規(guī)模化養(yǎng)殖是中國農(nóng)村經(jīng)濟的優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)，規(guī)模化養(yǎng)殖在實現(xiàn)集約經(jīng)濟優(yōu)勢的同時，也帶了嚴重的環(huán)境污染，沼氣工程是養(yǎng)殖場廢棄物治理最主要的解決辦法。在實踐中規(guī)模化養(yǎng)殖場沼氣工程的設(shè)計發(fā)展程度卻很低。近年來，許多研究者開展了這方面的研究工作，從保溫措施、升溫方法等方面開展研究。石河子地區(qū)農(nóng)牧團場大中型養(yǎng)殖場沼氣原料豐富，具有發(fā)展沼氣的良好前景。但由于石河子地區(qū)冬季長而嚴寒，沼氣池產(chǎn)氣率低下，成為制約該地區(qū)發(fā)展沼氣工程的主要因素。
本文通過對石河子地區(qū)大中型沼氣工程進行實地調(diào)研，總結(jié)研究出石河子地區(qū)大中型沼氣池冬季適宜的保溫、增溫模式，為石河子地區(qū)沼氣工程全年使用提供參考。
1 研究區(qū)概況
1.1 氣候條件
石河子墾區(qū)地處天山北麓中段，屬典型的大陸性溫帶干旱氣候，冬季長而嚴寒，夏季短而炎熱。極端高溫42.8℃，極端低溫-38.9℃。
石河子墾區(qū)沼氣工程項目示范推廣自2004年開始啟動，現(xiàn)在已進入快速發(fā)展階段，至2008年底，北泉鎮(zhèn)、石河子鄉(xiāng)共建設(shè)沼氣池172座，其中：“四位一體”的73座；“一池三改”的99座；新型的膜厭氧反應(yīng)器加太陽能兩座，其余為現(xiàn)澆混凝土。大中型沼氣池容積有60m3、120m3、500m3等。
1.2 石河子地區(qū)大中型沼氣池存在的主要問題
1.2.1 部分沼氣池池型不利于沼氣池保溫
石河子部分地區(qū)大中型沼氣池池型選擇不當(dāng)，不適合當(dāng)?shù)厥褂茫辉O(shè)計建造沒有嚴格按畜禽養(yǎng)殖業(yè)規(guī)模大小設(shè)計配建相應(yīng)容積的沼氣池；沼氣池水壓間容積與主池容積比例嚴重失調(diào)，水壓間相對太小；設(shè)計時未充分考慮沼氣池荷載等。
1.2.2 部分沼氣池保溫不可靠、無增溫措施等
北方寒冷地區(qū)冬季漫長，由于氣溫低，沼氣的生產(chǎn)存在產(chǎn)氣率低、使用率低、原料分解率低、沼氣使用綜合效益差等問題，沼氣每年只能使用幾個月，全年大部分時間不能正常使用，這種狀況在一定程度上限制了石河子地區(qū)沼氣的發(fā)展。
石河子冬季極端低溫達到零下30℃以上，甲烷菌群活性急劇下降，因此必須對沼氣池做相關(guān)保溫措施和增溫補溫改進。石河子地區(qū)部分大中型沼氣池保溫不可靠，無增溫措施，這是石河子地區(qū)大中型沼氣池利用效率偏低的原因之一。
1.2.3 建池材料選擇不當(dāng)、施工粗放，造成滲漏
沼氣池建池材料要選擇高標準的建筑材料，混凝土、水泥、砂、卵石、碎石和粘土磚的選用都應(yīng)按沼氣池施工標準嚴格選用。石河子地區(qū)部分沼氣池施工粗放，存在滲漏現(xiàn)象，這些都嚴重影響了沼氣池的產(chǎn)氣率。
2 石河子地區(qū)沼氣池保溫、增溫設(shè)計方案
2.1 池型選擇與優(yōu)化
