天津市農村沼氣利用現狀及發展對策

劉 健， 楊 磊， 彭錦星， 靳登超， 劉新媛

(天津農學院工程技術學院，天津 300384)

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天津市農村沼氣利用現狀及發展對策

劉 健， 楊 磊*， 彭錦星， 靳登超， 劉新媛

(天津農學院工程技術學院，天津 300384)

生物質能源的開發利用，對于建設社會主義新農村、構建資源節約型和環境友好型社會、實現農業的可持續發展具有重要現實意義。從天津市農村沼氣主要生物質資源類型、分布、利用現狀出發，分析了目前天津市農村沼氣生物質資源的現狀與開發利用情況，并剖析了目前存在的問題，最后結合現代都市型農業的發展，提出了今后天津市農村生物質能源發展的對策與建議。

沼氣；生物質能；轉化利用；發展趨勢

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

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

1 天津市農村沼氣生物質能利用模式

我國的沼氣使用主要還是以農村戶用沼氣為主，工農業沼氣工程的沼氣產量僅占沼氣總量的13.33%[2]。深度發展農村戶用沼氣，實施“一池三改”(建沼氣池、改廚房、改廁所、改畜禽圈舍)的生物循環利用工程，是國家發改委和農業部聯合推廣的國債沼氣項目，這是關乎于天津市民生改善、農村環境優化、提高農民生活質量的一項重要的惠民工程[3]。天津市農村沼氣建設起步較早，與全國的發展歷程相似。先后經歷了20世紀80年代為解決農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、生態與農民增收等的3個發展階段。近年來，各地在國家和地方相繼大力發展農村戶用沼氣的大背景下建設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。天津市啟動了生態家園富民行動計劃，著力為全市農村興建“三位一體”、“四位一體”和小型畜禽養殖沼氣池，主要分布在天津市80個鄉鎮的426個自然村。目前，天津市擁有戶用沼氣池33 900戶，年產沼氣量達到1 161.95萬m3[5]。以寶坻區為例，僅2014年使用新沼氣的農戶已達到8 400戶，占農村總戶數的5.6%。

1.2 畜禽養殖場沼氣工程 蓄禽養殖廠沼氣工程是一項以開發利用養殖場糞污為對象，以獲取能源和治理環境污染為目的，實現農業生態良性循環的農村能源技術工程。它以養殖場糞污為對象，以服務周邊農戶為發展目標，主要用于農村居民炊事。目前，天津市有寧河原種豬場大型沼氣工程等8處大型畜禽養殖沼氣工程，年產沼氣量1 729 800 m3；此外，還有中型畜禽養殖沼氣工程140余處，年產沼氣5 712 100 m3；小型畜禽養殖沼氣工程40余處，年產沼氣700 800 m3[6]。

由于養殖戶和當地村民的利益、沼氣收費等問題，再加上養殖場一般離村莊尚有一段距離，管網建設尚需大額投資，因此目前天津的養殖場制沼氣只是自用(如燒熱水)，一般不供民用，大多數養殖場制沼氣的規模也較小。

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勢在于以村落為單元，各單位規模小則數十戶，多則數百戶。通過設置集中供氣站，鋪設管網系統，將燃氣輸送分配至農戶家中，解決農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酵可以產生沼氣。但是，由于秸稈的木質纖維素比重大且流動性差、進出料困難、發酵速度慢、產氣不穩定、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展。目前，天津市建有秸稈沼氣集中供氣工程2處，供氣戶數600萬戶，年產沼氣324 000 m3。例如，靜海縣四黨口村建成的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 秸稈氣化生物質燃氣 秸稈氣化是指農業生產中產生的稻稈、玉米稈、油菜稈等秸稈在缺氧狀態下通過熱化學反應，將秸稈中的碳轉化成可燃氣體的過程。目前天津市應用最多的、技術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。天津現有秸稈氣化集中供氣工程55處，供氣戶數23 100戶，年產秸稈氣化生物質燃氣42 147 500 m3。例如，寧河縣寧河鎮后邦村建秸稈燃氣站1座，設備采用低焦油高燃值秸稈氣化爐900 m3設備1套，全村日生活用氣量為1 500 m3，每天運行2 h，保證全村農民生活用氣需要。

