沼气的利用与可持续性发展
1、沼气的概念
沼气是有机质 (作物秸秆、人畜粪便、工业有机废 物等)在厌氧的条件下，并在适宜的温度、PH值下，经过微生物的发酵作用产生的一种可燃烧气体。沼气属于二次能源，并且是可再生能源。因为人们最初是从沼泽中发现这种气体的 ，所以称之为沼气，也有人称之 为 “瓦 斯 ”。
2、发展沼气的重要性
目前，世界范围内的能源危机和环境污染问题已经开始阻碍全球经济的发展，各国都在加大对环境的污染治理工作，并致力于开发新型生物质能源。能源危机的产生是由于近200年来，世界各国对地球化石能源的无限制开发使用，导致现存的化石能源供应短缺，从而影响经济发展。而环境污染是指由于人类活动产生的有害物质或因子进入环境，引起环境系统的结构与功能发生变化，危害人体健康和生物的生命活动的现象。因此经济的发展与能源、环境之间形成了人类世界进步的主要矛盾之一。
世界范围内，许多科学家都在致力于开发研究新技和新工艺，以期望获得新型“清洁绿色能源”，健康可持续发展与循环经济是全球经济在21世纪发展的主要方向。在我国，“资源——产品——污染排放”的传统经济发展模式已经不再适应当前世界范围内的产业结构和经济发展模式。该模式要求人们不断的以越来越高的强度向大自然索取物质和能源，然后在人类的生产、生活和消费过程中产生的污染废物不加任何处理的排放达自然环境中去，严重污染了人类赖以生存的地球，“传统经济”对资源的利用是单链式的、粗放性的和一次性的。而“绿色经济”提倡的是一种物质循环流动，建立成一种循环式的产业结构链条，如“资源——产品——再生资源”，在整体经济结构中大大减少了污染物的排放，在保护环境的同时，发展绿色经济。为了保护全球环境,维护良好生态家园，我国近几年一直致力于产业结构的调整和经济发展模式改善，在党的十七大报告中，明确提出了这一点，并要求各级政府树立正确的政绩观和经济发展观[3一9]。
作为我国能源体系密不可分的组成部分,农村能源占据着十分重要的地位。为实现我国农村社会经济的长足发展,以及农村居民生活质量的有序提高,保障持续安全的能源供给是促进农村经济可持续发展的重要前提,也是减缓和应对气候变化的有力手段。我国农村社会经济的飞速发展,带来了农村地区持续增加的巨大的能源需求。
下图1-1给出了1995-2011年中国农村能源消费总量的具体数值。 图1-1中国农村能源消费总量
从图1-1可见,我国农村总的能源消费量在2000年为6. 7亿吨标准煤3,占
当年能源消费总量的48. 6%: 2007年为8. 84亿吨标准煤,相较2000年的需求量增长了 32.l%。随着社会经济的发展,我国农村能源供需缺口不断加大,至2011年,我国农村能源年需求量已达14. 97亿吨标准煤。为满足农村地区正常的生产生活,仅仅依靠常规能源的供应已不足够。
我国国土广袤,农村人口占人口总数较大比例。2005年,我国农村能源总消耗量约计9亿吨标准煤,但人均能耗仅为0. 77吨。预计到2020年,我国农村人均纯收入将与当前城市人均纯收入持平。根据居民收入与能源消费的经验比例关系,在己有能源利用技术水平下,农村能源消费的净增长量将超过10亿吨标准煤,约等于预测的届时全国一次能源增长总量。因此,随着我国社会主义新农村建设,如何保障农村能源的来源稳定和提高能源利用效率将成为解除农村经济与社会发展瓶颈重要要求。作为当前我国农村大部分地区主要的用能方式,直接燃烧稻秆、薪柴等能源利用仍占农村地区能源消费总量较大比例,约为60-70%。其他能源,如商品能源、新能源及可再生能源,仅仅起到补充或替代作用。近年来,新农村建设的发展推动商品能源的普及和农村新型能源的幵发利用,农村地区直接焚烧秸秆作为生活用能的情况虽有所减少,但稻秆的燃用量仍保持在35-40%左右。与此同时,我国农村能源消费仍存在诸多问题亟待解决,如用能品质不高、设备落后、浪费严重等。农村能源供求矛盾进一步加剧,供给侧的严重短缺,不仅限制了农村的经济发展,不利于农村居民生活水平的提高,更阻碍了社会主义新农村的生态文明建设。因此,我国农村地区亟须建立一种全新的、安全可靠的可持续清洁能源系统,以推动农村社会经济的发展,有效保护农村地区的生态环境。
