基于层次分析法提升中小型集中供气沼气工程效益的途径

刘向东

(洛阳市农业技术推广服务中心，河南 洛阳 471000)

建设中小型集中供气沼气工程是解决中小型规模养殖场粪便污染的有效途径，但中小型沼气工程一般离农户较远，受建设资金和后续管理成本的制约，厌氧消化池大多采用常规地下水压式沼气池(通常是按照户用沼气池的尺寸放大)，普遍采用常温发酵，并且发酵温度受环境温度的影响较大，在实际应用中普遍存在产气率低、供气压力不稳定、使用效果欠佳等问题，沼气工程整体效益偏低，不能适合中小型养殖场污水处理要求。

层次分析法(AHP)是指将与决策总是有关的元素分解成目标、准则、方案等层次，在此基础之上进行定性和定量分析的决策方法[1]。层次分析法将决策问题分为多个层次，构造判断矩阵进行两两比较，进行层次单排序及一致性检验后，再进行总排序及一致检验。其比较适合于具有分层交错评价指标的目标系统，而且目标值又难于定量描述的决策问题。为此，应用层次分析法研究影响中小型集中供气沼气工程效益的因素，并提出相应对策，以期为提升中小型集中供气沼气工程效益提供参考。

1 指标体系构建

1.1 建立层次结构指标体系模型

由于大部分影响因素难以科学计量，通过调查分析，有针对性地与相关沼气工程业主与集中供气农户进行深入探讨确定主要影响因素，从产气率、产气周期、厌氧工艺、池体深度、建设材料、输气安装、日常管理技术、加温设施等8个方面进行分析。

根据层次分析法原理建立目标层、准则层和因素层各层次之间关系如图1。目标层(A)为提升中小沼气工程效果途径，准则层(B)为产气率(B1)、产气周期(B2)，因素层(C)为厌氧工艺(C1)、池体深度(C2)、建设材料(C3)、输气安装(C4)、日常管理技术(C5)、加温设施(C6)。

图1 基于层次分析法原理建立的中小型集中供气沼气工程效益途径结构

1.2 构建判断矩阵

构建不同因素影响的各层次判断矩阵(B1、B2)，对同一层次的各因素对上一层次中其一准则的重要性进行两两比较，各因素重要程度按1～9赋值，相对重要性的比例标度极重要为9、很重要为7、重要为5、略重要为3、同等为1、略次要为1/3、次要为1/5、很次要为1/7、极次要为1/9，取8、6、4、2、1/2、1/4、1/6、1/8为上述评价的中间值。

1.3 层次单排序

利用Excel方根法[1-2]计算出矩阵中各因素的权重系数，然后计算出矩阵的最大特征λmax，最后用CI指标对矩阵的最大特征λmax进行一致性检验。判断矩阵一致性指标CI与同阶平均随机一致性指标RI之比称为随机一致性比率CR。当阶数大于2，判断矩阵的一致性比率CR<0.10时，即认为判断矩阵具有满意的一致性。RI值详见表(1)。

1.4 层次综合排序

利用单排序的计算结果，进一步综合出对更上一层次的优劣顺序，通过一致性检验。根据权重指标的大小进行排序，最终确定关键影响因素。

表1 平均随机一致性指标RI值

2 结果与分析

根据层次分析法原理和定量方法，以沼气工程现状调查基础为依据构建的判断矩阵如下。

产气率对提升途径的判断矩阵权重及一致性检验，经计算，厌氧工艺(C1)、池体深度(C2)、建设质量(C3)的权重指标分别为0.581 552 067、0.109 452 29、0.308 995 644。判断矩阵最大特征根λmax=3.098 891，CR=0.095 088<0.1，表明该判断矩阵具有满意的一致性。产气周期对提升途径的判断矩阵权重及一致性检验，经计算，输气安装(C4)、日常管理技术(C5)、加温设施(C6)的权重指标分别为0.681 650 435、0.215 836 488、0.102 513 078。判断矩阵最大特征根λmax=3.002 637,CR=0.002 535<0.1，表明该判断矩阵具有令人满意的一致性。产气率、产气周期总层次的一致性检验，经计算，Wi=(w1，w2，w3，w4，w5，w6)=(0.290 776，0.054 726，0.154 498，0.340 825，0.147 125，0.018 905)，CR=0.048812<0.1，表明具有满意的一致性。

3 结论与建议

综上所述，提升中小型集中供气沼气工程效益的途径主要由C4、C1、C3、C5方面的权重系数决定，即提升中小型沼气供气工程效益的途径重点是输气系统安装技术、厌氧工艺、建设质量、日常管理技术。针对各因素提出相应的措施如下，以期为中小型集中供气沼气工程建设实现良性循环提供参考。

