山东省大中型沼气工程运行状况及对策建议

姚　利， 郭洪海， 付龙云， 王艳芹，2， 刘　英， 杨　光， 罗加法,3

(1.山东省农业科学院农业资源与环境研究所， 山东 济南　250100； 2.山东省农业面源污染防控重点实验室， 山东 济南； 3.新西兰皇家农业科学院， New Zealand　3240)



山东省大中型沼气工程运行状况及对策建议

姚利1,2， 郭洪海1， 付龙云1， 王艳芹1，2， 刘英1， 杨光1， 罗加法1,3

(1.山东省农业科学院农业资源与环境研究所， 山东 济南250100； 2.山东省农业面源污染防控重点实验室， 山东 济南； 3.新西兰皇家农业科学院， New Zealand3240)

文章通过实地调研山东省30余处大中型沼气工程，对其建设运行情况、技术工艺、三沼利用情况等方面进行了总结，就山东省沼气工程的技术现状及建设运行中存在的问题进行了探讨，发现沼气工程主要问题，提出改进措施，并对山东省沼气工程的发展方向提出了对策建议。

沼气工程； 技术现状； 建设运行

我国广大农村地区拥有丰富的生物质资源，如作物秸秆、畜禽粪便和生活垃圾等，如果这些资源没有得到有效利用和处置，将成为危害环境的主要来源。同时我国正面临着巨大的能源压力，开发并生产各种可再生能源，替代煤炭、石油和天然气等化石燃料是今后解决能源紧缺的必然选择。沼气工程不仅可以处理大量的农业废弃物，消除畜禽粪便产生的严重污染，同时有助于生态循环农业的发展，是治理污染、实现废物资源化利用的一条有效途径[1]。沼气工程具有的这些优势，已经引起了政府部门的关注和资助，也得到了许多养殖企业的认同，促使我国大中型沼气工程建设得到了较快的发展。近几年，在国家和省一系列政策的支持下，山东省大中型沼气工程建设也得到了长足发展，截至2013年底，共建设大中型沼气工程581处。

2013年～2014年，笔者通过考察山东省济南、德州、聊城、菏泽、济宁、临沂、滨州等七个地市32个大中型沼气工程，深入了解了山东省大中型沼气工程的建设、运行、效益等情况。因此，根据对部分大中型沼气工程的实地调研，笔者就山东省乃至北方地区沼气工程的技术现状及建设运行中存在的问题进行探讨，并尝试提出对策建议。

1　山东省沼气工程建设运行情况及存在的问题

1.1总体情况

根据调研情况，山东省沼气工程总体工艺比较稳定，建设内容比较完善，设备趋向成熟，建设标准较高。沼气工程的建设在很大程度上降低了规模化养殖场对环境的污染，有力地促进了畜牧业的可持续发展，实现了农业资源的综合利用，有助于发展生态循环有机产业，产生了明显的环境和生态效益。

从工程规模来看，厌氧罐容积在600～800 m3的有7个，1000～1200 m3的有21个，>1500 m3的有4个，绝大多数工程发酵罐容积为1000 m3左右，这一方面是由于养殖企业大部分处于中等规模，1000 m3的沼气罐可以满足大部分养殖企业的粪污处理需求；另一方面是由于国家补助资金的限制，同时沼气、沼液等产品的应用半径也限制了沼气工程的规模。

从发酵原料来看(见表1)，山东省的沼气工程发酵原料丰富多样，涵盖了多种农业废弃物，以畜禽粪便为主，其中比重最大的是猪粪和牛粪，工程运行效果较好的也是这两种。秸秆、鸭粪等特殊原料的工程则在运行中存在一些问题。比如养鸭场的沼气工程运行效果较差，这是因为鸭粪中含有大量稻壳，稻壳中的木质素含量高，表面的蜡质层坚硬，难以生物降解，且比重轻，极易造成上浮结壳现象。而以作物秸秆为主要原料的沼气工程，没有采用适宜的预处理技术和设施，缺少针对性的进出料、搅拌等设备，无沼液回流或回流方案不合理，因此造成秸秆的进出料困难、发酵不完全、结壳等现象，影响了沼气工程的运行效果和经济效益。

表1　沼气工程发酵原料统计表　(处)

