劉向東

(洛陽市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心，河南 洛陽 471000)

建設(shè)中小型集中供氣沼氣工程是解決中小型規(guī)模養(yǎng)殖場糞便污染的有效途徑，但中小型沼氣工程一般離農(nóng)戶較遠(yuǎn)，受建設(shè)資金和后續(xù)管理成本的制約，厭氧消化池大多采用常規(guī)地下水壓式沼氣池(通常是按照戶用沼氣池的尺寸放大)，普遍采用常溫發(fā)酵，并且發(fā)酵溫度受環(huán)境溫度的影響較大，在實(shí)際應(yīng)用中普遍存在產(chǎn)氣率低、供氣壓力不穩(wěn)定、使用效果欠佳等問題，沼氣工程整體效益偏低，不能適合中小型養(yǎng)殖場污水處理要求。

層次分析法(AHP)是指將與決策總是有關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次，在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行定性和定量分析的決策方法[1]。層次分析法將決策問題分為多個(gè)層次，構(gòu)造判斷矩陣進(jìn)行兩兩比較，進(jìn)行層次單排序及一致性檢驗(yàn)后，再進(jìn)行總排序及一致檢驗(yàn)。其比較適合于具有分層交錯(cuò)評價(jià)指標(biāo)的目標(biāo)系統(tǒng)，而且目標(biāo)值又難于定量描述的決策問題。為此，應(yīng)用層次分析法研究影響中小型集中供氣沼氣工程效益的因素，并提出相應(yīng)對策，以期為提升中小型集中供氣沼氣工程效益提供參考。

1 指標(biāo)體系構(gòu)建

1.1 建立層次結(jié)構(gòu)指標(biāo)體系模型

由于大部分影響因素難以科學(xué)計(jì)量，通過調(diào)查分析，有針對性地與相關(guān)沼氣工程業(yè)主與集中供氣農(nóng)戶進(jìn)行深入探討確定主要影響因素，從產(chǎn)氣率、產(chǎn)氣周期、厭氧工藝、池體深度、建設(shè)材料、輸氣安裝、日常管理技術(shù)、加溫設(shè)施等8個(gè)方面進(jìn)行分析。

根據(jù)層次分析法原理建立目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和因素層各層次之間關(guān)系如圖1。目標(biāo)層(A)為提升中小沼氣工程效果途徑，準(zhǔn)則層(B)為產(chǎn)氣率(B1)、產(chǎn)氣周期(B2)，因素層(C)為厭氧工藝(C1)、池體深度(C2)、建設(shè)材料(C3)、輸氣安裝(C4)、日常管理技術(shù)(C5)、加溫設(shè)施(C6)。

圖1 基于層次分析法原理建立的中小型集中供氣沼氣工程效益途徑結(jié)構(gòu)

1.2 構(gòu)建判斷矩陣

構(gòu)建不同因素影響的各層次判斷矩陣(B1、B2)，對同一層次的各因素對上一層次中其一準(zhǔn)則的重要性進(jìn)行兩兩比較，各因素重要程度按1～9賦值，相對重要性的比例標(biāo)度極重要為9、很重要為7、重要為5、略重要為3、同等為1、略次要為1/3、次要為1/5、很次要為1/7、極次要為1/9，取8、6、4、2、1/2、1/4、1/6、1/8為上述評價(jià)的中間值。

1.3 層次單排序

利用Excel方根法[1-2]計(jì)算出矩陣中各因素的權(quán)重系數(shù)，然后計(jì)算出矩陣的最大特征λmax，最后用CI指標(biāo)對矩陣的最大特征λmax進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。判斷矩陣一致性指標(biāo)CI與同階平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI之比稱為隨機(jī)一致性比率CR。當(dāng)階數(shù)大于2，判斷矩陣的一致性比率CR<0.10時(shí)，即認(rèn)為判斷矩陣具有滿意的一致性。RI值詳見表(1)。

1.4 層次綜合排序

利用單排序的計(jì)算結(jié)果，進(jìn)一步綜合出對更上一層次的優(yōu)劣順序，通過一致性檢驗(yàn)。根據(jù)權(quán)重指標(biāo)的大小進(jìn)行排序，最終確定關(guān)鍵影響因素。

