宋海军， 马 培， 崔树军， 马梦娟

(河南工程学院 资源与环境学院, 河南 郑州 451191)

项目来源： 国家青年基金项目(41401549)； 河南省教育厅科学技术重点研究项目(14B610009)

户用沼气池建设对改善农村室内环境效果分析

宋海军， 马 培， 崔树军， 马梦娟

(河南工程学院 资源与环境学院, 河南 郑州 451191)

文章通过定点采样，fi等方法，定量对比分析户用沼气池对农村室内环境改善效果。研究结果表明：沼气户室内空气中CO，NH3，SO2，PM10等污染物浓度分别为5.64 mg·m-3，1.05 mg·m-3，0.38 mg·m-3，0.57 mg·m-3，而非沼气户室内4种污染物浓度分别为144.76 mg·m-3，4.38 mg·m-3，0.73 mg·m-3，0.87 mg·m-3，沼气户明显低于非沼气户，且4种污染物浓度随季节而变化。另外，沼气户相对于非沼气户室内空气中四项污染物浓度贡献率分别为96.10%，76.03%，47.9%，34.48% 。可见，户用沼气池建设对改善农村室内环境效果显著。

沼气池； 室内空气质量； 季节变化； 空气污染

人们每天有80%以上的时间在室内度过，室内环境的好坏直接影响到人体健康。国内外大量研究表明，室内空气污染程度往往比室外高[1]。据世界卫生组织2011年发布的《室内空气污染与健康》指出，室内空气污染程度已经高出室外污染5～10倍，全球4%的疾病与室内空气质量相关，每年大约有200万人因室内空气污染所致疾病而过早死亡[2]。这种情况在农村地区表现得尤为突出，由于受经济条件的制约，传统能源煤炭、薪柴和秸秆的使用比重达到90%以上，这些物质在室内明火或功能简单的炉灶中燃烧，造成室内空气污染，烟气中含有大量有毒有害物质，对人体的呼吸系统等造成不良影响[3]。

在我国，每年由室内空气污染引起的死亡人数高达11.1万人[4]。传统低效高耗用能模式不仅浪费了资源，而且破坏了农村的生态环境，直接威胁到人们身体健康。近年来随着能源紧张局势的加剧，各种可再生资源的利用得到了较快发展，在农村地区主要集中在沼气的利用[5-6]。沼气具有较高的热值，并能替代煤炭、石油、天然气等化石能源及薪柴、秸秆等生物质能源，可减少温室气体排放[7-8]，对改善室内空气质量效果显著。笔者研究通过选取典型代表性农户，通过对沼气户和非沼气户进行实地监测，对比分析沼气户与非沼气户室内空气中CO，NH3，SO2，PM10等污染物浓度，为进一步推广户用沼气池建设提供定量化支持。

1 材料和方法

1.1 选点

选点应具有较强的对比性，广泛使用传统能源煤、薪柴、秸杆等，同时沼气发展速度涉及面较广。通过实地调查发现，河南省夏邑县户用沼气池使用普遍，沼气建设推广较早，故选址在该县太平镇卜庄村，选取5户沼气户和5户非沼气户作为研究对象。

1.2 采样

1.2.1 采样时间和频率

分别于2014年3月，6月，9月和12月对选定的10监测点进行采样，每日采样3次，连续采样3日。采样时间选定在每日的三餐期间进行。并对采样结果进行动态监测。

1.2.2 采样点选择

选择在农户的厨房内，要求距墙和炉灶的距离0.5～1 m之间，高度设定为1.45 m(此高度是当前农村室内人们活动时呼吸所达到的平均高度)。

1.2.3 采样方法

1.2.3.1 一氧化碳(CO)

使用CO检测仪，连续采样45 min，每15 min读1次数，求其平均值。采样时对选取的对象进行同步测定，同时根据实际需要选择不同量程的CO检测仪。

1.2.3.2 二氧化硫(SO2)

采用中流量大气采样器(0.5 L·min-1)，内装有甲醛缓冲吸收液的吸收管，每次采集时间为45 min。

1.2.3.3 氨气(NH3)

