沼氣工程對環境的影響因素及應對措施

摘要闡述了沼氣工程影響環境的主要因素，分析了沼氣工程影響環境的原因，最后從完善沼液儲存裝置建設、加強沼肥利用技術研究、增加沼液后處理技術及加強沼氣工程監管幾方面提出了應對措施。

關鍵詞沼氣工程；環境影響；智能監測系統；技術途徑

中圖分類號S210.3文獻標識碼

A文章編號0517-6611（2017）08-0061-03

Influence Factors and Countermeasures of Biogas Project on Environment

LIU Xiangdong（Rural Cooperative Economy and Energy Environmental Protection Station of Luoyang City，Luoyang，Henan 471000）

AbstractThe main factors that affect the environment of biogas engineering were discussed，the reasons for the environmental impact of biogas engineering were analyzed，the response measures were put forward from the aspects of perfecting the construction of biogas slurry storage device，speeding up the use of biogas technology research，increasing biogas slurry postprocessing technology，strengthening supervision biogas engineering.

Key wordsBiogas project；Environmental impact；Intelligent monitoring system；Technical way

隨著我國農村沼氣建設的轉型升級，我國農村沼氣建設將由農村戶用沼氣建設、村級沼氣服務網點建設、沼氣工程建設的模式轉變為以沼氣工程建設為主的發展模式[1]。沼氣工程建設不僅能解決規模化畜禽養殖場糞便問題、各類秸稈荒廢造成的環境污染問題，同時能實現秸稈、糞便的能源化轉變，沼氣工程發酵后產生的沼液、沼渣還可以作為肥料進行還田技術等綜合利用，對于提高土壤有機質含量、農作物增產和農業生態環境建設也將發揮積極的作用。在關注沼氣工程對環境正面影響的同時，還應認識到沼氣工程是一個復雜的生物發酵過程，沼液、沼渣中富含有機質和氮、磷、鉀等營養元素，同時還富集有各類重金屬。而人們大多將沼液作為肥料直接用于農業生產，因此，

應該認清沼氣工程對環境的負面影響。筆者從沼氣工程各工藝環節分析了沼氣及沼液儲存及使用過程對環境、土壤、農作物安全可能產生的影響，并提出了應對措施，以期為今后科學、合理利用沼氣，減輕其對環境的污染提供借鑒。

1沼氣工程影響環境的主要因素

1.1沼氣排空沼氣的成分主要為CH4和CO2，CH4燃燒不會產生SO2、NxOy等有害物質，因此被認為是清潔能源。CH4和CO2是影響大氣溫室效應的主要有害物質，等質量CH4的增溫潛力值（GWP）是CO2的21倍。大中型沼氣工程對溫室氣體減排的影響主要表現在2個方面：一是沼氣可作為燃料用于發電、供熱或居民炊事用能，替代煤炭、薪柴和秸稈，減少CO2排放；二是禽畜糞便和有機廢水等經過厭氧處理，可避免CH4直接向大氣排放。因此，沼氣工程在應用中應堅決不允許出現“沼氣排空”的現象。但是由于我國大型沼氣工程建設受到建設資金、建設工藝、沼氣使用途徑等因素的制約，加上沼氣工程的建設單位多為養殖場主，沼氣工程在日常運營中出現多余沼氣沒有儲存和使用時，他們在沼氣工程建設和使用過程中多為自身企業利益和保護沼氣工程設備正常運行角度出發，就可能會出現“沼氣排空”的現象。

1.2原料預處理引起的污染沼氣工程發酵原料在預處理過程中大多是露天存放，作物秸稈一般都是在還未充分晾干之前已被收集完成，在儲存過程中遇到降雨或外部其他水分的侵入都將引起秸稈的腐爛降解，生成的CO2和CH4等氣體直接釋放到周圍環境中，造成溫室氣體的排放。畜禽糞便在運輸、調配等預處理中都是在露天環境下進行的，空氣中散發有惡臭的味道，同時預處理過程中自然發酵產生的CO2和CH4等氣體直接釋放到周圍環境中。