表1 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI值

2 結(jié)果與分析

根據(jù)層次分析法原理和定量方法，以沼氣工程現(xiàn)狀調(diào)查基礎(chǔ)為依據(jù)構(gòu)建的判斷矩陣如下。

產(chǎn)氣率對提升途徑的判斷矩陣權(quán)重及一致性檢驗(yàn)，經(jīng)計(jì)算，厭氧工藝(C1)、池體深度(C2)、建設(shè)質(zhì)量(C3)的權(quán)重指標(biāo)分別為0.581 552 067、0.109 452 29、0.308 995 644。判斷矩陣最大特征根λmax=3.098 891，CR=0.095 088<0.1，表明該判斷矩陣具有滿意的一致性。產(chǎn)氣周期對提升途徑的判斷矩陣權(quán)重及一致性檢驗(yàn)，經(jīng)計(jì)算，輸氣安裝(C4)、日常管理技術(shù)(C5)、加溫設(shè)施(C6)的權(quán)重指標(biāo)分別為0.681 650 435、0.215 836 488、0.102 513 078。判斷矩陣最大特征根λmax=3.002 637,CR=0.002 535<0.1，表明該判斷矩陣具有令人滿意的一致性。產(chǎn)氣率、產(chǎn)氣周期總層次的一致性檢驗(yàn)，經(jīng)計(jì)算，Wi=(w1，w2，w3，w4，w5，w6)=(0.290 776，0.054 726，0.154 498，0.340 825，0.147 125，0.018 905)，CR=0.048812<0.1，表明具有滿意的一致性。

3 結(jié)論與建議

綜上所述，提升中小型集中供氣沼氣工程效益的途徑主要由C4、C1、C3、C5方面的權(quán)重系數(shù)決定，即提升中小型沼氣供氣工程效益的途徑重點(diǎn)是輸氣系統(tǒng)安裝技術(shù)、厭氧工藝、建設(shè)質(zhì)量、日常管理技術(shù)。針對各因素提出相應(yīng)的措施如下，以期為中小型集中供氣沼氣工程建設(shè)實(shí)現(xiàn)良性循環(huán)提供參考。

3.1 輸氣系統(tǒng)科學(xué)合理

輸氣系統(tǒng)要做到貯氣柜結(jié)構(gòu)容積確定科學(xué)、壓力選擇和配重方法合理、管材選擇科學(xué)，保證沼氣工程的正常運(yùn)營。

3.1.1 貯氣柜結(jié)構(gòu)、容積的確定 目前中小型集中供氣沼氣工程一般采用中間導(dǎo)桿浮罩式貯氣柜，具有結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)便宜、安裝方便的特點(diǎn)，可以在施工現(xiàn)場加工，也可以加工后運(yùn)到現(xiàn)場安裝，使用十分方便。沼氣貯氣柜的容積不宜過大或過小，一般按沼氣工程平均日產(chǎn)氣量的50%～60%確定氣柜容積，目前中小型集中供氣沼氣工程普遍采用常溫發(fā)酵，計(jì)算日平均產(chǎn)氣量時(shí)平均產(chǎn)氣率一般在0.3 m3/(m3·d)以下。

3.1.2 貯氣柜壓力選擇和配重方法 浮罩式貯氣柜維持的沼氣壓力一般為2.5～5.0 kPa，浮罩的質(zhì)量、面積決定輸、配氣管路的靜壓力，貯氣柜壓力調(diào)配主要考慮管網(wǎng)允許壓力降，當(dāng)所需壓力高時(shí)要給浮罩配重。氣柜配重分為鐘罩內(nèi)壁下部配重和頂部外配重2種方法，內(nèi)配重一般在鐘罩里水面下，進(jìn)行配重計(jì)算時(shí)必須考慮水下的浮力。

3.1.3 科學(xué)選擇管材 輸氣系統(tǒng)建設(shè)主要包括管材的選擇應(yīng)用，適宜的材質(zhì)和恰當(dāng)?shù)墓軓绞钦麄€(gè)輸氣系統(tǒng)建設(shè)中2個(gè)最關(guān)鍵的因素。目前中小型集中供氣沼氣工程的輸氣管網(wǎng)管材選用PE管，連接使用熱熔焊接方式。管徑的確定受沼氣工程沼氣用氣流量、管道壓力降、輸送距離等因素多種影響，在設(shè)計(jì)運(yùn)算時(shí)要統(tǒng)籌考慮，既要保證農(nóng)戶用氣，又要降低投資。

1) 管道沼氣小時(shí)流量確定。為保證農(nóng)戶高峰用氣正常，一般應(yīng)按最大小時(shí)用氣量計(jì)算，應(yīng)采用灶具的額定耗氣量與其多只相同灶具同時(shí)工作系數(shù)法來計(jì)算確定。

