日光能温室沼气集中供气技术应用

程学顺

(徐州市铜山区农业农村局, 江苏 徐州 221000)

日光能沼气集中供气技术[1-2]是把大中型沼气工程技术、日光温室增温保温技术和农业规模化种植技术有机结合，形成的一种农业生态循环利用技术，是管道天然气覆盖网外农村生活用燃气的现实选择[3-4]。建设以利用该技术的“沼气站”[5]，真正解决农村使用清洁燃气难题，利用农作物秸秆、畜禽粪污等农业有机废弃物为厌氧原料，实现农业废弃物的资源化利用，有利于农村环境整治、无废城市建设、促进生态环境保护；拓宽秸秆处理与利用渠道，避免直接还田易滋生病虫草害等问题，沼肥代替化肥有效改善土壤质量，提高农产品品质，促进农业生态循环模式的形成。

1 关键技术要点与工艺路线

1.1 关键技术要点

1.1.1 增温保温措施

冬季气温低，引起厌氧罐内发酵温度低，是影响沼气集中供气不能正常运行的主要因素[6]。采用日光能温室大棚进行增温保温后，再加上采用圆柱形卧式罐体，采用黑色涂层、塑料薄膜覆盖等措施，可提高沼气发酵温度8℃～10℃，据测定冬季日光能温室内最高温度可达38℃；即使在无阳光的阴天，室内温度仍维持在15℃～23.7℃，有效容积产气率0.42～0.52 m3·m-3d-1。据2015年农业部沼气产品与设备监督检验检测中心测验，室外温度5.2℃，温室内温度18.2℃，温室内比室外高13℃；温室内湿度63.4%，室外52.7%，相对湿度相差10.7%；气体成分分析结果为：CH4,CO2,H2S分别为60.2%,39.7%,942 ppm.，寒冬季节与用气高峰时段保障供气不减压、不减量，保证全年产气。

徐州市贾汪区马庄村日光温室大棚沼气集中供气站，2012年3月建成投产，建设有200 m2日光能温室,300 m3拼装卧式沼气罐,60 m3储气柜、160 m2原料计量池、储肥池，安装了脱硫、脱水和智能控制等仪表及管网、表灶，集中供气居民100户，已经运行8年，全年不间断供气；铜山区棠张镇棠张村日光能温室沼气集中供气站于2018年8月建成投产，建设有400 m2日光能温室、1200 m3卧式钢制沼气罐、800 m3湿式储气柜、200 m2原料计量池、储肥池，安装了脱硫、脱水和智能控制等仪表及管网、表灶；集中供气居民1000户，已经运行2年，全年不间断供气，效果良好[7-8]。

1.1.2 技术参数

通过对运行温室沼气站调查测定，以秸秆和畜禽粪便为发酵原料，秸秆2.7 t·d-1，畜禽粪便8.8 t·d-1，沼液回流2.5 t·d-1。技术参数如下：秸秆TS：70%;畜禽粪便TS：10%;发酵池温度：中温30℃±2℃;发酵池物料TS：20%;发酵物pH值：6.8～7.4;发酵罐容积产气率：1.3 m3·m-3d-1;停留时间：40 d;沼气产率：牛粪：45 m3·t-1;秸秆(小麦)：260 m3·t-1;湿式储气柜压力:4000 Pa;灶前压力800 Pa;固液分离后沼渣中含水率：60%，经过简单堆肥后可达国标[9]。

1.1.3 原料预处理技术

粪便储存池建在日光温室内，秸秆、粪便被送入储存池后被预留在储存池内的菌种接种酸化后，经原料上料泵打入干式进料泵的料斗，然后用干式进料泵泵入厌氧罐内。

1.1.4 厌氧消化技术

进料方式：秸秆、粪便由干式进料泵向厌氧消化池进料，每天进料一次。厌氧反应器：通过对徐州市贾汪区、铜山区、睢宁县等地区大、中型日光能温室沼气集中供气站不间断运行实例分析证明，采用双混塞流式厌氧反应器(SHSL)是解决我国长江以北地区冬季正常产气的一项十分有效的技术。在沼气罐内，经搅拌使发酵物料和微生物处于完全混合状态，各部分微生物种类和数量及其生存环境基本相同，与常规厌氧反应器相比，其活性区域遍布整个反应器，其效率比常规反应器有明显提高。

