城市和农村沼气发展模式的比较分析

中国人口�资源与环境 2010年 第 20卷 第 3期 专刊 CH INA POPULATION, RESOURCES AND ENV IRONMENT� Vo .l 20� N o. 3� 2010 收稿日期: 2010�01�10 作者简介:刘新宇,博士,研究员,主要研究方向为环境保护与能源政策。 * 该文为 2009年上海社会科学院课题 ( NO. 0912 ) 短期过剩背景下上海新能源产业发展的对策 !的修改阶段性成果。 城市和农村沼气发展模式的比较* 刘新宇 (上海社会科学院生态经济与可持续发展研究中心, 上海 200020) 摘要 � 城市和农村的沼气发展都能发挥替代其他能源、改善环境质量、保障能源安全等多重功效。相比之下,由于农民居住分散,土 地价格低等,农村沼气发展适宜采取分散模式,依赖社区网络对分散的农民进行管理,提供服务。因为城市居民居住集中, 土地价格 高等特点,城市沼气发展适宜采取集中模式,沼气原料收集、沼气和相关产品生产和使用、沼气生产后二次污染防治,都对设施有较强 的依赖性。 关键词 � 沼气发展模式;城市;农村;比较分析 中图分类号 � TK6; X705� � � � � 文献标识码 � A� � � 文章编号 � 1002- 2104 ( 2010) 03专 - 0302- 04 � � 不管是在农村,还是在城市,沼气对于发展当地的替 代能源,改善当地环境质量,促进当地的能源安全,都有积 极的意义。只是,由于社会条件的差异,城市和农村的沼 气发展模式各有其特色。本文将就城乡沼气发展模式的 异同点进行比较分析。 1� 农村沼气:分散式与社区依赖型 农村沼气生产和利用呈现分散式的特征,这就依赖一 套成熟的社区管理服务网络对分散的农户进行有效管理。 1. 1� 分散式发展 农村的沼气池一般是单独一家农户建造一个,也有少 数情况是,相邻农户共用一个较大沼气池或小型沼气工 程,集中收集原料、集中生产沼气的大型沼气工程很鲜见。 一般户用沼气池的池容为 8- 10m 3, 供一家农户炊 事、照明之用,沼液、沼渣用于田间施肥。相邻的农户也可 以实现联户供气,即利用输气管路相互并联,实现联户调 节用气,有多余沼气一时难以用尽, 还可以共用贮气柜。 共用沼气池的池容在 16m3以上, 池容在 20- 100m3 之间 的小型沼气工程适用于畜牧小区、规模养殖户 [ 1]。 在这种情况下,原料收集、沼气生产、沼气供应三个环 节都是分散的。每家每户禽畜圈舍和田间地头的沼气原 料不需要集中,而是分散在各家各户使用, 沼气生产设施 (沼气池 )分散在各家农户家中, 其产品 ∀ ∀ ∀ 沼气、沼渣、 沼液就近供应自家炊事、种植业等用途。 农村沼气的分散式发展与农民的居住模式不无关联。 如果实行集中式生产,就要在大型沼气工程和农户之间铺 设管道,而农民居住得很分散,这就意味着为每户农民铺 设的管道很长,铺设成本很高。在这种情况下, 分散式发 展不失为一种效率较高的选择。 1. 2� 社区依赖型 因为, 农村沼气大多是农民每家每户单独建造,那就 需要对分散的单个农户进行有效管理,提供有效服务。对 此,就需要依靠社区网络建立沼气管理服务网络 (如 #政 府+沼气协会 +农民 ∃网络 ),提高管理效能,降低管理成 本。对于共用沼气池或小型沼气工程的农户而言,更有赖 于社区网络对邻里关系进行协调。 这样的管理服务网络首先是向农户提供技术支持。 其服务功能包括,购置农用运输车、沼肥吸运单元、铡草 机、进出料机具、配件、维修工具等, 统一负责沼气用户的 原料供应、进出料、配件供应、日常维护等工作, 对农民进 行沼气综合利用的指导 [ 2]。 在很多情况下,有些农户沼气产量或原料较多,难以 用光,而另一些农户沼气产量或原料较少,不能满足需求, 这时就需要依靠沼气管理服务网络调剂余缺 [ 3]。调剂的 方式有两种,一种是利用输气管路相互并联,实现联户调 节用气 [ 4] ;另一种是将原料集中后,统一调配 [ 5]。尤其是 联户调节供气,几户农户合用一个沼气池,要求邻里关系 比较和谐,而邻里关系的调节传统上是依靠社区机制,也 是当前的普遍做法。 沼气生产后各种残渣、残液如果处置不当,也会造成 �302� 刘新宇:城市和农村沼气发展模式的比较分析 二次污染,这时,也需要管理服务网络负责监督农户,确保 它们对其进行安全处置或再利用,或者上交给指定的收集 单位 [6]。 