太阳能在沼气工程上的应用初探

张秀玲

（侯马市农业综合行政执法队，山西 侯马 043000）

近年来，我国加大了对环境的治理力度，尤其是养殖场通过建设沼气工程对畜禽粪污进行消化处理，既获得清洁燃料——沼气，又得到优质的有机沼肥，同时大大降低了养殖场对周边环境的污染。沼气工程是一举多得，利国利民的好项目。但是，沼气工程在发展中也存在着诸如进料、增温等一系列的技术问题，这些问题如果得不到解决，将严重影响沼气事业的发展。

1 太阳能在沼气工程上应用的发展思路

改革开放40年，我国畜牧养殖业迅速发展，已经成为世界畜牧大国，肉、蛋产量世界第一，为社会提供了大量的肉、蛋、奶等农产品，极大地丰富了人们的“菜篮子”。但是由于畜牧场规模化越来越大，集约化程度越来越高，导致高浓度和高度集中的畜牧粪便污水对环境的污染日益严重。治理污染，改善环境，促进畜牧养殖业可持续发展，已成为新世纪农业环保工作的当务之急。中央“一号文件”提出，实施农业环境突出问题治理总体规划和农业可持续发展规划，落实畜禽规模养殖环境影响评价制度，大力推动农业循环经济发展，为大型沼气建设提供了良好机遇。

厌氧消化器冬季增温是大型沼气工程需要解决的关键所在。有关资料显示，一根家用太阳能管，长1.8 mφ58 mm，其平均功率为70 W。若在一个1 000 m3的厌氧消化器上安装1 000支太阳能管，即相当于70 kW。太阳能增温功率如此强大，我们提出了大胆的设想：将太阳能用在沼气工程中，为厌氧消化器冬季增温，来满足微生物繁殖生存所需的温度。经过反复试验证明，太阳能在沼气工程中的应用是可行的，应用效果也是理想的，完全可以保证沼气工程冬季的正常运行，产气效果良好。使用太阳能增温，不仅大大降低了沼气工程的运行成本，还非常环保，有利于推进蓝天碧水工程的实施，有利于推进畜牧健康养殖工程的建设，有利于构建科学发展、和谐平安、风清气正、富裕秀美的新侯马，是我国沼气事业革命性的发展。

2 太阳能在沼气工程上应用的实践分析

这里以侯马市茂洲牛业大型沼气工程为例，分析太阳能在该工程上成功运用的原理及运用方法。该工程于2015年兴建，2016年4月竣工并投入运行。工程中厌氧消化为USR工艺，有效容程2×1 000m3，近中温发酵（发酵温度32℃～38℃），发酵固体浓度 15%～18%，发酵 pH 值 6.8～7.6，厌氧消化器外部采用聚氨酯发泡加彩钢板进行保温，平均厚度100 mm。厌氧消化器内设加热盘管，以维持发酵需要的中温条件，增温盘管采用PEφ63塑料管，盘管总长度620 m。增温采用58 mm×1.8 m太阳能管共1 000支，其太阳能管与增温盘管各一半，分为两组，每组太阳能管500支，每组增温盘管310 m。

该工程产生的沼气供应附近村300余户农户炊事以及养殖场职工食堂等所用沼气，冬季日均输送沼气约500 m3。沼渣沼液用于养殖场周围66.7hm2农田施肥，既保证了作物质量，又可增产增效。运行4年以来从未停歇，是一座运行效果很好的沼气站。

2.1 得当的保温技术促使了厌氧消化内外温度变化产生较大时间差

我们通过对厌氧消化器的温度变化进行记录（见图1）发现，每年厌氧消化器温度最高为9月份，温度为42℃，温度最低为每年的3月底4月初，也就是清明前后，温度为21.4℃。厌氧消化器温度最低点与外界温度最低点时间相差2.5个月。在最冷的腊月，厌氧消化器中的温度显示为上部30.6℃，下部28.7℃，产生沼气的动力较强。立春后，外界温度逐步上升，而厌氧消化器内部的温度却持续下降，直到清明前后温度下降至21.4℃出现拐点，温度开始回升。此时太阳光照时间变长，阳光烈度变强，太阳能增温效果显著。