3.1 输气系统科学合理

输气系统要做到贮气柜结构容积确定科学、压力选择和配重方法合理、管材选择科学，保证沼气工程的正常运营。

3.1.1 贮气柜结构、容积的确定 目前中小型集中供气沼气工程一般采用中间导杆浮罩式贮气柜，具有结构简单、造价便宜、安装方便的特点，可以在施工现场加工，也可以加工后运到现场安装，使用十分方便。沼气贮气柜的容积不宜过大或过小，一般按沼气工程平均日产气量的50%～60%确定气柜容积，目前中小型集中供气沼气工程普遍采用常温发酵，计算日平均产气量时平均产气率一般在0.3 m3/(m3·d)以下。

3.1.2 贮气柜压力选择和配重方法 浮罩式贮气柜维持的沼气压力一般为2.5～5.0 kPa，浮罩的质量、面积决定输、配气管路的静压力，贮气柜压力调配主要考虑管网允许压力降，当所需压力高时要给浮罩配重。气柜配重分为钟罩内壁下部配重和顶部外配重2种方法，内配重一般在钟罩里水面下，进行配重计算时必须考虑水下的浮力。

3.1.3 科学选择管材 输气系统建设主要包括管材的选择应用，适宜的材质和恰当的管径是整个输气系统建设中2个最关键的因素。目前中小型集中供气沼气工程的输气管网管材选用PE管，连接使用热熔焊接方式。管径的确定受沼气工程沼气用气流量、管道压力降、输送距离等因素多种影响，在设计运算时要统筹考虑，既要保证农户用气，又要降低投资。

1) 管道沼气小时流量确定。为保证农户高峰用气正常，一般应按最大小时用气量计算，应采用灶具的额定耗气量与其多只相同灶具同时工作系数法来计算确定。

2) 管道压力降确定。管道沿程压力降是从贮气柜起点到用气户终点的允许压力降，联户沼气一般采用低压直接供气，但贮气柜到农户的距离不一而导致压力降有差别，管道较长的压力降大，管道较短的压力降小。在实际运算中通常采用将摩阻系数包括在内的简化计算方法，在流量、输送距离确定条件下增大压降来降低管径，减少投资；或在流量、管径、输送距离确定条件下，可以计算出沿程压力降来确定贮气柜压力，对贮气柜配重进行重新调配。

3.2 厌氧消化器容积与发酵工艺要科学

3.2.1 厌氧消化器容积 厌氧消化器容积的确定和计算要科学合理，既能做到有效保证集中供气的产气量，又要能够处理养殖场每天排放的粪便量。沼气工程池容确定通常根据发酵原料的数量、一定温度下发酵原料在池内停留的时间和投料浓度计算，合理确定发酵温度、发酵浓度及HRT值是确定沼气工程池容的3个关键要素，其中任何一个要素的变化都会影响沼气工程的容积。

3.2.2 发酵工艺 科学高效的厌氧消化器是整个沼气工程建设的核心。有研究表明，可将若干个单元集装成50～100 m3的标准厌氧发酵系统，根据养殖规模由标准厌氧发酵系统相并联集装成200 m3、300 m3、400 m3、500 m3等不同规模的厌氧发酵系统[4]；20～50 m3的小型沼气工程宜采用单体地下立式圆柱形旋动推流式厌氧消化装置，60～200 m3的中型沼气工程宜采用地下并联立式圆柱形旋动推流式厌氧消化装置，都能有效提高沼气工程的产气率[5]。笔者结合多年建设经验，中小型沼气工程发酵工艺宜选用10～25 m3为发酵单元、地下式并联立式圆柱形旋动推流式厌氧消化装置或隧道式厌氧消化器，深度控制在2～2.5 m，隧道式沼气池底部采用斜底面，并在中间设置两道过滤墙，便于原料与菌种较好接触，提高产气量。

3.3 工程建设要设施配套完整

增加冬季保温设施是确保沼气工程冬季正常运行的必要措施。常用措施主要有电加热膜增温保温系统、锅炉水循环增温系统、太阳能热水器水循环增温系统、太阳能温室保温室系统。根据不同温度控制技术的应用效果和投资成本分析[4-10]，中小型集中供气沼气工程应充分利用太阳能提高发酵料液温度，宜采用太阳能温室保温系统和生物质能增温相结合的冬季增温措施，晴天充分利用太阳热能给厌氧消化器进行增温，阴雨天利用辅助增温设施进行增温，可有效提高料液温度，实现沼气工程冬季正常运行。

3.4 提高沼气工程技术人员的日常管理水平

对沼气工程人员，加强发酵原料预处理技术、沼气脱水、脱硫净化技术、输气系统维护等专业技术培训，以提高沼气工程技术人员的管理水平，也是提高中小型集中供气沼气工程效益十分重要的措施。