沼氣池的設(shè)計規(guī)模完全取決于畜禽養(yǎng)殖場糞污的排放量，再根據(jù)沼氣池反應(yīng)器的工作原理和實際運行經(jīng)驗確定沼氣池池型。沼氣池有很多種不同的類型, 目前常見沼氣池池型有：水壓式沼氣池、預(yù)制鋼筋混凝土板裝配式沼氣池、半塑式沼氣池、圓筒形沼氣池、橢球形沼氣池、分離貯氣浮罩沼氣池。通過調(diào)研，依據(jù)石河子地區(qū)地下水位和氣候具體情況要求，筆者認為石河子地區(qū)宜選用固定拱蓋水壓式沼氣池、曲流布料水壓式沼氣池和分離貯氣浮罩沼氣池三種適宜池型。
2.1.1固定拱蓋水壓式沼氣池。如圖1所示，池體結(jié)構(gòu)受力性能良好，結(jié)構(gòu)簡單，充分利用土壤的承載能力，省工省料，成本較低。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該沼氣池在嚴寒氣候產(chǎn)氣率急劇下降，保溫效果差。在石河子地區(qū)小范圍可以使用，不宜大面積推廣。為了提高冬季的產(chǎn)氣率，筆者進行了以下結(jié)構(gòu)的優(yōu)化：（1）活動蓋與沼氣池結(jié)合處增加保溫材料，防止冷氣滲入。（2）進料口內(nèi)壁鋪設(shè)加熱盤管，冬季極端嚴寒氣溫時，由輔助加熱防止進料口凍塞。
圖1 固定拱蓋水壓式沼氣池構(gòu)造
圖2 曲流布料水壓式沼氣池剖面圖
2.1.2 曲流布料沼氣池。如圖2所示，主要由圓筒形池身、削球殼池拱、5°斜底和水壓間組成。筆者通過對石河子墾區(qū)大中型沼氣池進行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)標準的曲流布料沼氣池工程圖并不能完全的適應(yīng)石河子墾區(qū)冬季嚴寒的極端低溫，因此需要對其改進優(yōu)化：（1）進料口、天窗蓋是冬季最容易結(jié)冰堵塞的關(guān)鍵部位，可依標準圖集將進料口縮小，增加進料口蓋。（2）布料器設(shè)置增溫結(jié)構(gòu)，冬季過冷可打開增溫裝置，提高池容負載能力，提高池容產(chǎn)氣率。（3）破殼攪拌系統(tǒng)設(shè)計為可升降結(jié)構(gòu)，沼氣池不用或者維修時可以將破殼攪拌系統(tǒng)升至沼液以上。（4）出料口及出料管加強進行保溫防護。
2.1.3 分離貯氣浮罩沼氣池。如圖3所示，主要由圓筒形池身、削球殼池拱、5°斜底和貯氣浮罩及配套水封池組成。分離貯氣浮罩沼氣池造價不高，管理操作簡便易行，小型高效、自身耗能少，適合石河子地區(qū)推廣使用。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該池型冬季產(chǎn)氣效果明顯，但也存在著不足，筆者建議從以下進行優(yōu)化設(shè)計：(1) 分離貯氣浮罩沼氣池發(fā)酵池與氣箱分離，調(diào)配池與濃縮池可以選址放置在供暖室內(nèi)。 (2)水封池與沼氣池的結(jié)合處應(yīng)該進行嚴格保溫，增加防漏裝置。
圖 3 分離貯氣浮罩沼氣池
2.2 沼氣池建筑材料選擇
大中型沼氣池常采用的結(jié)構(gòu)形式為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和磚混結(jié)構(gòu)，建造沼氣池需用的建筑材料有混凝土、水泥、砂、卵石、碎石和粘土磚。為保證沼氣池的強度和剛度要求，發(fā)酵罐池現(xiàn)澆混凝土應(yīng)采用C20以上；普通粘土磚采用MU10以上；混凝土預(yù)制板采用C20以上；砌筑砂漿采用MU10以上；進、出料管采用C20號混凝土預(yù)制，亦可采用成品管；各種活動蓋及其他蓋板均采用鋼筋（鋼絲、鉛絲）C20混凝土預(yù)制；相關(guān)部位用沼氣池專用材料進行防漏、防滲處理。