温度是影响微生物生命活动最重要的因素之一，其对厌氧微生物及厌氧消化的影响尤为显著。在工程运用中，中温工艺其最佳处理温度在26℃～35℃，如果温度波动幅度过大，则由于微生物活力下降，反应器的负荷也将降低。日光温室加热保温使厌氧温度波动较小，对厌氧工艺不会有明显的影响。

1.1.5 沼气净化技术

厌氧发酵产生的沼气是含饱和水蒸气的混合气体，其主要成分为：可燃气体CH4，CO2，H2S等。沼气中的H2S对设备的腐蚀作用极大，而且燃烧后产生的污染性含硫气体严重危害环境，因此，需要设置脱硫单元去除沼气中的H2S。采用罐内干法脱硫工艺，常见的是氧化铁脱硫法。氧化铁脱硫法是在常温下沼气通过脱硫剂床层，沼气中的H2S与活性氧化铁接触，生成硫化铁和硫化亚铁，然后含有硫化物的脱硫剂与空气中的氧接触，当有水存在时，铁的硫化物又转化为氧化铁和单体硫。这种脱硫再生过程可循环进行多次，直至氧化铁脱硫剂表面的大部分孔隙被硫或其他杂质覆盖而失去活性为止。一旦脱硫剂失去活性，则需将脱硫剂从塔内卸出，摊晒在空地上，然后均匀地在脱硫剂上喷洒少量稀氨水，利用空气中的氧进行自然再生。

1.1.6 沼气贮存工技术

根据笔者近年来积累的沼气集中供气管理经验认为，适当增加沼气储气柜的容积是保障集中供气项目村在新年和连续阴雨天不断气的有效措施，设计沼气压力应满足国家燃气规范。

1.1.7 沼液处理技术

采用干式发酵技术，基本不产生沼液。但是考虑到利用沼渣生产有机肥时会产生少量高浓度沼液，因此要设计沼液备用储存池，通过输送泵、输肥管网进入农田消纳。

1.1.8 沼渣处理消纳技术

沼渣定期排出，通过固液分离机分离后，生产沼肥，用于高效实施农业生产有机农产品用肥。

1.2 工艺路线

日光能温室沼气集中供气的工艺流程如图1所示。人畜粪便和粉碎后秸秆直接用车倒入40 m3的粪便储存池，用干式进料泵打入日光温室内发酵罐中，发酵罐下部保温，外部涂黑用于保温，产生的沼气经脱水、脱硫等净化处理后送到储气柜，再将沼气恒压输送至农户作为生活燃料，利用日光温室(见图2)保温以保证冬季正常产气；通过渣位镜观察池内沼渣的多少并根据用肥季节和池内沼渣数量排渣。池内沼肥通过沼渣泵排出后与秸秆沤制生产有机肥或直接施用种植绿色粮菜。

图1 工艺流程图

图2 日光能温室

2 沼气集中供气站建设、效益与运行管理

2.1 沼气站建设

2.1.1 落实实施主体

使用与管理的沼气村委会作为沼气站实施主体，也有建设和承包服务沼气专业公司作为实施主体。

2.1.2 编制设计方案

沼气站专业性强、技术要求高，设计单位须有环保工程专业设计资质，且近年来有成功案例，设计标准要求保证燃气供给全天候、不间断、严寒冬季也能正常产气供气。

2.1.3 建设遵循的原则

“先地下、后地上”原则，沼气站建设与新农村集中居住点建设做到“四个同步即同步设计、同步施工、同步验收、同步使用”原则，这样可以节省大量建设资金。

2.1.4 建设内容

以铜山区棠张镇棠张村沼气站集中供气1000户为例，主要包括土建工程和工艺设备两部分。

2.1.4.1 土建工程

畜禽粪便、秸秆预处理池40 m3，厌氧发酵罐基础248 m2，贮气柜基础45 m3，采用钢筋混凝土结构；日光能温室大棚400 m2，辅助用房54 m2，沼液池200 m3，采用砖混结构；秸秆、肥料库200 m2，采用钢结构；配套道路、围栏、绿化等。具体土建内容见表1。

