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中国农村家庭沼气的利用:一项机会与限制并存的研究
摘要：作为可再生能源，沼气不仅是一种农村新能源的重要组成部分, 也是我国农业可持续发展的需要。

本文在中国农村家庭沼气技术的发展过程和现状，特别是对家庭沼气带来的机遇和约束等问题进行了探讨。

沼气在中国农村地区，大约只有19%的潜力被利用。

中国农村，发展家庭沼气有几次机会，包括了农村家庭能源消费的材料，沼气发酵的利用能力，国家财补贴，法律与国际清洁发展机制等。

同样，在稻草发酵和冷发酵技术上还需要做更多的研究。

应该通过培训来提高沼气用户的沼气综合利用水平。

应采取措施提高沼气发电厂的后续服务和管理。

本文给出的信息，不仅有利于中国农村家庭生物沼气的可持续发展,同样有利于其他发展中国家的沼气发展。

1.引言
可再生能源是发展和利用资源的重要组成部分，已成为一个全球性永续能源战略[1]。

在2006年，大约18%的全球性的能量来自可再生能源消耗，13%的来自传统生物质[2]。

中国可再生能源的使用具有悠久的历史，包括生物能、太阳能、地热、海洋和风能[3]。

这些资源的巨大潜能，大大超过了矿物燃料资源[3]。

沼气在2个方面有别于其他可再生能源: 一、它是一种比较干净的高甲烷燃料，二、沼气在肥料和农业用水所产的有机废弃物手机上是很重要的[4]。

作为21世纪运用于社会主义新农村的建设和可持续农业发展的策略，农村家庭沼气是一种促进农业结构调整、增加农民收入，提高农村生态环境，提高农村的生活和农业产品质量的方法[5]。

中国农村家庭沼气发电厂的数量在全世界是最高的[6]。

到2007年，有2650万沼气发电厂，产气量已达10.5亿立方米(相当于超过100万吨标准煤)。

家庭沼气池遍布全国各地，主要在长江流域。

四川省内拥有最多的沼气工厂,有29万在运行[7]。

沼气的快速发展与我国沼气发展的丰富经验，发酵原料的大量供应和国家基金的大力支持是紧密相连的。

然而，限制因素仍然存在。

在本文中，我们将研究中国农村家庭沼气的发展历程和现状，并专注于眼前的机遇与制约。

2.沼气在中国家庭中的应用
2.1.家庭沼气应用的开发过程
沼气的研究和利用在中国有着悠久的历史，并且液压沼气池的应用将近有100年了[8]。

在19世纪80年代, 在广东惊醒了第一次沼气发酵测试。

1920年，在台湾，罗国瑞发明了矩形液压沼气池湾。

我国沼气发展的大事件年表，表-1。

中国家庭沼气于20世纪70年代开始大规模发展[9]。

图-1显示了1973年和2005年之间中国沼气池的安装数量[10]。

1973年到1983年大幅波动发展；从1984年到1994年由于发展缓慢出现了一段调整期；自1995年到2000年以稳定的速度增加。

二十一世纪的今天，家庭沼气池的建设进入了一个新的,持续、快速的阶段。

2.2. 家庭沼气的设计
罗国瑞所设计的沼气池在20世纪20年代成立[8]。

该液压沼气为粘土、砖、混凝土结构, 20世纪70年代被广泛应用于农村地区[7]。

由中国国家标准,该液压沼气池构建成三种模式，分别为6、8、、10m3,并被誉为“中国液压沼气模式”[11]。

在2000年, 由玻璃纤维增强塑料(GRP)建成的商业家庭沼气病态进入市场[12]。

GRP沼气池厚6～8mm、拉伸强度为93.5MPa、弯曲强度为109 MPa。

体积范围从6到10 m3[13]。

表-2显示了混凝土沼气池和GRP沼气池的一些关键技术指标对比[13]。

从表-2，我们可以看到与混凝土沼气池相比，GRP沼气池具有一个较低的热传导系数，较长的运行寿命，较低的维护成本和较短的建设周期
2.3.家庭沼气生态农业模式
2.3.1“三位一体”的生态农业模式
把沼气池和猪圈、厕所结合在一起“三位一体”生态农业模式，在南方比较流行[14]。

