规模化养殖是中国农村经济的优势产业，规模化养殖在实现集约经济优势的同时，也带了严重的环境污染，沼气工程是养殖场废弃物治理最主要的解决办法。在实践中规模化养殖场沼气工程的设计发展程度却很低。近年来，许多研究者开展了这方面的研究工作，从保温措施、升温方法等方面开展研究。石河子地区农牧团场大中型养殖场沼气原料丰富，具有发展沼气的良好前景。但由于石河子地区冬季长而严寒，沼气池产气率低下，成为制约该地区发展沼气工程的主要因素。
本文通过对石河子地区大中型沼气工程进行实地调研，总结研究出石河子地区大中型沼气池冬季适宜的保温、增温模式，为石河子地区沼气工程全年使用提供参考。
1 研究区概况
1.1 气候条件
石河子垦区地处天山北麓中段，属典型的大陆性温带干旱气候，冬季长而严寒，夏季短而炎热。极端高温42.8℃，极端低温-38.9℃。
石河子垦区沼气工程项目示范推广自2004年开始启动，现在已进入快速发展阶段，至2008年底，北泉镇、石河子乡共建设沼气池172座，其中：“四位一体”的73座；“一池三改”的99座；新型的膜厌氧反应器加太阳能两座，其余为现浇混凝土。大中型沼气池容积有60m3、120m3、500m3等。
1.2 石河子地区大中型沼气池存在的主要问题
1.2.1 部分沼气池池型不利于沼气池保温
石河子部分地区大中型沼气池池型选择不当，不适合当地使用；设计建造没有严格按畜禽养殖业规模大小设计配建相应容积的沼气池；沼气池水压间容积与主池容积比例严重失调，水压间相对太小；设计时未充分考虑沼气池荷载等。
1.2.2 部分沼气池保温不可靠、无增温措施等
北方寒冷地区冬季漫长，由于气温低，沼气的生产存在产气率低、使用率低、原料分解率低、沼气使用综合效益差等问题，沼气每年只能使用几个月，全年大部分时间不能正常使用，这种状况在一定程度上限制了石河子地区沼气的发展。
石河子冬季极端低温达到零下30℃以上，甲烷菌群活性急剧下降，因此必须对沼气池做相关保温措施和增温补温改进。石河子地区部分大中型沼气池保温不可靠，无增温措施，这是石河子地区大中型沼气池利用效率偏低的原因之一。
1.2.3 建池材料选择不当、施工粗放，造成渗漏
沼气池建池材料要选择高标准的建筑材料，混凝土、水泥、砂、卵石、碎石和粘土砖的选用都应按沼气池施工标准严格选用。石河子地区部分沼气池施工粗放，存在渗漏现象，这些都严重影响了沼气池的产气率。
2 石河子地区沼气池保温、增温设计方案
2.1 池型选择与优化
沼气池的设计规模完全取决于畜禽养殖场粪污的排放量，再根据沼气池反应器的工作原理和实际运行经验确定沼气池池型。沼气池有很多种不同的类型, 目前常见沼气池池型有：水压式沼气池、预制钢筋混凝土板装配式沼气池、半塑式沼气池、圆筒形沼气池、椭球形沼气池、分离贮气浮罩沼气池。通过调研，依据石河子地区地下水位和气候具体情况要求，笔者认为石河子地区宜选用固定拱盖水压式沼气池、曲流布料水压式沼气池和分离贮气浮罩沼气池三种适宜池型。
2.1.1固定拱盖水压式沼气池。如图1所示，池体结构受力性能良好，结构简单，充分利用土壤的承载能力，省工省料，成本较低。通过调研发现，该沼气池在严寒气候产气率急剧下降，保温效果差。在石河子地区小范围可以使用，不宜大面积推广。为了提高冬季的产气率，笔者进行了以下结构的优化：（1）活动盖与沼气池结合处增加保温材料，防止冷气渗入。（2）进料口内壁铺设加热盘管，冬季极端严寒气温时，由辅助加热防止进料口冻塞。
图1 固定拱盖水压式沼气池构造
图2 曲流布料水压式沼气池剖面图
