壽亦豐

筆者多次赴美國考察可再生能源與環(huán)境技術(shù)，并于2007-2008年在明尼蘇達大學(xué)作為訪問學(xué)者合作研究一年，對美國沼氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和典型沼氣工程進行了實地考察和深入研究?，F(xiàn)將美國沼氣技術(shù)、激勵政策、產(chǎn)業(yè)發(fā)展和趨勢進行介紹和分析，供大家參考和借鑒。

1 概述

美國沼氣工程與歐洲和中國相比總體上發(fā)展緩慢。70年代因石油漲價，觸發(fā)了一些沼氣工程設(shè)施建設(shè)。1970-1990年間，以能源為主要目的，大約建造了大約140座沼氣工程。但由于設(shè)施簡陋，設(shè)計不規(guī)范，安裝不合理，管理差等問題，這些早期的沼氣發(fā)酵罐大多數(shù)已經(jīng)報廢或停止使用[1]。近五年來，隨著全球氣候變暖和化石能源緊缺，沼氣技術(shù)又日益受到重視，相關(guān)研究和示范工程建設(shè)逐步回暖。據(jù)美國環(huán)境保護署（EPA）統(tǒng)計[2]，2007年正常運行的沼氣工程大約有111個，基本上是畜禽場沼氣發(fā)電工程，每年產(chǎn)生2.15億Kwh當(dāng)量的總能量（見圖1）。2007年沼氣工程生產(chǎn)的能量是2003年的3倍。

2 沼氣工程發(fā)展的主要驅(qū)動力

2.1 環(huán)境與能源效益是美國沼氣工程發(fā)展的主要推動力

據(jù)美國環(huán)境保護署（EPA）的對美國人為產(chǎn)生的甲烷排放調(diào)查，從1990-2005年來自能源和工業(yè)行業(yè)的二氧化碳等溫室氣體排放量呈下降趨勢，而畜牧場糞污管理中甲烷等溫室氣體釋放增長了34%。因為，美國農(nóng)場的養(yǎng)殖和種植發(fā)展基本相配套，原來養(yǎng)殖糞污大多在貯存塘露天存放，然后還田做肥料，存放環(huán)節(jié)產(chǎn)生了大量的甲烷和二氧化碳等溫室氣體。

沼氣工程能夠帶來最大化地減少溫室氣體排放，控制臭氣的釋放，避免糞便流失帶來水資源的污染等環(huán)境效益；同時產(chǎn)生可利用的沼氣（50-70%甲烷）能源和有營養(yǎng)價值的肥料，可改善衛(wèi)生條件。由于這些沼氣工程效益和日趨嚴格的環(huán)境要求，提高了政府、農(nóng)場主和可再生能源公司建設(shè)沼氣工程的積極性。

2.2 激勵政策

近年來，為推動畜禽糞污沼氣工程建設(shè)，實現(xiàn)節(jié)能減排，美國農(nóng)業(yè)部（USDA)，美國環(huán)境保護署（EPA），美國能源部（DOE)共同推出AgSTAR項目，建立沼氣項目發(fā)展服務(wù)管理平臺，提供沼氣工程建設(shè)的政策、法律、技術(shù)、設(shè)備和市場服務(wù)信息。美國聯(lián)邦政府和各州也制定鼓勵發(fā)展沼氣工程的項目和提供財政支持。因此，大多數(shù)沼氣工程得到美國聯(lián)邦政府和各州有不同的激勵政策的財政補助[3]。例如，2002年《農(nóng)場法》中的可再生能源和能源效率9006條款規(guī)定支持沼氣項目[4]，從2003年以來，美國農(nóng)業(yè)部已經(jīng)為厭氧消化系統(tǒng)總計撥款3100萬美元[2]。明尼蘇達州農(nóng)業(yè)廳的《產(chǎn)甲烷消化池貸款項目》為建沼氣發(fā)電工程的農(nóng)場主提供無息貸款[5]。

3 美國三種典型厭氧消化工藝

3.1覆膜厭氧塘（見圖2）

在原有的畜糞儲存塘上加蓋一個膜收集沼氣，有機負荷低，一般0.05-0.2KgCOD/M3.d。水力停留時間60-360天，取決于設(shè)施的管理，通常發(fā)電余熱加熱的覆膜厭氧塘比常溫的

圖2處理8600頭豬糞污水的覆膜厭氧塘[6]