该模型的主要目的是解决农村家庭能源危机和改善农村环境卫生状况。

沼气，可以用于照明和烹饪，也可以作为肥料，种植果树、蔬菜和谷物,还可以作为杀虫剂[11]。

这种模式可以发展绿色食品。

通过连接卫生间的沼气发电厂，可以消除引起疾病传播的蚊子。

在某种程度上,这也可以防止传染病和人类和动物排泄物造成的水污染。

“三位一体”的生态农业模式是一种低投入高效率的模式, 在经济贫困地区已经有了很强的实用性和推广价值[14]。

2.3.2.“四位一体“的生态农业模式
把沼气池和猪圈、厕所、太阳能温室结合在一起的“四位一体”生态农业模式, 在中国北方已经得到提出[15]。

温室可用于提高沼气池的温度来提高寒冷天气沼气的产率。

同时沼气有能提高温室的温度。

随着温室温度的增加,温室蔬菜能长得好，猪长得更肥[16]。

沼气作为喷雾药剂，可以抑制疾病、提高蔬菜产量[17]。

由于日光温室结构需要更大的资本投入，温室蔬菜的生长需要更多的水，因此，该模型适用于太阳能丰富,有更好的经济条件和水资源丰富的中国南方地区[18]。

2.3.3.“五位一体”的生态农业果园模型
把沼气池和太阳能谷仓，节水灌溉系统，水窖、厕所结合在一起的“五位一体”生态农业果园模式在中国西北已经得到提出[19]。

沼肥被用来种植果树和提高水果质量[20]。

储存在水窖的水资源用于沼气发酵、果园喷洒、灌溉。

节水设备的引入,大大缓解水资源压力,特别果园灌溉水的需求压力这种模型适用于存在严重缺水的西北地区发展[21]。

3.家庭沼气在中国应用机遇
在2007年，60%或者说0.9亿中国人居住在农村。

标准煤的人均消费为960㎏,539㎏或者说56%用于日常生活，32.8%来自秸秆燃烧，21.2%来自木柴，3403来自煤，沼气仅占1.5%[7]。

根据农村沼气项目（2006～2010），到2010年，0.139亿农户认为沼气建设是合适的。

然而，目前仅仅265万农户在使用沼气，这就意味着，只有19%的沼气在中国获得实现[22]。

3.1.农村家庭能源消费问题
长期以来，中国农村家庭能源消费主要依靠传统的生物质能源，例如秸秆和木柴[23]。

当今，在总消费中，秸秆仍然占32.8%，木柴占21.2%，煤占34.3% [7]。

这三大能源主要用于做饭和取暖，从而导致低能源效率和严重的环境退化。

做饭过程中，秸秆和木柴的热效率约为20％，煤炭为30％，如果秸秆和木柴在传统炉灶燃烧的话只有约10％[24]。

当今，人们面临两大全球气候问题：主要由CO2排放引起的全球变暖，由硫氧化物和氮氧化物排放引起的酸雨，直接导致秸秆和木柴的直接燃烧会导致大量CO和其他有毒气体排放。

煤的燃烧不仅是CO2的主要排放源，也是SO2的主要排放源[25]。

除此之外，煤炭也面临着枯竭的危险。

面对这些问题，我们必须提高传统能源的效率，增加可再生能源在总能源中的比例。

3.2.可再生能源政策的机遇
3.2.1.财政补贴
到了21世纪，中国政府已开始把重点放在农村沼气配套工程。

在2003，中央财政部决定实施农村沼气项目。

从2003年至2010年，这些方案将投资610亿元人民币，，其中15亿元来自国家投资基金[26]。

2003年，农业发展和改革委，财政部启动了农村户用沼气国债项目并且在22个省（自治区，直辖市）投资8.4亿人民币用于户用沼气池建设。

2004年，这一项目继续为农村户用沼气提供1亿人民币；2005年，农村沼气建设中央投资资金上升至2.5亿元，预计其中2亿元用于户用沼气池建设和0.5亿元用于大型和中型沼气池建设[9]。

随着农村沼气建设国债项目管理办法规定，中央财政补贴的“一池三改革” 按照下列规定办理：西北和东北地区1200元/户，西南地区1000元/户
在，其他区域800元/户[27]。

3.2.2.可在生能源法
2005年，2月28日，中华人民共和国法律，把可再生能源的开发和利用提到战略高度“增加能源供应、改善能源结构、保障能源安全、保护环境，实现经济和社会的可持续发展”[28]。

3.2.3.清洁能源发展机制
为解决全球变暖问题，京都议定书中提出清洁发展机制（CDM）。

清洁发展机制（CDM）是京都议定书下的一种合约，要求工业化国家（称作附件B国家）遵循减排承诺，允许在发展中国家投资项目，对于在自己国家减排的昂贵费用这是一种减排的选择。