采用中流量大气采样器(0.5 L·min-1)，内装有稀硫酸吸收液的吸收管，每次采集时间为45 min。

1.2.3.4 可吸入颗粒物(PM10)

使用装入滤膜的可吸入颗粒物(PM10)切割器，采用中流量大气采样器(100 L·min-1)，采集60 min后取下滤膜，带回实验室进行检测。

1.3 试验仪器及材料

1.3.1 试验仪器

中流量大气采样器(Th-150CIII型)，CO测定仪(TY-9500型)，分析天平，紫外分光光度计(S54)。

1.3.2 试验材料

玻璃纤维膜、去离子水、洗瓶。

1.3.3 试剂

甲醛缓冲吸收液，0.05%PRA试剂，0.06%氨磺酸，1.5 mol·L-1的NaOH、氨吸收液(0.005 mol·L-1的稀硫酸)、酒石酸钾钠溶液，钠氏试剂，SO2标准溶液、氨标准溶液。

1.4 试验方法

室内空气各污染物浓度监测方法及依据见表1。

表1 室内空气测定项目与测定方法[9]

2 结果与分析

目前，农村地区多数村民的生活用能仍以秸秆、薪柴、木炭为主，因使用的炉灶类型千差万别，制订一套反映不同区域、不同用能结构的农村厨房主要污染物排放标准难度较大。为此，我国还没有颁布《厨房空气质量标准》。笔者研究参照《室内空气质量标准》，探讨户用沼气池建设对室内环境的影响。

2.1 室内一氧化碳(CO)含量对比分析

监测结果显示，沼气户室内CO浓度最大值为8.82 mg·m-3，最小值为2.46 mg·m-3，非沼气户CO浓度最大值为235.84 mg·m-3，最小值为53.68 mg·m-3，与《室内空气质量标准》中CO标准限值(10 mg·m-3)相比，非沼气户室内CO浓度平均值是标准限值的14.47倍，CO浓度严重超标，而沼气户室内CO浓度平均值低于标准限值。对比见图1。

图1 室内空气中CO浓度对比图

由图1可知，沼气户室内空气中CO的浓度明显低于非沼气户，平均浓度比非沼气户低139.12 mg·m-3。由于非沼气户使用低质量的煤和未加工处理的生物质原料作为生活燃料，这些燃料在简单的炉灶内燃烧，因为燃烧不完全，易产生CO。而沼气作为一种清洁能源，由于燃烧彻底，室内空气中污染物CO浓度大大降低。可见，户用沼气池建设使用后大大改善了农户室内环境。

从季节对比情况来看，沼气户和非沼气户都是冬季室内空气中CO浓度最高，春秋季节其次，夏季CO浓度最低，原因是冬季气温低，沼气发酵受到抑制，产气率下降，相应的增加了煤炭使用量，另外一方面就是冬季农户往往将门窗关闭，不利于CO扩散，从而造成CO排放量增加。

2.2 室内二氧化硫(SO2)含量对比分析

监测结果显示，沼气户室内SO2浓度最大值为1.62 mg·m-3，最小值为0.48 mg·m-3，非沼气户SO2浓度最大值为7.12 mg·m-3，最小值为1.64 mg·m-3，与《室内空气质量标准》中SO2标准限值(0.5 mg·m-3)相比，非沼气户室内SO2浓度平均值是标准限值的8.76倍，沼气户室内SO2浓度仅是非沼气户的23.97%。对比见图2。

图2 室内空气中SO2浓度对比图

从图2可以看出，沼气户室内空气中SO2的浓度明显低于非沼气户，由于煤炭是农户家燃料中产生SO2有害气体的主要原料，对于沼气户来说，沼气燃烧几乎不产生SO2，且每户均安装有脱硫装置，对降低室内空气中SO2浓度，改善室内空气质量效果较为明显。但是，从图中不难看出，沼气户室内空气中SO2浓度仍高于标准限值，究其原因，主要是由于沼气使用过程中，未对安装的脱硫装置定期进行护理，如果净化器中的脱硫剂长期不作更换和再生处理，装置中的脱硫剂易结块堵塞管路，造成净化器起不到净化作用，使得沼气户室内空气中SO2浓度相对偏高。