2.2 干进料方法为厌氧消化器蕴藏热量

许多沼气工程的进料方式采用污水泵进料，这种进料方式无法输送高固体浓度的原料，最高TS浓度在6%，与获得相同沼气产量的厌氧消化器相比，排放沼渣沼液量多出3倍。在进行排渣的过程中将厌氧消化器中的热量置换掉，使温度迅速下降，当外界温度降低时，输送到厌氧消化器中原料温度也随之下降。尤其到冬季，即使是强增温措施也阻止不了厌氧消化器温度下降。因此，多数该类型的沼气工程在冬季干脆停止运行。不过，让人尴尬的是，到了每年6月份气候炎热，外界最高气温已达到39℃，厌氧消化器内的温度仍在12℃～14℃，依旧不能正常产气。这是因为厌氧消化器外面的保温层将太阳光的热能阻隔在外，厌氧消化器不能及时得到太阳光的热量。运用干进料技术，以平均每日产500 m3沼气为例，每日需输送15%～18%浓度的粪便5 t左右，厌氧消化器内的原料增量为5‰。每月按30 d计算，厌氧消化器的增量为15%，两个月为30%。若事先将厌氧消化器排放出1/3的空间，可在2个月内不排放，保持其原有热量。这正是冬季最寒冷季节厌氧消化器仍保持较高温度的直接原因。

2.3 规范操作，保证沼气站健康运行

侯马市茂洲牛业大型沼气站制定了严格的操作规程，每天记录安全生产工作台账，实行规范的沼气生产操作和科学的管理。该站4年来一直保持健康运行，受到沼气用户的赞扬和有关部门的肯定。

2.3.1 定期进料

沼气站采用气动进料器进料，仅需一人操作即可。该站设专职操作工一名，坚持每3 d进1次料，每次进料10～20 t，保证沼气量满足用户需求。

2.3.2 太阳能增温

无论是炎炎夏日还是寒冷的冬天，只要天气晴朗，沼气站即开启太阳能增温系统，坚持进行太阳能增温。厌氧消化器温度最高升至42℃，为厌氧消化器积蓄热量。

2.3.3 全天24 h待岗

操作员吃住在站内，除其他正常工作之外，要常观测太阳能缓冲水箱是否缺水，及时补充清水，添加除垢剂，排放水垢。补充清水需在无太阳光的情况下进行，操作员要早早上岗为太阳能补水。

3 效益及发展前景

太阳能应用于解决大型沼气工程冬季加温难题，大大有利于沼气工程的成功建设，不仅能有效解决环境污染问题，还可获得可观的经济效益，养殖业主对环保设施的投资热情将会极大大提高，并能得到显著的能源效益和废料效益，减少化肥用量，改善土壤性状，保护自然环境，实现畜牧业环保工作质的飞跃。

该站冬季厌氧发酵器保温依靠太阳能供给，既有效解决了冬季沼气工程用燃煤锅炉加热保温与环境保护之间的矛盾，又减少了燃煤和用工的投入，较同规模的燃煤锅炉冬季加热保温沼气工程每年节约投资10×104元，每年可生产沼气 73×104m3，生产沼渣肥 4 400 t，沼液 1.2×104t，可产生直接经济效益67.21万元；年可处理养殖场牛粪1×104t，减少了污染物的排放，生产的沼气可以用于民生，沼肥可以改善土壤耕性，提高土壤的生物活性，进而提升农作物的产量和品质，经济效益、生态效益、社会效益十分显著，受到了沼气工程企业和用户的广泛好评。

科学设计和操作人员的严谨操作保证了该站4年无停歇的优良业绩，尤其是太阳能增温技术的运用，为沼气事业开拓出了一条可持续发展的新路径。