因此，沼气清洁能源机制技术和CO2核证减排量技术（CER）的发展开在中国辟了大中型沼气工程，包括农村户用沼气沼气池融资新渠道，从而增加项目的经济回报率。

3.3.沼气发酵原料的可用性
大部分来自牛，猪，鸡，农业残留物的畜禽粪便，是中国农村的沼气发酵的主要资源。

畜禽粪便和每一畜禽每年干粪便产量可以估计肥料潜力[29]。

根据目前畜禽的繁殖计算，中国总干粪便资源的实际数量是14.67亿吨，10.23亿吨可收集，相当于1.07亿吨标准煤[30]。

据畜牧产业的发展计划，畜禽粪便在2010年到2020年将达到25亿吨和40亿吨，分别相当于120和160亿吨标准煤[31]。

农业可利用残留量作为一种资源，主要是由于农作物的产量，系数和消费目的的收集[32]。

秸秆在中国主要用于造纸，饲料，农村能源资源，还田及收集（包括一些损失），分别为2.1％，28％，53.6％和16.2％[33]。

根据目前作物生产，在中国每年大约有6.81亿顿的农业残留物，其中5.46亿吨可收集。

出了其他用途，大约2.9亿吨用作能源资源，相当于1.45亿吨标准煤。

长期来看，秸秆总量将随着人口的增长而增长[30]。

2030年以后，4～5亿吨的秸秆可作为一个现代化高效率能源资源，相当于2～3亿吨标准煤。

4.中国家庭沼气应用的制约
4.1.秸秆发酵技术
秸秆的主要有机成分为纤维素，半纤维素，木质素，果胶和蜡，其缺乏有效氮、磷，阻碍微生物发酵[8]。

在秸秆沼气厌氧发酵过程中，由于厌氧微生物对木质纤维素消化能力弱，导致这一过程水解缓慢，水解程度低，从而影响了以后的酸化和气化过程。

因此，作物残留物的厌氧消化效率低，费时，产气少，导致投入产出效率低，这使农作物秸秆不能被用作大规模沼气发酵[34]。

许多研究员在对秸秆的物理、化学和生物方法预处理增加秸秆利用上取得了一些成功[35]。

然而，依然存在许多问题。

一、预处理增加了成本，二、秸秆化学预处理造成二次污染，此外，秸秆生物预处理仍然处于大规模应用困难的试验阶段，因此，找到一个合适的稻草预处理方法是未来研究的重点。

4.2.冷发酵技术
在中国农村，家庭沼气发酵温度在正常气温，一般为8至25℃。

沼气的生产最低温度为10℃，生产速度随着温度的增加而增加[36]。

由于日平均气温低于10℃，因此沼气发酵在中国北方冬季（11月至3月）是不合适的。

所以，沼气池高效快速的产气时间在8～9月[37]。

因此，需要做更多的研究工作，以增加在寒冷地区沼气生产效率。

4.3.低全面沼气应用
沼气的全面利用技术降低了成本，提高了经济效益，改善了农村生态环境，提高了农民收入，促进了可持续发展[38]。

广大的沼气用户还没有得到技术培训。

因此，他们不能把沼气技术与生态农业技术相结合。

相反，沼气只用于照明和做饭。

在中国，沼气发酵产物的利用水平很低，经济开发潜力率小于1%，而生态利用率只有4%[39]。

2005年，有673万农户使用沼气综合利用技术，占农村总家庭用户的
37.3％[7]。

因此，应进行培训，提高沼气的利用综合水平。

4.4.薄弱的务和沼气池管理
后续服务及沼气池的管理，是农村能源建设和发展的关键问题。

中国农村户用沼气发展主要集中在建筑上而没有考虑管理。

因此，由于后续服务和管理的缺乏，沼气项目已经打破黎明。

由2007年的统计这种全国性现象证明：在中国有2650万农村沼气池，只有60％是运作正常的[12]。

具有沼气技术素养的工作人员供不应求。

大多数省份都只有很小的县级农村能源办公室，其雇员人数3至7。

员工无法适应农村户用沼气池技术领域的迅速发展。

这也严重影响了沼气建设的效率和可持续发展[40]。

K. Sheng and Y.L. Zhang.中国农村沼气建设可持续发展，华中农业大学（Soc Sci Ed）4 2007年，第50～52期（中文）[40]。

沼气灯，炉具等其他设备专业设备，难以在市场上买到，即使可以买到，农民也不能正确安装[37]。

因此，需要采取措施提高户用沼气池的后续服务和管理。

5.结论
本文讨论了中国农村家庭沼气技术的发展过程和现状，特别是对家庭沼气带来的机遇和约束等问题进行了探讨。

农村沼气有几次发展的机会，包括：农村能源短缺，生物发酵原料、国家财政补贴、法律与国际清洁发展机制。

中国农村家庭沼气在发展中遇到的问题，包括秸秆和寒冷条件下的发酵技术、沼气的低综合利用、薄弱的售后服务和管理。

因此，沼气的发展在稻草发酵和冷发酵技术方面还需要做更多的研究。

应该进行培训提高沼气用户的沼气综合利用水平。

应采取措施来提高沼气发电厂的后续服务和管理。

图表参见原文。