规模化沼气工程发展现状及对策-以洛阳市新安县烂柯山秸秆沼气工程为例

尹冬雪， 刘小党

（1. 河南科技大学农业装备工程学院，河南 洛阳 471003；2. 洛阳市新安县烂柯山农业种植专业合作社，河南 洛阳 471800）

0 引言

乡村振兴战略是新时期解决农业、农村、农民问题的行动指南。生态宜居是乡村振兴的关键抓手。改善农村人居环境，综合治理农村生产、生活垃圾对生态宜居至关重要。《全国农村沼气发展“十三五”规划》中指出，沼气工程是控制农村生产垃圾和农村有机废弃物面源污染的有效途径之一，它能够利用农业废弃物（作物秸秆秧茎、果蔬残余）和人畜粪污生产清洁能源沼气的同时提供大量的沼肥[1-2]。沼气工程上联养殖业，下联种植业，是促进生态循环农业发展的重要举措，不仅有利于推动农业生产方式转变，而且也能有效促进农村人居环境改善。但是目前沼气工程也面临着投资巨大、原料收储运成本高、沼液沼渣难消纳、沼气工程终端产品商品化开发不足等瓶颈[3-5]。沼气产业亟待向综合利用、效益拉动、科技支撑的方向转型升级，形成以沼气工程为纽带的种养循环发展模式，推进沼气工程在乡村振兴建设中发挥更大的产业支撑作用，有效推动农村经济社会发展[6-7]。

乡村振兴背景下，农村农作物秸秆和畜禽粪污的无害化处理与资源化利用显得尤为重要，而沼气工程是实现农作物秸秆和畜禽粪污无害化处理与资源化利用的重要途径[8]。农作物秸秆和畜禽粪污的无害化处理与资源化利用会对沼气工程所在地及其周边村庄的人居环境整治与提升有直接促进作用。因此，本研究以洛阳市烂柯山农业种植专业合作社的规模化沼气工程（以下简称烂柯山沼气工程）为研究对象，通过文献资料分析和实地调查估算出农作物秸秆资源量、畜禽粪便资源量，以及沼气、沼肥、有机肥年产量，并进行经济效益分析，明晰沼气工程存在的共性问题，提出更优化的沼气工程运行模式与沼气产业发展建议，以期为洛阳市沼气产业健康可持续发展及相关部门的决策提供理论依据。

1 烂柯山种植专业合作社基本情况

烂柯山种植专业合作社成立于2014 年12 月，坐落于河南省洛阳市新安县铁门镇刘河村。烂柯山种植专业合作社将种植业、养殖业、沼气工程结合在一起，是以秸秆、畜禽粪便为发酵原料的沼气工程循环体系，建立了循环利用的经济发展模式。这种模式能够将废弃物污染降到最低，实现畜牧业的可持续发展。目前合作社也通过种植无公害有机产品，提升经济效益，实现经济效益的最大化，致力于保护农村生态环境，推动农村经济发展方式转变。烂柯山种植专业合作社已建成1 500 m3大型秸秆沼气工程，发酵原料以小麦、玉米秸秆和猪粪为主，能够处理周边5 个村的农业有机废弃物。截至2021 年，已有196 户入社，流转土地面积约318.7 hm2（4 780 亩），帮助脱贫150 余户，在脱贫攻坚与乡村振兴中做出了积极贡献。

2 研究方法

2.1 调查方法与关键数据来源

采用文献资料查阅、实地走访调查及问卷调查相结合的方法，研究烂柯山沼气工程规模、原料来源、原料类型、设备类型、农作物种植面积、沼气年产量、有机肥年产量、沼肥年产量、沼气入户情况、沼肥利用情况、运行模式和效益等关键指标数据。

2.2 关键指标的计算

2.2.1 农作物秸秆资源量

农作物秸秆资源量主要通过草谷比系数估算得出。草谷比系数是指农作物地上茎秆产量与作物经济产量之比，即有经济价值的农作物主要产品的产量，它是经验常数[9]。本研究参考前人报道的草谷比系数对烂柯山沼气工程农作物秸秆资源量进行估算（小麦草谷比系数为1.1；玉米草谷比系数为1.5）[9-12]。