2 天津市農村沼氣資源量及利用現狀

2.1 農作物秸稈量 為準確評估天津市秸稈資源，根據農業部提供的秸稈資源評價體系，對天津市5種主要農作物玉米、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 天津市秸稈資源結構Fig.2 The structure of straw resources in Tianjin

調查結果表明，按近3年平均播種面積及作物產量測算，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，畜禽養殖業向規模化發展，畜禽養殖業的糞便污水以及人類生活垃圾都是頗具開發潛力的生物質能源，為沼氣技術發展奠定了雄厚的原料基礎。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、奶牛數量穩中有升，其存欄量分別達到1 800萬只和20萬頭；肉類總產量91萬t、蛋類產量27萬t、奶類產量75萬t，比“十五”期末分別增長40%、17.4%、19%；畜牧業產值占農業總產值比重由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%的農作物秸稈被廢棄或焚燒；利用畜禽糞便產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，農村居民每年因采暖熱水、炊事等消耗大量的常規能源。因此，沼氣生物質能源具有較大的發展空間。

3 天津市農村沼氣工程推廣的影響因素

3.1 農民對沼氣生物質能的發展意義認識不夠 目前，開發利用生物質能對經濟可持續發展的重要意義尚未引起全社會的重視，社會各界對開發生物質能源的必要性、重要性認識不足。以農村戶用沼氣建設為例，全市發展不平衡，部分區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，因為與傳統能源的開發利用相比，生物質能這一高新技術產業，開發利用的不確定因素多，前期投入高，所以發展生物質能的信心不足。此外，發放光盤和技術資料仍然是目前沼氣利用的主要技術培訓手段，但是當前農村人員結構變化，低文化水平的留守農民比重高，不具備使用網絡的條件或不會使用，看不懂資料甚至不愿意看書本知識，沒有從本質上調動起農民參與開發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、技術難以推廣、生活習慣等因素，沼氣、沼液和沼渣的綜合利用率低并且短時間內難以提高，因而不能完全體現它的綜合效益，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戶，沼液沼渣可用于農地肥料的認識尚未得到大面積的深度普及，農戶對沼氣的認識還停留在只能節能做飯，遑論對“三位或四位一體”綜合利用技術的了解。在已建成的沼氣工程中，大量工程不僅缺乏足夠的設施存儲沼渣和沼液，而且沒有輸送管網或輸送設備。這些都反映了現有的沼氣工程不能與生態農業、循環農業相結合，當前的沼氣工程仍停留在用于生活燃料及照明。

3.3 后續管理和服務問題 服務體系欠缺，綜合效益很難得到發揮。以農村戶用沼氣建設為例，要使其正常運行并且產生效益必須完善現有的服務體系，截至2010年底，全市已建鄉村沼氣服務網點78處，按現有農村戶用沼氣數量，雖符合農業部提出的350～500沼氣用戶設置1個服務網點的要求，但仍存在人員少、設備、經費不足等問題，區縣級服務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，直接導致沼氣池不再產出沼氣，進而致使大量沼氣池及相關設備被閑置；另一方面，因為對沼氣池和相關設備的維護缺少基本的技術指導，已建成的沼氣池使用效果不佳甚至是存在安全隱患。在已建成的服務網點中普遍存在人員不足、團隊不穩定、服務能力不強等問題，致使沼氣項目在建成后服務不到位，不能及時排除故障，使得沼氣正常使用率偏低難以產生效益[10]。