从季节对比情况来看，沼气户和非沼气户室内空气中SO2浓度表现出与CO类似的变化趋势，都是冬季最高，春秋季节其次，夏季SO2浓度最低，冬季SO2浓度是夏季的3.38倍，这主要是因为无论是沼气户还是非沼气户冬季增加了煤炭的使用量，且空气流动性较差，导致室内SO2浓度增高。

2.3 室内氨气(NH3)含量对比分析

监测结果显示，沼气户室内NH3浓度最大值为0.52 mg·m-3，最小值为0.24 mg·m-3，非沼气户NH3浓度最大值为0.89 mg·m-3，最小值为0.57 mg·m-3，与《室内空气质量标准》中NH3标准限值(0.2 mg·m-3)相比，非沼气户室内NH3浓度超标严重，是沼气的7倍多。对比见图3。

图3 室内空气中NH3浓度对比图

由图3可知，非沼气户室内空气中污染物NH3浓度明显高于沼气户。究其原因，主要是因为沼气户在沼气池建设使用后，把动物粪便、农作物秸秆等及时收集排入密封的沼气池进行发酵，减少了NH3排放量[10]，从图3也可以看出，沼气户和非沼气户室内空气中NH3浓度均比标准限值要高，原因是沼气在发酵过程中会产生少量的NH3，从而造成沼气户NH3浓度超标。但在同等条件下，户用沼气池建设使用后在很大程度上降低了NH3浓度，改善了室内环境。

从季节对比情况来看，沼气户和非沼气户室内空气中NH3浓度均表现出与CO和SO2相反的变化趋势，夏季最高，春秋次之，冬季最低，这是因为无论沼气户还是非沼气户在夏季堆肥时，速率较快，造成NH3浓度偏高，而春秋季和冬季NH3浓度变化不明显。

2.4 室内可吸入颗粒物(PM10)含量对比分析

监测结果显示，沼气户室内空气中PM10浓度最大值为0.86 mg·m-3，最小值为0.28 mg·m-3，非沼气户PM10浓度最大值为1.28 mg·m-3，最小值为0.46 mg·m-3，与《室内空气质量标准》规定的PM10浓度标准限值(0.15 mg·m-3)相比，非沼气户室内空气中PM10浓度是标准限值的7倍多，超标较为严重。

由图4可知，沼气户室内空气中PM10含量低于非沼气户，究其原因，非沼气户主要使用传统能源作燃料，产生的SO2，NOx等经化学反应生成MSO4，MNO3等颗粒物，且生成的烟气中含有微小粒子，导致室内空气中PM10浓度明显偏高。

图4 室内空气中PM10浓度对比图

另外，从季节对比情况来看，无论是沼气户还是非沼气户室内空气中PM10浓度在夏季较高，春秋次之，冬季较低，但各季节室内空气中PM10浓度变化并不太明显，这与PM10的自身特性有关，室内空气中PM10浓度除与燃料燃烧产生的烟尘有关外，还与人为活动产生的粉尘以及自然尘粒等有关。在同等条件下，户用沼气池建设有利于降低PM10浓度和改善室内环境。

2.5 户用沼气池建设对改善室内环境的贡献率

沼气户相对非沼气户室内空气中污染物浓度的贡献率由下式定义[10]。

式中：CR为贡献率；Cj为使用传统能源的农户污染物浓度；Ci为使用沼气能源的农户污染物浓度；n,k为分别为使用传统能源和沼气的户数。

户用沼气池建设对改善室内环境的贡献率计算结果见表2。

表2 沼气户相对非沼气户四项指标的贡献率 (%)

从表2中可以看出，沼气的使用对室内空气中污染物CO的改善最为显著，相对非沼气户其贡献率为96.10%；SO2，NH3，PM10相对非沼气户其贡献率分别为76.03%，47.9%，34.48%的污染。户用沼气池建设使用后对于PM10的贡献率相对较低，分析发现PM10的产生因素比较广，比如人类活动产生的粉尘、室外悬浮颗粒物的浓度及通风条件等，对室内PM10浓度都会造成一定影响。