1.2厌氧发酵工艺及存在问题

目前沼气工程比较成熟、适用的生产工艺有两大类，一类是以综合利用为主的“能源生态型”处理利用工艺，另一类是以达标排放为主的“能源环保型”处理利用工艺。养殖行业作为具有较大疫病风险和市场波动风险的微利行业，适度规模加种养结合是化解畜禽养殖风险之关键，因此多数沼气工程采用“能源生态型”工艺。笔者调研的32个沼气工程，只有2个采用“能源环保型”处理利用工艺，其它全部采用“能源生态型”处理利用工艺。采用“能源环保型”工艺的2个工程，皆为结合环保部门补助的环境治理资金建设，工艺特点为粪水分离，干清粪，仅污水进入发酵罐，厌氧发酵后出水再采用好氧工艺进行处理，出水达标排放。

笔者调研的沼气工程全部采用地上式厌氧发酵罐，厌氧发酵工艺有完全混合式(CSTR)、上流式厌氧固体反应器(USR)、上流式厌氧污泥床(UASB)、卧式推流池(HCPF)等几种(见表2)。总体而言，CSTR和USR工艺这两种工艺，技术稳定适应性强，配套设备也比较成熟，调研中绝大部分沼气工程选用这两种工艺。CSTR工艺TS浓度可以达到8%～13%范围，并带有机械搅拌。USR工艺需要先对各类畜禽粪便其它有机物进行预处理，除去大颗粒和粗纤维物质(进料TS浓度3%～5%)后，进入USR反应器，反应器采用上流式污泥床原理，不使用机械搅拌。

厌氧罐的设计发酵TS浓度一般为5%～10%，池容产气率视温度不同在0.4～1.2 m3·d-1m-3之间，实际运行中发现，发酵罐的进料随意性很强，进料量和进料频率不够规范，进料浓度不能精确测定，普遍存在和设计参数不符的情况，发酵浓度和产气率多数低于设计值。从表3可以看出，发酵浓度低于5%的超过70%，而池容产气率0.3～0.8 m3·d-1m-3的占到60%以上。

表2　调研沼气工程发酵工艺情况　(处)

表3　调研工程的发酵浓度和池容产气率

在调研的沼气工程中，沼气工程的规模和设计参数不完全符合养殖场的粪污处理需求。很多沼气工程没有根据养殖类型、冲水方式、粪便特点和消纳田地、环保要求进行详细设计，甚至有不同养殖类型、不同规模的养殖场出现相同建设内容的沼气工程。这样在后期的实际运行中就容易造成处理程度不够或投资浪费等问题。由于国家补助资金的限制，大部分沼气工程的容积在1000 m3左右，有的养殖场规模大，造成粪污无法充分处理，沼液及粪污的随意排放影响了养殖场的周边环境；有的养殖场干粪直接出售，只有冲洗废水进入发酵罐，沼气工程的原料不足，导致沼气工程不能满负荷运转，造成投资浪费，同时影响了沼气工程的效益。

1.3运行管理状况

根据调研，大多数沼气工程专设1～2人用于日常维护管理，但管理人员素质良莠不齐。项目建设完毕后，基本上是靠业主的自觉去运行，对沼气工程的安全运行、定期检查检修、人员的培训没有有效的约束，管理人员的专业素质不高，对发酵参数的控制方面理论知识及实践经验不足，项目建设单位对沼气工程的后续回访也不充分。大部分沼气工程计量仪表欠缺，如污水流量计、沼气流量计、水温计安装率不高，也缺乏必要的检验检测手段，运行过程中出现的问题难以解决，影响了沼气工程的有效运行。另外，环保部门没有像对工业企业一样对养殖场的粪污处理采取监测手段，沼气工程的运行与否没有得到应有的监管。而且由于沼气工程的效益有限，业主可自行决定工程是否运行。一旦停止运行，不仅造成国家投资的浪费，同时养殖场粪污随意排放造成严重污染。所以，应该从政策上引导，比如建立后续运行补贴机制，安排基层管理部门定期巡查，对那些切实运行，环境效益和社会效益明显的工程项目，进行奖励补贴，保障实际投入运行者的权益。

1.4沼气利用方式

沼气的用途有发电、集中供气、烧锅炉、养殖场自用等，调研的工程沼气用于发电的有14个，集中供气的有11个，养殖场自用的有7个。产生的沼气如果进行热电联产(CHP)，热能输出部分可满足20℃左右温度条件下原料的升温要求，在北方冬季无法满足加温要求，需要使用锅炉或其它能量进行加热，因此沼气站多半配有沼气锅炉或燃煤锅炉。

调研的大部分沼气工程冬季保温措施不够完善，仅发酵罐采用保温材料，进料池、预处理池无增温保温措施，导致进入发酵罐的料液温度较低甚至接近零度，如不进行加热运行效果很差。由于近几年国家资助的沼气工程绝大多数是集中供气，利用煤-沼两用锅炉冬季增温，不管是烧煤还是烧沼气成本都很高，养殖企业无法接受，因此多数沼气工程冬季为低效率运行或停止运行。因此建议预处理系统可以采用采光板覆盖，安装太阳能增温系统，一次性投资微动力运行，降低后续厌氧罐加热成本，同时做好保温、增大进料和发酵浓度，使得冬季罐内温度得到有效保持，从而提高发酵效果。