由于农民的分散性,由政府直接管理农民的成本是高 昂的,这就需要在政府和农民之间有一个中间层来降低管 理成本,传统上,这个中间层就是农村社区,它为国内外的 经验所证明是行之有效的。社区降低管理成本的功能主 要体现在以下几个方面。其一,社区组织可以扮演农民代 言人的角色,政府与社区组织对话,比与分散的农民一个 个对话的成本要低得多。例如, 在沼气发展中,由社区组 织集中代农民意志,参与管理沼气服务网络,肯定比单 个农民分散性的参与,效率要高。其二,组织农民进行互 助,减少对政府或其他外界主体的依赖。例如,如果农民 能够在社区机制的调节下,自行调剂沼气原料或沼气的余 缺,就不需要政府介入,减少了政府的管理负担。其三,邻 居之间的互相监督,可以降低政府的监管成本。例如, 农 民出于保护自己家园环境的目的,阻止邻居以不适当的方 式处置沼渣、沼液等副产品,污染环境,政府就可以减少监 管建池户的人力。目前,政府管理农民,或者向农民提供 服务,都是通过基层社区组织, 并且这一系统已经或正在 发挥积极作用。因此,农村沼气管理服务网络,不应另起 炉灶,而是依托现有社区组织。 目前,普遍的做法是依托农村社区建立沼气协会, 采 取 #政府+协会 +农户 ∃的管理模式,政府通过协会向农 户提供资源,农户通过协会向政府反映诉求,由农民选举 出来的代表参与协会的管理,农民在协会的协调下开展必 要的互助或互相监督。在协会的组织下采取统一管理、共 享资源的模式运行和维护沼气池,比农民一家一户进行操 作的成本要低,农户只要向协会缴纳少许会费 (如 1元 /户 �月 ) ,就可以享受综合性服务 [ 7]。 政府的作用主要在县一级发挥,而在镇 (乡 )村两级, 沼气协会就比较活跃。四川、广东等省份建立了比较完善 的 #县 -镇 (乡 ) -村 ∃三级管理服务网络,县一级有专门 负责沼气推广的政府部门,指导沼气协会的建立和运行, 向其注入各种资源;在沼气协会的运作下, 乡镇一级建立 沼气服务站;村一级有沼气服务网点,由 1名农民沼气技 术员驻守,应建池户的要求及时提供服务 [ 8- 9]。 高效率的沼气管理服务网络依托社区,也可积极引入 私营部门的力量。如安徽省成立了由资质良好的私营企 业组建的沼气产品维修服务站, 服务站在各县建分站, 分 站从服务站批发沼气配件,统一全省零售价,向乡镇及以 下的沼气服务网络供应沼气配件,提供维修、技术和 指导等服务 [ 10- 11]。 2� 城市沼气:集中式与设施依赖型 由于城市中人口分布、居住模式等特征,那里的沼气 生产以集中式为宜,采取现代化大工厂的生产模式,这就 对大型设施系统提出了很高要求。 2. 1� 集中式发展的理由 由于城市中人口比较集中,单户居民居住空间狭小, 土地价值较高,分散使用所造成的土地浪费经济损失很 大,垃圾、粪便集中收集的基础设施已经比较完善等原因, 城市中的沼气生产宜采用集中的现代化大工厂模式。 第一,城市中人口居住比较集中,管道、加气站的建设 成本摊到每一个用户头上,就比较低。在城市中,为一片 住宅区或工业区集中铺设一根主管道,可以惠及成千上万 的用户,同时只需往每一个用户铺设一根比较短的支管, 平均每个用户的管道铺设成本很低。同样,在人口密集区 建设一个加气站,可以同时惠及许多用户,不少固定成本 可以摊薄。 第二, 城市中单户居民的居住空间比较狭小,无法一 家一户兴建沼气池。因为城市中,土地价值较高,导致房 屋价格较高,一般的城市居民居住空间很有限, 家中不可 能有建设沼气池的地方。 第三,分散式的沼气建设方式,土地利用效率低,浪费 严重;由于城市土地价值较高,同样的低效率土地利用模 式发生在城市,造成的经济损失比在农村要大得多。 第四,由于基础设施比较完善,城市中的垃圾、人畜粪 便都沼气原料已经实现集中收集,为集中式的沼气生产创 造了有利条件。 此外,沼气生产会造成二次污染,产生恶臭,因为城市 中人口居住集中,如果在居民区兴建沼气池,沼气池与居 室之间难以拉开距离,污染物会严重危害居民健康、生活 质量。所以,必须从居民区将垃圾、粪便等沼气原料运出 后,在离居民区较远的地方兴建沼气生产设施。 2. 2� 集中式发展的形式:现代化大工厂 所谓集中式发展,就是把垃圾、粪便等原料运到大型 工厂,在现代企业管理模式下, 利用大机器生产产品 ∀∀ ∀ 沼气或电力。