1.3沼液露天儲存由于當前大中型沼氣工程的建設模式主要為能源型生態型和能源環境型，目前我國沼氣建設業主多為規模養殖場，受到建設資金等因素的制約，大型沼氣工程建設模式多為能源生態型。建設中對沼液的處理設計都是作為液體肥料和灌溉使用，沼液的儲存一般都是露天設計。由于沼液中殘存的有機質在厭氧、好氧的共同作用下轉化生成CH4、CO2、NH3、H2S、NOx 而直接釋放到周圍環境中，造成周圍的大氣污染。

1.4沼液直接施用引起的衛生問題目前，我國沼氣工程的沼液雖然已經過厭氧發酵，大量的病菌、蟲卵、雜草種子死亡，但是受發酵原料、發酵溫度等因素的影響，沼液中仍含有有害物質。根據國家農田灌溉水質標準要求，農田灌溉用水水質基本控制項目按照大腸桿菌含量≤400 000個/mL、蛔蟲卵數≤2 個/L的標準值進行對照分析[2]，主要超標項目是大腸桿菌。聶瑩等[3]對江蘇18 家正在運行的沼氣工程進出料液進行了抽樣分析，結果表明，18 個沼氣工程進料中，糞大腸菌群數均在1×106～1×109 CFU/L，遠遠高于農田灌溉水質標準。如果沼液未經任何處理直接用于農業生產，生產的農產品質量堪憂。

1.5抗生素超標以畜禽糞便為發酵原料的沼氣工程，由于畜禽在養殖過程中需要大量使用抗生素進行各種疾病的預防，以畜禽糞便為發酵原料的沼氣工程的沼液中都普遍含有大量抗生素。葉小梅等[4]對湖南長沙的養豬場沼氣工程開展了調查，結果表明，沼氣工程沼液中主要存在3種抗生素，且含量普遍偏高，土霉素0.083 47 mg/mL、四環素0.049 07 mg/mL、金霉素0.042 99 mg/mL。這種沼液如果長期直接施用于農田，農田生產的農產品存在安全隱患。

1.6重金屬超標引起的食品安全問題沼液作為養殖廢水厭氧發酵副產物，其重金屬含量不容小覷。以畜禽糞便為發酵原料的沼氣工程的沼液，使用的畜禽糞便中Cu、Zn 含量常常超標。鐘攀等[5]對重慶市3個地區11個沼液樣品的研究表明，所有樣品中As的總超標率達到60%，超標現象嚴重，是沼液中主要重金屬污染物，Cr、Hg、Cd次之，不存在Pb超標現象。張繼方等[6]研究表明，Pb、As、Cu和Zn是北京地區豬糞沼液中含量最高的4種重金屬。研究表明，長期施用沼肥的土壤重金屬殘留現象總體并不明顯，但Cu、Zn含量明顯增加，造成土壤Cu、Zn的積累，為作物帶來潛在危害，同時農產品的質量安全也受到威脅。朱泉雯[7]研究表明，沼液中Cu、Zn、As含量分別為3.37、34.49、0.36 mg/L，均嚴重超標，沼渣中Cu、Zn、Pb、Cd和Ni，分別達到1 348.20、10 525.03、1 254.45、57.36、10 49.99 mg/kg，均嚴重超標，沼肥均不能直接施用農田。據測算，1個萬頭豬場連續使用高Cu日糧，每年可向豬場周邊土壤排放約2 t的Cu，導致土壤中Cu嚴重富集[6]。日本土壤肥料學會報道，如果把日本養豬業所產生的豬糞全部施用到土壤中，土壤中Cu含量將在23年內超過80.00 mg/kg的限量標準。

1.7對土壤的結構及肥力的影響當前我國土壤肥力的基本特征是“缺鉀、少磷、富氮”。沼氣發酵在一定程度上可以將秸稈、糞便中的磷、鉀回用，彌補土壤磷、鉀缺失的問題，長期大量使用沼液作為灌溉用水及有機肥料會造成土壤部分養分供應不均衡，導致氮剩余。在作物生長緩慢的季節，施用沼液處理的土壤氮、磷養分盈余，表層土壤出現磷累積，并且出現氮淋洗損失等環境問題。