2.1.4.2 设备建设

包括卧式厌氧发酵罐1200 m31座，单座容积1200 m3，湿式贮气柜800 m31座，单座容积800 m3，秸秆粉碎机、原料提升机、高浓度进料泵、流量计及铲车等配套设施设备33台(套)，农户沼气入户管网及燃气表、燃气灶等1000套。具体设备内容见表2。

表2 仪器设备清单

2.1.5 投资情况

该工程总投资468万元，其中土建112万元，仪器设备及安装341万元，其他费用15万元。建设周期为6个月。

2.2 效益分析

2.2.1 经济效益

工程年均收入132万元，其中燃气收入1.8元·m-3×45万=81万元，沼渣300元·t-1×1700吨=51万元。成本为91万元，不计折旧，盈利41万元。

2.2.2 社会效益

沼气站建成投产后为当地的生态建设、农业循环经济的发展，绿色 GDP 的创造探索出了一种新型的模式，项目建成后生产的有机肥及液态肥促进周边生态农业发展，带动无公害农产品生产，促进就业和农民增收；提供稳定可靠的清洁能源供应，促进国民经济的健康与可持续发展；通过污染治理，改善当地环境卫生条件，减少疾病发生率，创建更加优美的生活环境和良好的投资环境。同时，还解决了秸秆燃烧以及畜禽粪便等农业废弃物污染环境的难题。

2.2.3 生态效益

利用植物秸秆为原料生产沼气，为新农村秸秆的综合利用开辟了新的途径，减少了秸秆焚烧带来的大气污染问题；解决农村秸秆在村头河边任意堆放，风吹日晒雨淋污染水源的现象。通过实施该农业面源污染沼气治理项目，对秸秆和人畜粪便进行无害化处理和资源化利用，杀灭了寄生虫卵和各种有害病菌，村内外环境得到显著改善，优化了农村生产生活环境，提高了农民的生活质量。

该项目建设为新农村提供了高品质的清洁能源，改善了农民的生活质量，是社会主义新农村建设的重要内容。农业面源污染沼气治理项目产生的沼气作为燃料使用，可以减少石化能源的消耗，有利于减少碳排放，缓解温室效应，降低PM2.5。

该项目产生沼液和沼渣又是很好的有机肥料和生产食用菌的原料，可以替代部分化学肥料的使用，减少氮和磷的排放和环境污染，为发展循环经济服务，从而促进了农业的可持续发展[10]。

2.2.4 绩效指标

项目农业废弃物的处理情况：年处理畜禽粪便约4200 t，秸秆约1000 t；沼气供气1000户；年生产沼气45万m3(甲烷平均含量56%)，节约标煤300 t。

2.3 建后运行管理

2.3.1 沼气工程运营管理

项目完成后，日常生产及经营管理由项目建设单位，由经过专业培训的持证人员进行操作管理。市区农村能源部门技术指导和业务监督，并及时提供技术和管理方面的服务。为了加强管理，减少费用，整个项目管理实行统一安排，分工协作。

沼气站日常管理包括[11]：秸秆集中收购、加工及青贮管理；发酵原料上料管理；发酵罐排料管理；输气管理；料液控制管理；温度控制管理；pH值管理；安全消防管理；相关数据记录管理；24小时轮流值班等。

2.3.2 安全生产管理

参照近年来沼气站的安全管理制度，进一步总结经验，不断完善。通过广播、电视、宣传栏等宣传沼气安全的重要性。技术人员入户安装时，要向农户宣讲沼气安全常识，并给每位用户张贴沼气安全使用注意事项。

在目前国家没有日光能温室沼气集中供气标准的情况下，严格按照《规模化畜禽养殖场沼气工程运行、维护及其安全技术规程》和《沼气工程施工操作规程》等标准实施、运营和管理。