3 工程應(yīng)用
3.1 工程概況
石河子西部牧業(yè)股份有限公司大型能源沼氣工程于2010年建成，如圖5所示，由青島天人環(huán)境股份有限公司設(shè)計、施工并指導(dǎo)測試，以規(guī)模化厭氧消化為主要技術(shù)，集沼氣生產(chǎn)、資源化利用為一體的系統(tǒng)工程。采用中溫CSTR一體化反應(yīng)器工藝為核心采用改良型的USR厭氧發(fā)酵工藝的沼氣制備和利用技術(shù)，以牛糞為原料制備沼氣，沼氣用于站內(nèi)鍋爐燃用，沼液沼渣作為農(nóng)肥用于周邊農(nóng)田。主要設(shè)計包括：容積296m3的一體化厭氧罐兩套及配套脫硫等設(shè)施；容積38.91m3的調(diào)糞池；容積900m3沼渣沼液池；容積30.7m3集污池；其它工程配套設(shè)施。
該工程沼氣主要用于規(guī)模化奶牛養(yǎng)殖場自備鍋爐。日處理牛場鮮糞約45t，污水約60 m3。1m3沼氣熱值相當(dāng)于標準煤0.75千克，項目建成后達到節(jié)能550t標準煤。
圖4 工藝流程圖
圖5 石河子西部牧業(yè)沼氣反應(yīng)器
該沼氣工程調(diào)配池、濃縮池、固液分離機均建于室內(nèi)，有效保證了進料口冬季不凍冰堵塞；同時沼氣沼渣運輸管道進行了外粘泡沫保溫，達到了冬季管道由于氣溫太低凍裂的問題；沼氣發(fā)酵罐外壁設(shè)計為深藍色，能有效利用太陽能集熱，為發(fā)酵罐提供熱量；發(fā)酵罐內(nèi)壁有加熱盤管，池壁嵌有巖棉和苯板保溫材料，保證冬季罐內(nèi)溫度能持續(xù)產(chǎn)氣。
3.2 工程存在的問題
該沼氣工程在克服石河子墾區(qū)冬季極端嚴寒氣候上，保溫、增溫措施還存在不足：(1)調(diào)配池和濃縮池雖然建于室內(nèi)，但其室內(nèi)沒有進行冬季供暖。（2）室內(nèi)布置有沼氣池進料輸送管道，室內(nèi)管道沒有進行保溫措施。（3）2個沼氣池建造間距偏近。(4)沼氣反應(yīng)池內(nèi)加熱盤管稀疏。 (5)沼氣反應(yīng)池建于露天室外。
3.3 工程保溫、增溫改進
針對西部牧業(yè)沼氣工程存在的問題，筆者提出了3項改造措施：(1)室內(nèi)調(diào)配池和濃縮池進行冬季熱水供暖。（2）沼氣池進料輸送管道包被玻璃絲棉或者泡沫材質(zhì)進行嚴格保暖。（3）2個沼氣發(fā)酵罐間距增大，防止罐體遮擋陽光。(4)沼氣反應(yīng)池內(nèi)增加加熱盤管數(shù)量。 (5)將沼氣反應(yīng)池置于密閉玻璃溫室中或建于地下。
4 石河子地區(qū)沼氣池保溫、增溫模式探討
依據(jù)石河子地區(qū)冬季嚴寒的地理氣候條件，為解決石河子地區(qū)大中型沼氣池冬季產(chǎn)氣率低的問題，提出以下石河子地區(qū)的大中型沼氣池保溫、增溫模式：
4.1 石河子地區(qū)沼氣池的保溫模式
4.1.1 池址、池型選擇。防止冬季低溫影響沼氣利用率，充分利用太陽能資源，選擇在背風(fēng)向陽、地下水位低的地方修建沼氣池。沼氣池的主池和水壓間必須選擇在背風(fēng)向陽處，發(fā)酵間建于凍土層以下。為了取得更好的保溫效果，一般儲氣間也建于凍土層以下。池型方面，結(jié)合石河子地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造和氣候條件，宜選用固定拱蓋水壓式沼氣池、曲流布料沼氣池、分離貯氣浮罩沼氣池。