1.8引起地下水質惡化適量使用沼液作為有機肥可有效促進作物增產，但大量試驗表明，當大量沼液直接施用土壤后，大量的氮通過滲透液進入周圍環境，其中相當一部分以硝態氮形式滲透到地下水中，造成地下水質污染。

2原因分析

2.1缺少必要衛生處理技術裝置和消毒措施

歐洲的沼氣工程技術較為先進，如德國、丹麥、澳大利亞、瑞典等國家，尤其是德國的沼氣工程機械化程度很高。歐盟國家十分重視沼肥的安全利用和生態衛生研究，如德國對沼肥的安全利用有嚴格的管理規定，沼氣發酵處理后的殘余物—— 沼肥必須在70 ℃下處理1 h才可作為肥料使用。為了環境衛生和肥效的充分利用，制度規定秋季以后不得將沼肥施于農田，必須貯存6個月后才能使用。如果沼肥要做飼料利用，必須在90 ℃下處理1 h；如果要達到處理瘋牛病菌（BSE）的效果，則需要更高的溫度、更高的壓力和更長的時間。丹麥等國家能源和環境部規定了農場沼氣裝置的最短滯留時間（MGRT），要求高溫（>52 ℃）水力停留時間（HRT）至少7 d，中溫（20～52 ℃）HRT至少14 d，在對沼液后處理中，還包括巴氏滅菌高溫消毒過程，以防止處理過程中病菌傳播[8]。與這些國家相比，我國的沼肥安全利用目前尚處于起步階段，沼肥利用的研究仍以提高農作物產量為主，對沼肥的安全利用還沒有法規性的文件和管理制度。目前我國沼氣工程發酵裝置多數為中常溫度發酵，HRT一般較短（數小時到數天），缺少必要衛生處理技術裝置和消毒措施，尚不足以有效殺滅有害病菌和寄生蟲卵。嚴格上講，目前我國多數農場沼氣工程發酵后出水很難達到《畜禽養殖業污染物排放標準GB 18596—2001》衛生要求。

2.2發酵原料中抗生素、重金屬超標

我國沼氣工程沼液中抗生素、重金屬超標的主要原因是沼氣工程的發酵原料中這2類物質超標[9]。規模化養殖畜禽糞便中的抗生素、重金屬超標是沼液中超標的主要因素；秸稈原料中重金屬超標主要與農作物生長過程中農藥使用、土壤遷移及添加畜禽糞便等因素有關。隨著集約化、規模化養殖業的迅速發展，一些重金屬元素如Cu、Zn、As等被廣泛應用于飼料添加劑，微量元素作為酶的必需組分和激活劑，是維持動物生命活動和生長發育的重要營養物質，它在保證動物體健康生長和高效生產方面起著重要作用。一是飼料中過量添加Cu、Zn、As、Cr等微量元素；二是微量元素在動物體內生物效價很低，在畜禽糞便中，Cu和Zn的直接排泄量占總量的95%以上，只有微量排放到尿中。豬糞中Cu、Zn、Mn、Ni的平均含量均較高，其中Cu、Zn最為明顯，雞糞中Cr的平均含量較高，而牛糞中各重金屬含量低于其他糞便[10-11]。

2.3沼氣工程管理和維護不當

一是由于沼氣工程產氣率受發酵溫度的影響，大多數沼氣工程產氣不穩定，普遍表現為產氣率在夏季高、冬季低。在夏季高溫季節，由于產氣率的提高，許多沼氣工程在正常的沼氣利用情況下，往往會造成大量沼氣剩余，沼氣工程企業沒有辦法利用多余的沼氣，出于保護沼氣工程安全的需要，部分沼氣工程就會出現偷偷進行CH4排空的違規行為。二是缺乏有效的監管措施，難以及時判斷、發現沼氣工程出現“沼氣排空”的違規行為，更難以對這種違規行為進行處罰。三是當沼氣工程發酵裝置出現故障無法正常進行，由于配套維護設施不完備，造成CH4直接排放到空氣中。