2.1.2 曲流布料沼气池。如图2所示，主要由圆筒形池身、削球壳池拱、5°斜底和水压间组成。笔者通过对石河子垦区大中型沼气池进行调研，发现标准的曲流布料沼气池工程图并不能完全的适应石河子垦区冬季严寒的极端低温，因此需要对其改进优化：（1）进料口、天窗盖是冬季最容易结冰堵塞的关键部位，可依标准图集将进料口缩小，增加进料口盖。（2）布料器设置增温结构，冬季过冷可打开增温装置，提高池容负载能力，提高池容产气率。（3）破壳搅拌系统设计为可升降结构，沼气池不用或者维修时可以将破壳搅拌系统升至沼液以上。（4）出料口及出料管加强进行保温防护。
2.1.3 分离贮气浮罩沼气池。如图3所示，主要由圆筒形池身、削球壳池拱、5°斜底和贮气浮罩及配套水封池组成。分离贮气浮罩沼气池造价不高，管理操作简便易行，小型高效、自身耗能少，适合石河子地区推广使用。通过调研发现，该池型冬季产气效果明显，但也存在着不足，笔者建议从以下进行优化设计：(1) 分离贮气浮罩沼气池发酵池与气箱分离，调配池与浓缩池可以选址放置在供暖室内。 (2)水封池与沼气池的结合处应该进行严格保温，增加防漏装置。
图 3 分离贮气浮罩沼气池
2.2 沼气池建筑材料选择
大中型沼气池常采用的结构形式为现浇钢筋混凝土结构和砖混结构，建造沼气池需用的建筑材料有混凝土、水泥、砂、卵石、碎石和粘土砖。为保证沼气池的强度和刚度要求，发酵罐池现浇混凝土应采用C20以上；普通粘土砖采用MU10以上；混凝土预制板采用C20以上；砌筑砂浆采用MU10以上；进、出料管采用C20号混凝土预制，亦可采用成品管；各种活动盖及其他盖板均采用钢筋（钢丝、铅丝）C20混凝土预制；相关部位用沼气池专用材料进行防漏、防渗处理。
3 工程应用
3.1 工程概况
石河子西部牧业股份有限公司大型能源沼气工程于2010年建成，如图5所示，由青岛天人环境股份有限公司设计、施工并指导测试，以规模化厌氧消化为主要技术，集沼气生产、资源化利用为一体的系统工程。采用中温CSTR一体化反应器工艺为核心采用改良型的USR厌氧发酵工艺的沼气制备和利用技术，以牛粪为原料制备沼气，沼气用于站内锅炉燃用，沼液沼渣作为农肥用于周边农田。主要设计包括：容积296m3的一体化厌氧罐两套及配套脱硫等设施；容积38.91m3的调粪池；容积900m3沼渣沼液池；容积30.7m3集污池；其它工程配套设施。
该工程沼气主要用于规模化奶牛养殖场自备锅炉。日处理牛场鲜粪约45t，污水约60 m3。1m3沼气热值相当于标准煤0.75千克，项目建成后达到节能550t标准煤。
图4 工艺流程图
图5 石河子西部牧业沼气反应器
该沼气工程调配池、浓缩池、固液分离机均建于室内，有效保证了进料口冬季不冻冰堵塞；同时沼气沼渣运输管道进行了外粘泡沫保温，达到了冬季管道由于气温太低冻裂的问题；沼气发酵罐外壁设计为深蓝色，能有效利用太阳能集热，为发酵罐提供热量；发酵罐内壁有加热盘管，池壁嵌有岩棉和苯板保温材料，保证冬季罐内温度能持续产气。
3.2 工程存在的问题
该沼气工程在克服石河子垦区冬季极端严寒气候上，保温、增温措施还存在不足：(1)调配池和浓缩池虽然建于室内，但其室内没有进行冬季供暖。（2）室内布置有沼气池进料输送管道，室内管道没有进行保温措施。（3）2个沼气池建造间距偏近。(4)沼气反应池内加热盘管稀疏。 (5)沼气反应池建于露天室外。
3.3 工程保温、增温改进
针对西部牧业沼气工程存在的问题，笔者提出了3项改造措施：(1)室内调配池和浓缩池进行冬季热水供暖。（2）沼气池进料输送管道包被玻璃丝棉或者泡沫材质进行严格保暖。（3）2个沼气发酵罐间距增大，防止罐体遮挡阳光。(4)沼气反应池内增加加热盘管数量。 (5)将沼气反应池置于密闭玻璃温室中或建于地下。