4 天津市農村沼氣工程推廣的建議

4.1 優化發展模式結構

4.1.1 推廣“一池三改”、“四位一體”的戶用模式。“一池三改”、“四位一體”是一種將沼氣池與改畜禽舍、改廚、改廁相結合的一種效益顯著的生產模式，這種生態的能源模式能夠有效的利用農村能源，進而實現“一氣(沼氣)”帶“三料(燃料、飼料、肥料)”，“三料”促“四業(農、林、牧、漁)”，“四業”出“三效(生態效益、社會效益、經濟效益)”的目標[11]。“四位一體”的生態模式，就是在“一池三改”的基礎上建設日光溫室，構成“日光溫室、暖圈舍、沼氣池、廁所”這種“四位一體”模式，實現種養結合，優勢互補的目的。蔬菜塑料大棚內也可建設沼氣池，這種循環生產的優勢在于：大棚為暖圈舍、菜園、沼氣池創建良好的環境條件，禽畜糞便入池后發酵產生沼氣，凈化豬舍環境，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，當冬季大棚內溫度為10～30 ℃時，即可保證沼氣越冬產氣，為大棚蔬菜生產提供更多資源。

4.1.2 加大對養殖場秸稈沼氣和大中型沼氣項目的支持。進一步深度優化沼氣相關產業發展結構，從而提高大中型沼氣對農戶的供氣率及沼液沼渣的利用率。對于規模化養殖地區，不適合小型沼氣池的發展，要因地制宜，多戶聯建或者規模建設沼氣池，建立相對集中、適度規模的模式。根據養殖業的發展趨勢和農民生產生活方式的改變，在繼續支持戶用和聯戶沼氣池建設的基礎上，進一步加大對養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、用氣雙方的關系，從而提高大中型沼氣項目的產氣率、對農戶的供氣率以及沼液、沼渣在農業生產中的利用率，最后解決畜牧養殖小區、規模養殖場利用沼氣工程所產生的一系列問題。

4.2 建立農村沼氣管理專家系統 農村沼氣運行管理專家系統是應用人工智能技術，采用系統化工程的指導思想，根據沼氣專家所總結的沼氣工程日常運行管理、故障診斷、更新等技術和經驗加以整理、總結從而形成規則，通過編寫軟件的方式予以實現，最后總結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。上述系統將天津市高校、研究機構、企事業單位的沼氣工程專家們的專業知識、科研成果、實踐經驗、實際工程案例與計算機技術相結合并建立一個智能化的綜合性系統。這既可以在農村沼氣綜合利用過程中為用戶提供工程技術指導、管理和咨詢服務,又可以作為沼氣綜合利用工程知識的普及和教學的多媒體教材。在應用該專家系統的過程中，及時對知識庫進行擴充，從而增強系統的實用性，最后讓沼氣工程專家系統發揮它應有的效用。

4.3 積極發揮政府引導和服務功能

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

4.3.2 幫助農民創立品牌。將生態農業建設和農村沼氣工程相關聯。在生態農業的建設中，政府應發揮積極的引導和服務功能，在以家庭為生產單位的沼氣生態農業模式中，依靠一家一戶是不可能在市場中創立品牌的[12]。政府應當積極主動地幫助分散農戶應對市場的變化，包括為農戶進行無公害農副產品的鑒定以及檢測提供相應的幫助，為農戶尋求無公害農副產品的銷售市場，使得無公害農產品的價值能夠得到市場的普遍認可，從而創立品牌，進而使沼氣與更多產業掛鉤，并得到廣泛應用。

5 小結

天津市農村沼氣生物質能資源豐富，發展農村沼氣生物質能不僅能夠有效緩解農村能源矛盾問題，而且有利于改善農村環境衛生，減少有毒有害氣體的排放，保護農村水土、大氣環境，同時具有擴展農業環境的功能，增加農民收入，進一步加快建設美麗鄉村、生態文明制度、“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

天津市農委調查研究項目(TJNWY2014005)；大學生創新創業項目(201510061121)。

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

2016-09-14

S 216.4

A

0517-6611(2016)33-0054-03