3 结论

(1)通过对比分析发现：户用沼气池建设使用后，沼气户室内CO，SO2，NH3，PM10等污染物浓度明显低于非沼气户。

(2)沼气户和非沼气户室内空气中CO，SO2，NH3，PM10等污染物浓度随季节而变化，其中冬季和夏季变化较为明显。

(3)户用沼气池建设使用后，对室内空气中污染物CO，SO2，NH3，PM10等改善较为明显，相对于非沼气户其贡献率分别为96.10%，76.03%，47.9%，34.48%。

可见，户用沼气池建设使用后，室内空气中CO，SO2，NH3，PM10等污染物浓度下降明显，沼气户室内环境得到明显改善，应在河南省乃至全国大力推广户用沼气池建设。

[1] 郑柳萍, 刘汉甫. 室内空气污染分析及防治对策[J].中国环境卫生，2004,03:114-117.

[2] 王珊珊. 关于住宅室内环境污染性研究[D].山东：青岛大学，2014．

[3] 胡 婧, 郭新彪．生物质燃料燃烧所致的室内空气污染及其健康影响研究进展[J].环境与健康杂志， 2007, 24(10):827-829.

[4] 周中平.室内污染监测与控制[M].北京: 化学工业出版社, 2002,25-63.

[5] 张培栋，王 刚．农村户用能源生态工程北方模式能量化研究[J]．太阳能学报，2005，(26)6：815-819.

[6] 沈连峰, 陈景玲, 马巧丽,等．沼气建设对改善农村生态环境的研究[J]．中国沼气，2009，27(5)：21-24．

[7] Zhang P D Jia，et al．Contribution to Emission Reduction of CO2and SO2by Household Biogas construction in Rural China[J]．Renewable and Sustainable Energy Reviews，2007,11(8)：1903-1912.

[8] 刘 宇，匡耀求, 黄宁生.农村沼气开发与温室气体减排[J].中国人口·资源与环境, 2008, 18(3): 48-53.

[9] 国家环境保护总局.空气和废气监测分析方法 [M].北京：中国环境科学出版社，2003.

[10] 宋海军,李 钢，沈连锋.户用沼气池建设对改善农村生态环境效果分析[J].自然资源学报, 2013 28(5): 854-861.

[11] 肖俊华,魏泉源,董仁杰.可再生能源利用对农户室内空气质量的贡献初探[R]//中国环境科学学会, 北京,2006.

AnalysisonImprovingRuralIndoorEnvironmentbyUsingBiogas/

SONGHai-jun，MAPei，CUIShu-jun，MAMeng-juan/

(CollegeofResourcesandEnvironment,HenanUniversityofEngineering,Zhengzhou451191,China)

To analyze the effect of biogas application on improving rural indoor environment, the quantitative comparison was carried out by fix-point sampling and field monitoring. The results showed that the content of CO, NH3, SO2, PM10for indoor air of biogas utilization family were 5.64 mg·m-3, 1.05 mg·m-3, 0.38 mg·m-3, 0.57 mg·m-3respectively, and those for non-biogas family were 144.76 mg·m-3, 4.38 mg·m-3, 0.73 mg·m-3, 0.87 mg·m-3respectively, All the 4 monitored pollutant concentrations in biogas utilization families were significantly lower than those of non biogas family. And the pollutant concentration was varying with the seasons. Comparing the indoor air with non-biogas family, the CO, NH3, SO2, PM10in biogas family decreased their concentration by 96.10%, 76.03%, 47.9%, 34.48% respectively. It showed that CO contributed the best in improving rural indoor air.

household biogas digester; indoor air quality; seasonal variation; air pollution

2016-09-16

2016-09-30

宋海军 (1978-)，男，河南周口人，副教授，主要从事固体废物处理与利用研究等工作，E-mail:navy312@163.com

S216.4

B

1000-1166(2017)04-0091-04