根据国家发改委2012年以后的补助要求，不再资助沼气发电项目，国家投资的沼气工程全部为集中供气，因此无法利用发电余热对厌氧罐加热。但由于沼气工程的建设主体一般为单一的养殖企业，在和农户的协调方面存在欠缺，因此在集中供气方面的实施有很大困难。由于供气户数不足，沼气工程通常不能满负荷运转。沼气如用于养殖场自用，则夏季沼气用不了，用气需求高的冬季产气量反而下降，影响了沼气工程业主的积极性。沼气用途单一及季节性的需求变化影响了沼气工程的稳定运转。因此需要拓宽沼气利用渠道，充分发挥沼气工程的效益，才能从根本上提高业主的积极性，保障沼气工程顺利运转。

1.5沼渣沼液利用情况

沼渣沼液含有大量丰富的营养成分，对于提高作物产量与品质、提升土壤肥力、促进植物种子萌发、防治病虫害等方面具有积极作用[2]，可用作基肥、追肥，或与无机肥同施，因此其经济价值的潜力很大。

山东省目前大部分沼气工程以畜禽粪污为主要发酵原料，发酵浓度较高，排放的沼液浓度也较高。从表4可以看出，沼液的氨氮和COD浓度都较高，氨氮以1000～2000 mg·L-1的最多，COD以1000～3000 mg·L-1的最多，不适宜好氧处理达标排放，一般用于农田施肥进行生态化利用。沼液的pH值在7.1～7.9之间，偏碱性，农用时时要考虑其对作物的不良影响，特别是应用于盐碱地时需调节pH值。

表4　调研工程沼液的污染指标

沼气工程的发酵周期一般为15～30 d，以最常见的1000 m3厌氧罐来说，每日排放的沼液就达30～60 t。与之相对立的是作物施肥周期较长，种植蔬菜沼液浇灌频率为7～10 d一次，而大田作物施肥周期长达2～3个月，因此通常要求站内沼液池具备足够的储存容量。但现有工程沼液池容积普遍偏小，一般仅为300～600 m3之间。不仅沼液储存容积普遍偏小，沼液输送设施也不到位，连接到田间地头的沼液管道很少，一般依靠沼液车进行运输，致使沼液在应用上受到限制。由于沼气工程普遍规模较小，多数沼气站未对沼渣沼液进行固液分离，因此沼渣产生量很少，不足以生产商品有机肥。沼液虽然产生量大，但用于出售的不多，多半为免费供应。即便如此，沼液的应用情况也不尽令人满意，有的沼液池已满，暂时又不到施肥季节，沼液就会溢流到周边的河沟，污染地表水和地下水。

沼液的应用除了在贮存和施用方面存在基建上的困难，在理论和效果上也存在技术瓶颈。由于沼肥的品质差别很大，对不同作物和土壤的效果尚未明确，因此在肥效和安全性方面缺乏保障。同时沼肥的生产工艺缺少相关标准，沼肥的商品化市场还未形成。沼气工程建设中，大部分业主本身养殖规模较小，且未开拓新的农业产业，与种植基地联系不紧密，沼渣沼液利用不充分，沼气工程的效益未能转化到终端产品上。而沼渣沼液的高值化利用才是沼气工程能够可持续发展的必要保证。因此，在推进沼气工程产业发展的同时加强相关研究与宣传推广，在发展初期政府应该为市场的培育提供支持，如给予使用沼渣沼液发展无公害农产品经营者以适当补贴等。

2　建议与展望

2.1沼气工程规模化

山东省沼气工程的投资主体基本是养殖(加工)企业主，沼气工程普遍规模偏小，所以沼气、沼肥等产品的商品化和应用均受到很大的限制，工程建设的标准化方面也存在欠缺。沼气工程标准化建造能够降低工程造价，减少项目实施企业的投资风险和不确定性，是沼气工程未来发展的趋势[3]。这样从原料收集、沼气利用、工程管理、沼渣沼液利用、衍生产品开发，以及环保要求等各方面均有助于管理，也利于形成规模效应。首先，鼓励沼气工程的建设主体为大型能源企业或农业企业，特别是种养一体化的大型农业龙头企业，能够配套足够面积的种植基地用于消纳沼渣沼液，并发展生态农业。规模化建设的沼气工程产品产量高，也可以实现更好的应用和商业化。比如沼气产量大实行热电联产，发电稳定性高有助于并网，发电余热用于发酵罐加热也利于提高产气效率。近年来，沼气的提纯液化罐装技术趋向成熟，投资及运行成本也大幅降低，已具有一定的经济可行性。建议由政府出台政策，鼓励引导有意愿有能力的企业进入生物质能建设生产领域，并保障产业有效运行，支持企业通过市场出售生物质能产品。