2) 管道壓力降確定。管道沿程壓力降是從貯氣柜起點(diǎn)到用氣戶終點(diǎn)的允許壓力降，聯(lián)戶沼氣一般采用低壓直接供氣，但貯氣柜到農(nóng)戶的距離不一而導(dǎo)致壓力降有差別，管道較長的壓力降大，管道較短的壓力降小。在實(shí)際運(yùn)算中通常采用將摩阻系數(shù)包括在內(nèi)的簡化計(jì)算方法，在流量、輸送距離確定條件下增大壓降來降低管徑，減少投資；或在流量、管徑、輸送距離確定條件下，可以計(jì)算出沿程壓力降來確定貯氣柜壓力，對貯氣柜配重進(jìn)行重新調(diào)配。

3.2 厭氧消化器容積與發(fā)酵工藝要科學(xué)

3.2.1 厭氧消化器容積 厭氧消化器容積的確定和計(jì)算要科學(xué)合理，既能做到有效保證集中供氣的產(chǎn)氣量，又要能夠處理養(yǎng)殖場每天排放的糞便量。沼氣工程池容確定通常根據(jù)發(fā)酵原料的數(shù)量、一定溫度下發(fā)酵原料在池內(nèi)停留的時(shí)間和投料濃度計(jì)算，合理確定發(fā)酵溫度、發(fā)酵濃度及HRT值是確定沼氣工程池容的3個(gè)關(guān)鍵要素，其中任何一個(gè)要素的變化都會影響沼氣工程的容積。

3.2.2 發(fā)酵工藝 科學(xué)高效的厭氧消化器是整個(gè)沼氣工程建設(shè)的核心。有研究表明，可將若干個(gè)單元集裝成50～100 m3的標(biāo)準(zhǔn)厭氧發(fā)酵系統(tǒng)，根據(jù)養(yǎng)殖規(guī)模由標(biāo)準(zhǔn)厭氧發(fā)酵系統(tǒng)相并聯(lián)集裝成200 m3、300 m3、400 m3、500 m3等不同規(guī)模的厭氧發(fā)酵系統(tǒng)[4]；20～50 m3的小型沼氣工程宜采用單體地下立式圓柱形旋動推流式厭氧消化裝置，60～200 m3的中型沼氣工程宜采用地下并聯(lián)立式圓柱形旋動推流式厭氧消化裝置，都能有效提高沼氣工程的產(chǎn)氣率[5]。筆者結(jié)合多年建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，中小型沼氣工程發(fā)酵工藝宜選用10～25 m3為發(fā)酵單元、地下式并聯(lián)立式圓柱形旋動推流式厭氧消化裝置或隧道式厭氧消化器，深度控制在2～2.5 m，隧道式沼氣池底部采用斜底面，并在中間設(shè)置兩道過濾墻，便于原料與菌種較好接觸，提高產(chǎn)氣量。

3.3 工程建設(shè)要設(shè)施配套完整

增加冬季保溫設(shè)施是確保沼氣工程冬季正常運(yùn)行的必要措施。常用措施主要有電加熱膜增溫保溫系統(tǒng)、鍋爐水循環(huán)增溫系統(tǒng)、太陽能熱水器水循環(huán)增溫系統(tǒng)、太陽能溫室保溫室系統(tǒng)。根據(jù)不同溫度控制技術(shù)的應(yīng)用效果和投資成本分析[4-10]，中小型集中供氣沼氣工程應(yīng)充分利用太陽能提高發(fā)酵料液溫度，宜采用太陽能溫室保溫系統(tǒng)和生物質(zhì)能增溫相結(jié)合的冬季增溫措施，晴天充分利用太陽熱能給厭氧消化器進(jìn)行增溫，陰雨天利用輔助增溫設(shè)施進(jìn)行增溫，可有效提高料液溫度，實(shí)現(xiàn)沼氣工程冬季正常運(yùn)行。

3.4 提高沼氣工程技術(shù)人員的日常管理水平

對沼氣工程人員，加強(qiáng)發(fā)酵原料預(yù)處理技術(shù)、沼氣脫水、脫硫凈化技術(shù)、輸氣系統(tǒng)維護(hù)等專業(yè)技術(shù)培訓(xùn)，以提高沼氣工程技術(shù)人員的管理水平，也是提高中小型集中供氣沼氣工程效益十分重要的措施。