4.1.2 進、出料口及管道優(yōu)化。進、出料口不要過大且要加蓋，避免發(fā)酵間料液大量溢到進料口和出料間導(dǎo)致料溫降低。石河子冬季氣候嚴寒，進、出料口可考慮置于室內(nèi)并提供采暖，室外沼氣運輸管道進行嚴格的保溫構(gòu)造處理。
4.1.3 池壁采用防寒溝。沼氣池池壁采用XPS擠塑板等保溫材料進行嚴格保溫，沼氣池周圍挖防寒溝，溝寬0.2～0.3m，距沼氣池內(nèi)壁1.0m，溝深與沼氣池深度相同，防寒溝內(nèi)填充透氣、導(dǎo)熱率小的材料，如爐渣、干牛糞、干馬糞、秸稈等。
4.1.4 以料補溫。冬季管理要注意勤出料、勤進料，每次進出料量要少，進料要適當(dāng)添加一些熱性原料，如經(jīng)過漚制的作物秸稈、牛糞、馬糞等，以提高發(fā)酵物濃度，增加池溫，在入料前將6%的料液濃度提高到10%左右，采取以料補溫的方法。石河子地區(qū)氣候寒冷，要特別注意晚上沼氣池的保溫，可將雜草、秸稈等堆在沼氣池上，也可以在沼氣池上鋪1層草木灰、黑煤渣等，然后再在上面覆蓋雙層塑料薄膜，達到白天集熱、晚上保溫的效果。有條件的可覆蓋釀熱物保溫防寒。
綜上所述，石河子地區(qū)宜采用的保溫模式有：適宜的沼氣池工程選址及池型、進出料口及管道防凍處理保溫、沼氣池池壁保溫構(gòu)造保溫、
4.2 石河子地區(qū)沼氣池的增溫模式
4.2.1 利用生物質(zhì)發(fā)酵。此項技術(shù)是提高沼氣池池溫的有效措施，其依據(jù)是利用秸稈堆漚發(fā)酵產(chǎn)生熱量的原理。具體做法是把沼氣池頂上部覆蓋30～40cm厚的小麥秸稈，加足量水，在秸稈外面覆蓋農(nóng)膜和土層。既能增溫，還能達到保溫的作用。
4.2.2 利用太陽能。把沼氣池建在太陽溫室（大棚）內(nèi)，充分利用光照提高沼氣池池溫。太陽能熱水器中熱水流入池內(nèi)熱交換管道，進行熱循環(huán)，以提高料溫。如太陽能加熱型玻璃鋼沼氣池的研制，能利用太陽能熱水循環(huán)系統(tǒng)提高玻璃鋼沼氣池的罐體溫度，能較好地解決寒冷地區(qū)冬季由于低溫而導(dǎo)致不產(chǎn)氣的問題。
4.2.3 利用輔助燃燒式沼氣池。在原有沼氣池的基礎(chǔ)上建造燃燒池，集燃燒池、沼氣池為一體。利用生物質(zhì)能資源，在燃燒池內(nèi)有序燃燒，給池內(nèi)持續(xù)輸送熱能，提升沼氣池內(nèi)溫度，增強池內(nèi)細菌、甲烷菌的活性，能有效解決高寒地區(qū)冬季沼氣池由于氣溫低池內(nèi)發(fā)酵放緩或停止，導(dǎo)致沼氣池不能正常使用的難題。
4.2.4 利用電伴熱。電伴熱作為沼氣工程有效的管道(儲罐)保溫及防凍方案一直被廣泛應(yīng)用。通過伴熱媒體散發(fā)一定的熱量，通過直接或間接的熱交換，補充管道、沼氣罐的熱損失，以達到升溫或防凍的正常工作要求。
5 結(jié)束語
科學(xué)設(shè)計、建池，選用適宜的沼氣池池型是沼氣池產(chǎn)氣率提升的關(guān)鍵因素，根據(jù)具體情況采取綜合的技術(shù)措施，改進沼氣池保溫、增溫構(gòu)造，加強沼氣池運行維護管理，石河子地區(qū)完全可以進一步提高原料利用率、產(chǎn)氣率和沼氣池的產(chǎn)氣量，實現(xiàn)全年使用沼氣的目標。