具体而言,主要有以下几种工厂: 第一,垃圾填埋场沼气发电和供热。垃圾在地下填埋 一段时间后,将会不断的产生沼气。在垃圾填埋场建设沼 气发电厂,可以将沼气转化为清洁的电力,并将温室效力 较高的甲烷转化为温室效力较低的二氧化碳 [ 12]。例如, 2007年 5月建成的北京阿苏卫垃圾填埋场沼气发电项目 一期,装机容量为 2. 7兆,年满载发电量可达 2 100万 kW 是地,可供北京市 1. 7万户家 庭全年的用电量 [ 13]。此外, 发电过程中产生的废热可用于供热, 即实现热电联产 �303� 中国人口� 资源与环境� 2010年 � 第 3期 � 专刊 ( CHP) [ 14]。 第二,生物质气化,替代天然气,进入管道。城市中的 有机垃圾、人畜粪便、污水处理厂污泥,以及城市郊区的农 作物秸秆中都含有大量有机质,利用生物质气化产生沼气 之后,再将它提纯为 97% - 99%的甲烷气体,就可以替代 天然气,服务于管道燃气用户 [ 8]。例如,瑞典 L inkop ing沼 气厂建于 1992年,项目总投资 900万欧元,自 2001年开 始,提纯后的沼气可以注入当地的天然气配气管 [15]。 第三,沼气进入加气站,替代车用燃料。现在,众多国 内外城市大力发展液化石油气 ( LPG )汽车和压缩天然气 ( CNG)汽车, 而沼气提纯为 97% - 99% 甲烷后,可进入 CNG加气站,替代其作为车用燃料。与天然气相比,它具 有可利用废弃物生产、不受气源地限制、可再生等优点。 根据国际能源署 2005年的研究,美国、德国、法国等 7 个国家有规模化的车用沼气生产厂 23个, 其中瑞典做的 最好。到 2005年底,瑞典全国有 5 000多辆沼气汽车, 加 气站逐年成倍增加,已达 70余座 [ 16]。 第四,通过净化提纯技术,可从沼气中把 CH 4和 CO2 直接分离出来,作为化工原料,生产多种重要的化工产品。 以 CH 4和 CO2为原料的重要化工产品包括合成气 ( CO + H2)、乙炔、氢气、炭黑、氯甲烷、合成氨、化肥 (以合成氨为 原料 )、甲醇、二甲醚、低碳混合醇和低碳烯烃等,其中, 甲 醇和二甲醚可直接用作车用燃料,替代汽油 [ 16]。 气化、发电、供热、提纯都需要大型、成套的专业化设 备,这些都必须在一个现代化大工厂内方能运作,与之相 配套的是现代企业管理方式,来协调各个生产环节,使之 前后顺利衔接,持续运转。 在这种情况下,原料收集、沼气生产、沼气供应三个环 节都是集中的。沼气原料需要从居民家中收集后,集中运 输到大型沼气生产设施,投入生产过程,其产品由天然气 管网、电网、压缩天然气配售网络、化工品销售网络等集中 供应。 2. 3� 设施依赖型 集中生产模式对设施有很高要求,主要体现在原料收 集、沼气或相关产品生产、沼气或相关产品利用,沼气生产 后二次污染防治等几个环节: 第一,在原料收集环节,需要有完善的设施将垃圾、人 畜粪便等收集并运输到集中进行沼气生产的场所。就垃 圾而言,城市当中已经具备由环卫车辆所连接的 #居住区 中垃圾箱%垃圾中转站%无害化处理场 (厂 ) %垃圾填埋 场 (堆场 ) ∃等基础设施系统。就人畜粪便而言,城市中已 经具备和居民家中厕所或公共厕所相连通的、由环卫运输 车辆所连接的 #化粪池 %无害化处理场 (厂 ) %粪便处理 场 (厂 ) ∃等基础设施系统。城市中此类基础设施已经比 较完善,能够将沼气原料运输到一定场所,为其集中生产 创造了有利条件。 第二,沼气或相关产品的生产环节,离不开大型设施。 生物质的气化、沼气发电、沼气供热、沼气提纯等,都需要 大型设备,以及支持这些大型设备运行的基础设施系统, 例如电网、水网。 第三,沼气或相关产品的利用需要基础设施网络。沼 气发电产生的电力需要通过电网进入居民家中,沼气供热 产生的热力需要通过供热管道服务于用户,沼气替代天然 气,需要依托既有的天然气管道或天然气加气站。 第四,在城市中,沼气生产所产生的沼渣、沼液等不能 就地还田,必须集中收集后进行安全处置或再利用,这就 需要一定设施系统。沼渣或者运输到规定的固体废弃物 处置场所,或者运输到农田中。沼液或者利用厂内或工业 小区内的水处理设施处置后,再排入自然水体, 或者运到 农田喷洒 [ 8]。