4 石河子地区沼气池保温、增温模式探讨
依据石河子地区冬季严寒的地理气候条件，为解决石河子地区大中型沼气池冬季产气率低的问题，提出以下石河子地区的大中型沼气池保温、增温模式：
4.1 石河子地区沼气池的保温模式
4.1.1 池址、池型选择。防止冬季低温影响沼气利用率，充分利用太阳能资源，选择在背风向阳、地下水位低的地方修建沼气池。沼气池的主池和水压间必须选择在背风向阳处，发酵间建于冻土层以下。为了取得更好的保温效果，一般储气间也建于冻土层以下。池型方面，结合石河子地区地质构造和气候条件，宜选用固定拱盖水压式沼气池、曲流布料沼气池、分离贮气浮罩沼气池。
4.1.2 进、出料口及管道优化。进、出料口不要过大且要加盖，避免发酵间料液大量溢到进料口和出料间导致料温降低。石河子冬季气候严寒，进、出料口可考虑置于室内并提供采暖，室外沼气运输管道进行严格的保温构造处理。
4.1.3 池壁采用防寒沟。沼气池池壁采用XPS挤塑板等保温材料进行严格保温，沼气池周围挖防寒沟，沟宽0.2～0.3m，距沼气池内壁1.0m，沟深与沼气池深度相同，防寒沟内填充透气、导热率小的材料，如炉渣、干牛粪、干马粪、秸秆等。
4.1.4 以料补温。冬季管理要注意勤出料、勤进料，每次进出料量要少，进料要适当添加一些热性原料，如经过沤制的作物秸秆、牛粪、马粪等，以提高发酵物浓度，增加池温，在入料前将6%的料液浓度提高到10%左右，采取以料补温的方法。石河子地区气候寒冷，要特别注意晚上沼气池的保温，可将杂草、秸秆等堆在沼气池上，也可以在沼气池上铺1层草木灰、黑煤渣等，然后再在上面覆盖双层塑料薄膜，达到白天集热、晚上保温的效果。有条件的可覆盖酿热物保温防寒。
综上所述，石河子地区宜采用的保温模式有：适宜的沼气池工程选址及池型、进出料口及管道防冻处理保温、沼气池池壁保温构造保温、
4.2 石河子地区沼气池的增温模式
4.2.1 利用生物质发酵。此项技术是提高沼气池池温的有效措施，其依据是利用秸秆堆沤发酵产生热量的原理。具体做法是把沼气池顶上部覆盖30～40cm厚的小麦秸秆，加足量水，在秸秆外面覆盖农膜和土层。既能增温，还能达到保温的作用。
4.2.2 利用太阳能。把沼气池建在太阳温室（大棚）内，充分利用光照提高沼气池池温。太阳能热水器中热水流入池内热交换管道，进行热循环，以提高料温。如太阳能加热型玻璃钢沼气池的研制，能利用太阳能热水循环系统提高玻璃钢沼气池的罐体温度，能较好地解决寒冷地区冬季由于低温而导致不产气的问题。
4.2.3 利用辅助燃烧式沼气池。在原有沼气池的基础上建造燃烧池，集燃烧池、沼气池为一体。利用生物质能资源，在燃烧池内有序燃烧，给池内持续输送热能，提升沼气池内温度，增强池内细菌、甲烷菌的活性，能有效解决高寒地区冬季沼气池由于气温低池内发酵放缓或停止，导致沼气池不能正常使用的难题。
4.2.4 利用电伴热。电伴热作为沼气工程有效的管道(储罐)保温及防冻方案一直被广泛应用。通过伴热媒体散发一定的热量，通过直接或间接的热交换，补充管道、沼气罐的热损失，以达到升温或防冻的正常工作要求。
5 结束语
科学设计、建池，选用适宜的沼气池池型是沼气池产气率提升的关键因素，根据具体情况采取综合的技术措施，改进沼气池保温、增温构造，加强沼气池运行维护管理，石河子地区完全可以进一步提高原料利用率、产气率和沼气池的产气量，实现全年使用沼气的目标。