沼气具有高效、可再生、清洁等特质,是一种特殊的优质生物质能源。目前已经作为清洁能源被广泛研究和使用。据统计,全世界的沼气使用量,以1.6%的速率增长。沼气的使用越多,这就说明沼气对国家的能源安全和战略有着越大潜在的影响。而根据我国农村的能源使用情况,还存在着能源短缺和能源使用过程中污染排放严重的情况,所以对农村绍气的研究就具有意义。
全球的能源危机和环境问题使人类将注意力引向清洁可再生能源，如太阳能、风能、地热能、潮汐能和生物质能。在我国生物质能的开发研究主要应用于农村，因此发展农村沼气，可以有效缓解我国的能源问题和污染问题，改变了以往农民依靠燃烧秸秆、树木和煤炭的生活方式，减轻了环境压力，保护森林生农村沼气建设可持续发展研究态系统，改善了农户的生活卫生条件，提高了生活质量；同时国家为了缩短城乡差距，实施了新农村建设计划，而发展农村沼气既可以增加农户的收入，又能响应积极建设新型农村建设的国策，可谓一举两得。
3、人们对沼气的研究的发展
3.1国外对沼气的研究
意大利物理学家A.沃尔塔1776年在沼泽地首先发现沼气的存在，1916年第一株甲烷菌由俄国人B.II.奥梅良斯基分离出来，在1980年我国成功分离出甲烷八叠球菌，目前世界上已经分离出的甲烷菌将近20株。
1860年法国人L.穆拉将简易的沉淀池改进成世界上第一个沼气发生器；1925年和1926年，德国和美国分别建造了具有加热设施及集气装置的消化池，也就是现代的大中型沼气池的原型。
二战之后,沼气发酵工艺在西欧国家虽然得到一定的发展，但是由于当时石油的廉价而受到影响和限制"后来由于世界性能源危机的出现,沼气又开始逐渐受到人们的重视，1955年高速率厌氧消化工艺的产生标志了人类对于沼气的掌握进入一个新的台阶，它突破了传统的发酵工艺，大大提高了沼气池的产气率，由原来每立方米池容产0.7一1.5立方米沼气提高到4一8立方米。我国于20世纪20年代建立了第一个沼气池，是由罗国瑞在广东省潮梅地区建成的；随后成立了中华国瑞瓦斯总行，并以此来推广沼气技术。
农村户用沼气使用简图 沼气发电、供热综合利用示意图
3.2 我国沼气的研究发展
3.2.1试验和起步阶段
20世纪90年代以前沼气的发展较为缓慢，1930年前后,主要用于家庭、商店照。我国最先研究沼气的是台湾省新竹县罗国瑞，20世纪20年代形成了实用和价值很高的“中华国瑞天然瓦斯库”，并完善了沼气池的应用技术和建造结构。
1929年夏，“中国天然气瓦斯灯行”一我国的一个沼气商行在汕头成立，其分行遍布全国十几个省市"当时建设沼气池所采用的池型结构与我国目前普遍使用的常规水压式沼气池工艺结构基本相似，建材结构均为混凝土，直到现在还有部分沼气池可以使用。
我国于20世纪50一60年代开始逐步加强对沼气的试验和研究，姜子纲，原武汉中南材料科研所的工程，曾在30年代进入“中华国瑞天然瓦斯库”进行学习研究建造技术，武汉市于1957年建造了一个沼气池，并投入使用，后来毛泽东主席在1958年4月11日前往武汉视察期间参观了这个沼气综合利用的展览，并且提出应该大力推广利用沼气池的想法,随即得到中央和地方政府的重视，于是全国范围内掀起了一场“大办沼气”的群众运动；因此接下来的一年里，我国在没有认真研究沼气厌氧微生物发酵原理的基础上，就掀起了沼气事业发展的大高潮，导致缺乏技术理论指导，从而废弃了已建的很多沼气池，现存当时建造的沼气池能用的已寥寥无几。