2.4沼液安全使用技術不成熟

沼液還田利用具有處理量大、成本低以及對氮、磷去除效果好等優點，是目前我國普遍認為最易實施、有效的沼液處理方式。目前，我國沼液安全利用的研究往往以提高產量為主，對沼液的安全使用缺乏法規性的文件或管理制度，對管理、施用數量、施用性質還很模糊。主要表現為：①目前我國農作物種植結構仍以適應自然氣候條件的農業生產模式為主，復種指數較小的農業種植額外用水主要集中在春季和初秋季，由此造成沼氣工程冬季大量發酵液的剩余。對于沼液季節性過剩問題，一般做法是在田間建1座儲肥池，平時把沼肥積存在儲肥池內備用。沼液季節性過剩不僅給農民造成了沼肥肥效的損失，還造成了經濟上的損失。這樣使礦質的氮更容易滲漏到土壤中進入到地下水中，氨氣的揮發也可能造成生物的富營養化，從而對敏感的環境造成土壤酸化作用。在考慮占地和建設成本的情況下，儲液池建設容積受到限制，在冬季農田用水量減少的情況下一部分沼液不得不直接排放，由此造成地表徑流的富營養化，形成了水體污染源。②沼液在運輸、儲存過程中由于各種設施的不完善，易形成沼液直接排放和沼液中殘存的有機質在厭氧、好氧的共同作用下轉化生成CH4、CO2、NH3、H2S、NOx而直接釋放到周圍環境中，引起二次污染環境。③沼液施灌所引起的氨揮發和溫室氣體排放也是值得關注的問題。

3應對措施

3.1完善沼液儲存裝置建設

沼液儲存裝置目前主要有露天的敞口池型和半封閉的罐型2種形式，由于建設資金有限，前者在我國沼氣工程中多為常見，但其自然儲存過程中由于沼液中有機質的降解必然伴隨著有害氣體的釋放，仍存在一定的環境污染。而歐美發達國家由于對空氣質量有較為嚴格的限制，為減少沼液儲存過程氣體揮發對空氣質量的影響，其沼氣工程的儲液裝置一般設計為半封閉式儲液罐，且多數儲液罐直接建設于農場，從發酵罐中排出的沼液通過密封罐車運送至儲液罐，其一方面可以方便沼液使用，另一方面通過沼液的分散處理，避免了有害氣體在一個地點的高濃度富集。

3.2增加沼液后處理技術由于沼氣工程沼液的用途多以資源化利用為目的，主要用于農田的灌溉、制作水溶性肥料和濃縮性肥料。完善沼液后處理技術是保障沼液衛生安全及開展沼液綜合利用的前提。沼液衛生殺菌方法大致分為2類[8]：一類為加熱處理，另一類為非加熱處理。傳統的高溫滅菌方法能耗較大、處理時間長，在糞便處理中使用該方法殺菌，需要增加設備，費用也較高。近年來，學者多致力于非加熱滅菌方法的研究，并取得了一定進展，常見方法主要有紫外線—C、氯氣、臭氧和電脈沖法。在沼氣工程沼液沼渣的后處理技術規范（NY/T 2374—2013）中分別對沼液用于農田的灌溉、制作水溶性肥料和濃縮性肥料的后處理技術作出了相應的規定，重點強調了要對沼液進行消毒處理，消毒主要采用臭氧消毒和紫外線消毒2種方法。