农作物秸秆资源量的计算公式为

2.2.2 畜禽粪便资源量估算方法

畜禽粪便是养殖业的废弃物，但也是一种清洁的可再生的生物质资源。畜禽粪便排泄量与畜禽的种类、品种、生长期、性别、生理状态、饲料种类和饲养方式等有关。烂柯山合作社猪粪年产量根据在喂养周期中排出的粪便量、畜禽存栏数量和畜禽出栏数量估算[13-14]。其中，猪粪的排泄系数为2.0 kg/（d•头），存栏猪的饲养周期按全年365 d 计算，出栏饲养周期按照200 d 计算，则猪粪年产量为

3 结果与分析

3.1 发酵原料及来源

3.1.1 农作物秸秆

农作物秸秆主要来源于种植的小麦和玉米，以及周边村庄收购。目前，烂柯山农业种植专业合作社入社土地318.7 hm2（4 780 亩），主要种植玉米和小麦。根据式（1），2021 年合作社小麦和玉米秸秆总产量约为7 700 t。沼气发酵过程中产气率的高低与原料类型密切相关，由于玉米秸秆与小麦秸秆的物质组成结构不一样（如纤维素、碳氮比等），在发酵过程中应考虑混合原料发酵以提高产气率[15-20]。

3.1.2 畜禽粪便

烂柯山农业种植专业合作社沼气工程，除使用作物秸秆外，主要添加猪粪原料。合作社的养猪场2021 年末出栏数10 177 头，存栏数5 060 头，根据式（2）可估算出烂柯山农业种植合作社一年可产出7 764 t 粪便。值得注意的是，发酵后的猪粪沼液沼渣在还田利用时要避免其对农田的潜在污染风险[21-27]。

3.2 运行模式

烂柯山农业种植合作社沼气工程是“企业建管、商业化运营”的模式，由政府、企业共同投资建设，由企业独立管理经营，政府给予企业适当的运维财政补贴，企业自负盈亏。通过农作物产生的秸秆，以及生猪养殖为沼气工程提供发酵原料。2021 年，该合作社年产沼气25 万m3，年处理作物秸秆约4 000 t，年产沼渣、沼肥约3 万t。这些沼渣沼液能够解决周边地区133.3 hm2（2 000 亩）的化肥使用问题，极大程度地降低了农业生产成本，并利用沼液有机肥种植生产加工绿色食品，如合作社种植的辣椒、赤松茸、杂粮等。该合作社通过沼气工程将种植业、养殖业联系起来，有效实现了农业农村废弃物（主要是农业秸秆和畜禽粪污）的资源化利用与无害化处理，农村废弃物得到资源化利用的同时，还承担了周围5 个村的旱厕粪污处理，人居环境得到了整治与提升，获得了经济、社会、生态多重效益。

4 存在的问题与建议

4.1 存在的问题

（1）沼气产量不稳定。夏季是沼气工程的产气高峰时段，气量充足、气压相对稳定，在七、八月时甚至会出现沼气过剩。但是随着季节的变化，秋冬季节气温降低导致沼气工程的产气量显著下降，这也导致沼气入户的气压不稳定，尤其是冬季，常出现气量不足甚至断气的现象，造成农户使用的体验感较差。另一方面，沼气工程单位原料产气率和单位容积产气率不足。一定温度下，沼气厌氧发酵容积产气率、单位原料产气率和总固体浓度（TS）有关，当沼气工程采用畜禽粪便或秸秆单独发酵的TS<8%，加之资金投入的限制，发酵罐的保温增温性能不佳，也会导致产气率较低，无法达到预期产量。尤其冬季温度较低时，产气尤为不足，因此导致沼气工程出现了“夏剩冬缺”的现象。