例如,在德国,发酵后的沼液经储液池贮存 后,由拖拉机罐车运到田间进行喷洒。少数沼气工程采用 固液分离,将沼渣与沼液分离,脱水后的沼渣经简单堆放 后可直接用作有机肥料,清液可再循环进入发酵池 [9]。 3� 城乡沼气发展模式的优劣比较 城市和乡村的沼气发展模式无所谓孰优孰劣, 只能 说,对应于某一种地域的特征,某一种发展模式是最有效 率的;同时,某一种发展模式有与之相适应的管理模式。 对于分散发展模式而言,除了在单个农户居住区域内 部铺设简单的管道外,不需要在沼气生产设施和用户之间 铺设大型管网。但是, 分散发展模式的土地利用效率较 低,土地浪费较严重。相反,对于集中发展模式而言,就需 要在沼气生产设施和用户之间铺设大型管网。但是,集中 发展模式的土地利用效率较高,土地资源得到节约。 就地域而言,农村的特点是居民居住分散,土地价格 低;城市的特点是居民居住集中,土地价格高。 再将地域特征和生产模式特征一一进行组合分析。 在 #农村 +分散发展模式 ∃组合中,不需要铺设管网,即无 管网铺设成本,而土地价格低,意味着土地浪费造成的经 济损失较低,节约下来的管道铺设成本超出这一经济损 失。在 #农村 +集中发展模式 ∃组合中,居住分散意味着 管网铺设成本高,而土地价格低,意味着土地节约的经济 效益较低,不足以弥补增加的管网铺设成本。因此,农村 地域特点与分散发展模式相匹配,与集中发展模式不匹 配。具体的地域特征和发展模式的匹配矩阵 (见表 1): 在 #城市 +分散发展模式 ∃组合中,不需要铺设管网, 即无管网铺设成本,而土地价格高, 意味着土地浪费造成 的经济损失较高,超出节约下来的管道铺设成本。在 #城 �304� 刘新宇:城市和农村沼气发展模式的比较分析 市 +集中发展模式 ∃组合中,居住集中意味着管网铺设成 本低,而土地价格高,意味着土地节约的经济效益较高,超 过增加的管道铺设成本。因此,城市地域特征与集中发展 模式相匹配,与分散发展模式不匹配。 表 1� 农村和城市沼气发展模式的匹配矩阵 项目 分散式发展模式: 不需要铺设管网,土地 利用效率低 集中发展模式: 需要铺设管网,土地 利用效率高 农村: 居住分散, 土地 价格低 无管网铺设成本,土地 浪费的经济损失较低 ( & ) 管网铺设成本高, 土 地节约的经济效益 较低 ( ∋ ) 城市: 居住集中, 土地 价格高 无管网铺设成本,土地 浪费的经济损失较高 ( ∋ ) 管网铺设成本低, 土 地节约的经济效益 较高 (& ) 不同发展模式需要与之相适应的管理模式。就分散 式发展模式而言,需要对分散的农民进行管理,提供服务; 对此,依托社区建立沼气管理服务网络是最有效的,它可 以在方便农民与政府对话,组织农民互助和互相监督等方 面,降低管理成本。就集中式发展模式而言,就需要建设 和运行现代化大工厂,以及支撑它们运行的基础设施; 对 于它们,现代化的企业管理模式方是有效的。 (编辑:于 � 杰 ) 参考文献 [ 1]朱军平,黄振侠, 邹昌谆,蒋英华,伍玉. 吉安县农村小型沼气工 程集中 (联户 )供气模式 [ J].中国沼气, 2008, 26 ( 1) : 34- 36. 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Correspond ingly, because peop le live c lo se together and land price is h igh in urban areas, it is proper to de� ve lop biog as in the centralized m ode in c ities, in wh ich co llection o f raw m ate rials, production and utiliza tion o f b iogas and related products, as w ell as trea tm ent of secondary po llution all depend on adequa te fac ilities and in frastructures. K ey words� biogas deve lopm en tm ode; urban; rura;l comparative analysis �305