20世纪70年代初，我国农村开始出现能源的供需矛盾、农民缺乏生活燃料，又开始将注意力转向沼气池的建设上，于是又出现了在没有技术指导、专业施工队伍和急于求成的情况下掀起的建造沼气池的热潮，并很快遍及全国范围，由于主要靠行政命令推动，加上水泥等建池材料不足等问题，当时建成的沼气池质量问题突出，使用年限较短，最终引起人们对于沼气池持怀疑不信任的态度，使我国的农村户用沼气池数量从1970年的6000户发展到1980年的723万户。经过了再一次的失败之后，我国政府开始重视沼气池的理论研究，着手技术指导这一领域,在1979年成立了农业部沼气科学研究所，同年11月农村能源专业委员会成立，由中国农业工程学会设立。1980年1月中国能源研究会设立了农村能源专业委员会。
邓小平同志于1980年7月10日到成都视察农村沼气建设，对沼气有了更深入的认识，并提出沼气发展的方向，要求各级政府认真做好因地制宜工作，以解决农村能源供给不足的问题。1980年10月成立了中国沼气协会，同时举办了全国第一次农村能源学术研讨会。1982年11月，在成都举办了全国第二次农村能源学术研讨会，此次会议形成了国家农村能源建设的16字方针，即:“因地制宜、多能互补、综合利用、讲求实效”。我国农牧渔业部在“六五”期间先后安排了沼气建设重点县72个,开始大力推广沼气的应用，至1987年我国用上沼气的农户己近450万户。
1989年3月24日江泽民同志在谈到主要的节能措施中，特别提到，要加快推动城市煤气化建设进程和农村沼气化进程。
在我国政府的大力支持下，逐渐加强了对沼气发酵的科学研究工作,并通过国际间的学术交流工作，使我们更加认识了沼气发酵的微生物原理。在沼气池工程工艺的研究方面，也逐步向世界先进水平靠拢，使我国沼气建设走上了依靠技术、保证质量、建管并重的发展道路，并逐步形成以节能、环护和绿色生态农业为目标的发展方向。
3.2.2技术突破和工艺完善
经过不断的科研工作和探索阶段，我国沼气池建设无论在技术，还是工艺方面都取得了重大突破。研究出了适应不同气候，不同地理条件的沼气池池型，开发出了使用方便。安全的进出料工艺结构，采用了混凝土浇筑施工的工程工艺，为了解决过去进出料周期短!沼气池寿命短、不安全等技术难题而制定了一系列沼气池建设的国家标准。同时，形成沼气池与农业生产相结合的生态农业循环链结构，如南方的“猪一沼一果”模式、北方的“四位一体”模式、“八五”和“九五”期间平均每年新增沼气池用户36万户和75万户，其中有55%的沼气池完成了沼气的综合利用,如推广北方的“四位一体”能源生态模式和南方“猪一沼一果”能源生态模式,与此同时也建设了大中型畜禽粪便处理的沼气工程。
3.2.3快速发展阶段
我国对农村沼气的建设投入了大量的人力、物力。2001一2005年的“十五”期间，我国政府为了稳步推进沼气建设，将农业增产、农民增收和生态环境改善三驾马车相结合；总共建设沼气池357.60万户，累计投入35.34亿元；建造养殖场的大中型沼气工程120处，投资8115万元。到2005年底,全国户用沼气数量达到了1807万户，年产沼气量约为70亿立方米，折合成标准煤约有500万吨。已建的大中型养殖场沼气工程有3556处，年可处理8700万吨畜禽粪便等废弃污染物，年产沼气总量约2.3亿立方米，折合成标准煤约17万吨，增加了经济效益的同时，保护生态环境。2005年10月11日，中国共产党第十六届中央委员会,第五次全体会议通过《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十一个五年规划的建议》中指出：“大力普及农村沼气,积极发展适合农村特点的清洁能源”。2006年、2007年、2008年、2009年连续四年将沼气建设写入中央一号文件。
2006年，农业部提出并实施了生态家园富民行动，重点推广以沼气为重点的清洁能源技术，实现资源利用高效化、农业生产无害化和家居环境清洁化。