（2）单纯依靠沼气，经济效益甚微。沼气工程投产后生产的直接产品包括沼气、沼液、沼渣。沼气的使用途径主要为企业自用和沼气供户。企业自用主要是利用沼气进行炊事、加热取暖或利用沼气进行发电。沼气供户是通过铺设管网直接将沼气输送给农户使用，但沼气生产存在气量、压力不稳等状况，收费较难，且供户存在安全、维修等诸多问题，企业除了需要承担管网铺设的费用，还要长期担负相关专业人员的开支，因此大部分沼气工程未供户，而是通过自用代替天然气、煤和电的开支，所创造的经济效益十分微薄。此外，由于大部分沼气工程的承建企业为养殖企业，建造沼气工程的主要目的是解决畜禽粪便的污染问题，养殖企业无法有效利用沼气工程产生的大量沼液沼渣，这也是制约规模化沼气工程发展的重要因素之一。据调研显示，虽然有部分养殖企业额外投资开发利用沼液沼渣，但是商品化的沼肥市场推广难度较大，加之沼液量大、运输难，施用标准和规范性不明确，因此，大部分企业为了消纳沼液沼渣不得不再次投资，流转土地自己消纳沼肥。因此，沼气工程仅能维持现状，持续运行面临较多困难。

（3）缺乏完整产业链，依托企业的运行管理模式不够科学合理。完整的沼气工程产业链包括原料收储运、沼气生产与利用、沼液沼渣综合开发利用、种养结合循环农业发展，以及相关种养产品的加工销售等环节。由于前期投资巨大，收益较少且回报期较长，相关配套的政策不完善，因此，沼气工程的依托企业紧靠一己之力无法建立完整的产业链，很难推动整个沼气产业体系的发展，这就造成沼气工程建好后，运行一旦遇到问题容易出现荒废的现象。

4.2 建议

（1）粪便、秸秆和其他农业生产有机废弃物混合发酵解决单一原料产气不足问题。沼气工程在建设初期，在合理投资的基础上，制定详细的越冬增温保温措施方案应对冬季产气量低、甚至不产气的情况。此外，建议选择粪便、秸秆和其他农业生产有机废弃物混合发酵，提升原料的总固体浓度，提高发酵系统的缓冲能力，可有效促进沼气产量。

（2）政企共推，综合开发利用沼液、沼渣，提高沼气工程的经济效益。开展沼液、沼渣综合利用，在最低投入的前提下，将沼液、沼渣加工为优质的有机肥，提高其商品价值。同时，延伸沼液、沼渣加工利用的产业链，通过政府积极宣传，引导规模化农产品龙头企业使用沼液、沼渣，使沼液、沼渣的利用形成规模化、稳定化，保障沼气工程的经济效益。

（3）构建创新运行管理模式。

将沼气工程的运营管理分为前端与后端，可分开独立运行。沼气工程的产品包含两类：一是沼液沼渣，主要应用于农业领域；二是沼气，经过提纯的沼气可以用于汽车燃料或者并入天然气管网，未经提纯的沼气可以用于发电。因此，就目前沼气工程中存在的问题，提出使用分段式商业运行管理模式，也就是说沼气工程相关产品的生产与销售可分开独立运行，也可以交由专业的公司（第三方）经营管理。

前端为沼气工程相关产品的生产与运行管理。应具备优秀的技术管理团队，其市场经验丰富，责任心强，在政府授权下负责建立用于沼气生产的农村有机废弃物的收储体系，负责沼气工程的建设、运营管理及确保高质量的生产沼气工程相关产品，包括确保沼气产量充足的同时，提升沼液沼渣的品质，为后端的销售提供质量保障和产品迭代。后端为沼气相关产品的销售及物业化服务管理。将前端生产的沼气直接安装入户或提纯后并入天然气管道，最大限度地提升前端生产的沼气效益。此外，负责前端沼液沼渣肥料化的市场推广与销售，以及相关农产品的生产与销售，并负责与客户对接，提供售后服务和市场开发。

5 结束语

沼气工程通过综合利用农村有机废弃物，生产清洁能源，改善农村人居环境，助力乡村振兴。目前包括烂柯山农业种植专业合作社在内的沼气工程存在沼气产量不稳定、单纯依靠沼气、经济效益甚微、缺乏完整产业链、运行管理模式不够创新等共性问题。针对以上共性问题创新提出分段式沼气工程运行模式，前端负责沼气工程相关产品的生产及运行管理，后端负责沼气工程相关产品的销售，前端为后端销售提供品质保障，后端为前端持续运行提供效益支持，分段式经营各司其职促进沼气工程良性可持续发展。