2.2工程设计结合环保设计内容

以前养殖场沼气工程主要依靠发改委和农业部门资助，关注的重点为获得能源，因此为了提高沼气产量，粪便污水混合发酵，物料COD浓度甚至达到4～8万mg·L-1，发酵后排出的沼液COD浓度也接近10000 mg·L-1，大大超出排放标准，如果沼渣沼液的利用渠道不畅，必然对周围环境造成严重污染。因此建议环保部门加强对养殖场的环境监管，对养殖场粪污的处理不能只满足于沼气利用，更应提高气、液、渣污染综合减排技术措施的管理，加强沼气工程在环境保护方面的作用。

工艺是否合理直接关系到沼气工程的处理效果、运转稳定性、投资、运转成本。因此，必须结合废污特征，综合考虑发酵资源、配套土地和能源需求等因素，慎重选择适宜的生产工艺，以达到最佳的处理效果和经济效益。建议对生猪、肉鸭养殖等污水量大的项目改进工艺，猪粪不和污水一块调浆进发酵罐，而是将污水先进行固液分离，分离出的粪渣直接制肥，固液分离的废水污染程度会极大降低，厌氧发酵容积和发酵时间也大大降低，节省的费用有条件的可以采用好氧系统，解决沼气工程产气和环保达标相互矛盾的问题，经过厌氧+好氧或土地处理工艺处理后，有望达标排放。对另一类像牛场、鸡场等污水量小的沼气工程，则推荐以较高浓度发酵，所产能源供应供气站、发电站、有机肥加工车间等，这类项目如果建设规范、设备可靠、经营得当的话，是能够产生一定的效益的。

2.3改革补贴方式

目前沼气工程建设规模和建设内容同质化严重，很大的原因是由于国家补助资金的限制。为改善此种状况，建议国家取消单项沼气工程的补助限额，改为根据工程规模补助，鼓励沼气工程规模化建设。改建前补贴为建后补贴，改按工程规模补贴为产品规模补贴，这样才能促进业主做好工程管理，发挥沼气工程应有的效益。同时提高沼气发电补贴力度，尽快实施燃气供应后补贴，沼渣沼液制肥用肥补贴[4]等措施。

[1]武深树,谭美英,刘 伟.沼气工程对畜禽粪便污染环境成本的控制效果[J]. 中国生态农业学报, 2012, 20(2): 247-252.

[2]吴树彪,崔 畅,张笑千,等.农田施用沼液增产提质效应及水土环境影响[J]. 农业机械学报，2013,44(8):118-125,179.

[3]闵师界,王 蓓,吴 进,等.养殖场大中型沼气工程发展趋势探讨[J].中国沼气，2011,29(1)：22-25.

[4]党 锋,毕于运,刘研萍.欧洲大中型沼气工程现状分析及对我国的启示[J]. 中国沼气，2014，32(1)：79-83，89.

Running Status of Large and Medium-sized Biogas Project in Shandong Province and Suggestions /

YAO Li1,2， GUO Hong-hai1， FU Long-yun1， WANG Yan-qin1，2， LIU Ying1， YANG Guang1， LUO Jia-fa1,3/

(1．Institute of Agricultural Resource and Environment，Shandong Academy of Agricultural Sciences，Jinan 250100，China；2. Shandong Provincial Key Laboratory of Agricultural Non-Point Source Pollution Controland Prevention，Jinan 250100，Chin；3. Royal Agricultural Science Research Institute, Hamilton 3240, New Zealand)

More than 30 of large and medium sized biogas projects in Shandong province were investigated in this paper. The project construction, operation, technical processes, biogas and residue utilization, were summarized and discussed. Suggestions and improving measures were put forward.

biogas engineering； technical processes； construction and operation

2015-10-19

2016-01-29

项目来源： 山东省2013年度农业重大应用技术创新课题； 济南市高校院所自主创新项目(201303056)； 山东省科技发展计划项目(2014GSF117012); “海外泰山学者”建设工程。

姚利(1979-)，女，助理研究员，主要从事沼气及废水处理方面的研究工作，E-mail:nkyyaoli@163.com

郭洪海，E-mail：honghaig@163.com

S216.4

B

1000-1166(2016)05-0078-04