3.3加強沼氣工程監管措施

目前我國對沼氣建設的監管還僅限于工程建設階段的監管，采取的各種措施也是多用于監管沼氣工程建設單位按照工程的設計目標、建設期限、建設投資等各種批復目標完成建設任務，未對于沼氣工程的日常運營和其他方面進行監管，缺乏對沼氣應用情況進行全面監管的能力，不能及時發現沼氣工程出現“沼氣排空”的行為。今后在沼氣工程建設方面要增設沼氣工程智能監控系統，每個建設的沼氣工程都要安裝這類智能監控系統，監控終端設備可以設置在環境監測部門，監測部門可以在辦公室通過終端系統全面監管沼氣工程運行情況，可以及時發現沼氣工程每天的沼氣產氣量、沼氣的使用量和沼氣的用途，一旦出現“沼氣排空”的現象，監管部門可以根據相應的法律、法規對企業進行處罰，這樣可從制度上防止沼氣工程隨意排空沼氣行為的發生。

3.4加快沼肥利用技術研究

加快沼肥利用技術研究，科學施用沼肥，減少不當施用造成的環境污染。一是選用科學的施用方法，推廣配方施肥、按需施肥、按季節施肥是提高沼肥肥效及減少沼肥施用對環境影響的重要措施。不同地區的土壤性質、降雨特性不同，土壤中肥料成分也不盡相同，對于不同的土壤應根據土壤中肥料組分構成確定沼肥的施用量，過少施用沼肥則難以滿足作物生長的影響需要，過多則易引起地下水、地表水的污染。同時，農作物不同的生長周期對營養成分的需求也不相同，沼氣施用應選擇在作物的適宜生長期，以提高作物對肥料的吸收利用率。二是加強沼液增值產品開發，拓展沼液的用途。目前對沼液使用形式的單一性是造成沼液大量儲存和剩余的根本問題，加大沼液的增值產品開發可提供沼液的利用途徑，從根源上解決沼液富余和過量施用所造成的環境污染。以沼液為原料經濃縮、凈化處理制取富含氮、磷、鉀營養元素的緩釋肥和沼液提純后制取植物抗病殺蟲劑是目前沼液增值利用的典型代表[12]。利用沼液作為營養物質進行高能飼料和生物蛋白生產也是沼液增值利用的重要形式。三是加大對重金屬污染防治研究。目前重金屬去除技術主要包括離子交換、電化學、氯化、化學瀝浸、生物瀝浸[8]等。重金屬去除技術不可避免地存在一定缺陷，如離子交換樹脂粒徑小，易導致污泥與小球難于分離等問題，電化學方法處理經濟成本較高，氯化處理法溶解重金屬存在溶解效率低、成本高、操作繁瑣及可能生成毒性氯代有機物等問題，而化學瀝浸中無機酸成本高，對受納土壤和水體易帶來負面影響，不適于實際應用，有機酸的酸性一般較弱，僅能去除部分絡合性較強的重金屬，對于絡合性較差的重金屬則難以去除。四是推廣沼液沼渣堆肥處理技術[13]。堆肥是當前固體廢棄物中重金屬污染控制的主要技術，其主要機理是利用畜禽廢棄物有機物形態變化絡合固定重金屬，使堆肥物料中重金屬的活性被鈍化，生物有效性降低，是實現廢棄物減量化、無害化和資源化利用最便捷、最經濟有效的方式。

4結語

沼氣工程發酵過程及發酵產物對環境的危害是客觀存在的，主要表現為沼氣的排空、沼液排放和大量使用造成的湖泊河流富營養化、土壤和地下水污染等環境問題，以及沼液儲存及使用過程中有害氣體的釋放。重金屬嚴重超標的沼液、沼渣不能直接使用于農田，長期施用會造成表層土壤的重金屬累積。改善和配套沼液儲存設施，減少有害氣體排放，合理施用沼肥，建設沼氣智能系統是減少沼氣工程危害環境的主要技術途徑。沼液施用前的預處理技術以及農閑季節大量沼液的消納問題將成為我國今后沼氣利用研究的重要方向。

45卷8期劉向東沼氣工程對環境的影響因素及應對措施

參考文獻

[1]

農業部生態總站.2015年農村沼氣工程轉型升級工作方案[EB/OL].（2015-04-14）[2017-01-11]http：//www.zgswn.com/gnxw/961.htm.

[2] 農業部環境保護科研監測所.農田灌溉水質標準：GB 5084—2005[S].北京：中國標準出版社，2005.