，對(duì)聯(lián)戶集中輸供氣進(jìn)行了有益嘗試。從近一年的運(yùn)行情況看，該工程能基本滿足農(nóng)戶的全年用氣需求，輸供氣系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，農(nóng)戶滿意度較高。但該工程采用的常溫發(fā)酵池在低溫時(shí)節(jié)受氣溫影響大，產(chǎn)氣率較低，需輔以一定外部熱源(如太陽能)用于池體保溫。2015年由于附近養(yǎng)豬場(chǎng)的拆除，發(fā)酵原料由原先的豬糞尿改為餐廚垃圾，將原料粉碎后進(jìn)入酸化池，實(shí)現(xiàn)了沼氣與垃圾減量化的結(jié)合。該沼氣工程建成后參觀學(xué)習(xí)者較多，在一定程度上推動(dòng)了當(dāng)?shù)卣託夤こ探ㄔO(shè)的發(fā)展，為新農(nóng)村生態(tài)家園建設(shè)提供了技術(shù)與實(shí)體支撐。

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2017-09-09

浙江省重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(2013TD12)

駱林平(1980—)，男，浙江杭州人，講師，從事農(nóng)村廢棄物資源化利用研究工作，E-mail: luolp@vip.163.com。

文獻(xiàn)著錄格式：駱林平，單勝道，虞方伯，等. 諸暨市安家湖村聯(lián)戶沼氣工程及效益分析[J].浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，58(12)：2108-2110.

10.16178/j.issn.0528-9017.20171208

S216.4

A

0528-9017(2017)12-2108-03

萬 晶)