停留期短。處理糞污TS濃度0.5-3.0%。較多用于豬糞污水處理。

3.2全混合厭氧消化器（見圖3）

用鋼筋混凝土或鋼結(jié)構(gòu)建造，有攪拌機和增溫設(shè)施，頂蓋用固定密封頂或膜頂收集沼氣。中溫35-40.5℃發(fā)酵，有機負荷為1-10KgCOD/M3.d。水力停留時間5-20天，處理糞污TS濃度3-10%。當(dāng)前，德國產(chǎn)氣儲氣一體化厭氧罐新技術(shù)已經(jīng)在美國Wisconsin等農(nóng)業(yè)州的牧場得到應(yīng)用，因其造價低和技術(shù)可靠，已逐步成為主流池型。

3.3 塞流式厭氧消化器（見圖4）

一種窄長型地下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，增溫，一般頂部蓋單膜收集沼氣。采用中溫35-40.5℃發(fā)酵，有機負荷為1-6KgCOD/M3.d。水力停留時間18-20天，處理糞污TS濃度5-13%。常用于牛場糞污，但不適合含砂糞便。

這三種因為工程造價低，管理方便成為美國主流厭氧工藝，塞流式、全混式、覆膜厭氧塘的數(shù)量分別占總沼氣工程的58%、27%和19%。，其他也有個別農(nóng)場采用ASBR和UASB工藝處理豬糞污水。

4 美國沼氣工程發(fā)展存在的主要障礙

當(dāng)前，美國沼氣工程發(fā)展面臨一些經(jīng)濟、技術(shù)、政策和社會等方面的障礙[3]。

4.1 在經(jīng)濟方面: 化石能源發(fā)電成本很低（平均0.09美元/Kwh），沼氣發(fā)電（0.05-0.11美元/Kwh）[1]投資回報率低; 投資較大，政府財政激勵力度不夠; 與電力公司的合約期的問題。

4.2 在技術(shù)方面: 沼渣回用作牛舍墊料和堆肥的持續(xù)達到衛(wèi)生標準的控制問題; 技術(shù)風(fēng)險較大（存在農(nóng)場主缺乏復(fù)雜沼氣系統(tǒng)的操作和維護能力，回田的發(fā)酵液中磷的削減，提高產(chǎn)氣率等問題）。

4.3 在制度方面: 因美國牧場分散,獨立,發(fā)展效率高的集中式沼氣工程難; 碳和綠色信用交易制度執(zhí)行不充分。

5、沼氣新技術(shù)進展

5.1沼氣開發(fā)和利用新模式（見圖5）

5.2 再生天然氣技術(shù)

美國天然氣價格還是要比生產(chǎn)沼氣的成本高3-5倍[2]。因此，將甲烷含量50%-70%沼氣凈化升級為甲烷含量94-98%的天然氣成為商業(yè)獲利的可能。目前，北美最大的再生天然氣工程[8]-德克薩斯（Texas）州Huckabay Ridge沼氣提純壓縮成為高純度甲烷后注入天然氣管道，工程于2008年10月投入運行。工程處理10000頭奶牛糞便，總投資1200萬美元，預(yù)計每年可產(chǎn)生20萬噸可抵扣碳信用。

5.3 高濃度厭氧干發(fā)酵技術(shù)

加州大學(xué)戴維斯分校張瑞紅教授研究開發(fā)的日處理8噸的餐廚等有機廢物厭氧干發(fā)酵處理中試工程2007年10月投入運行。對高濃度的多種有機物料采用高溫厭氧分級發(fā)酵系統(tǒng)，具有產(chǎn)氣率高，發(fā)酵后的物料量少的優(yōu)點。目前，生產(chǎn)性規(guī)模的厭氧工程正在開發(fā)中。

5.4 沼氣燃料電池發(fā)電技術(shù)

明尼蘇達大學(xué)Philip. Goodrich 教授2005年在Haubenschild 奶牛場沼氣工程成功研發(fā)5KW氫燃料電池發(fā)電機，采用沼氣催化制氫。該發(fā)電機具有噪音低、無污染的優(yōu)點，但存在發(fā)電成本高，體積較大的缺點。

6 若干建議

綜上所述，結(jié)合中國沼氣工程發(fā)展的實際情況，為促進我國沼氣產(chǎn)業(yè)的又好又快地發(fā)展，筆者認為有幾個方面可以努力。

一是完善可再生能源激勵政策，針對沼氣工程的節(jié)能減排的公益性和產(chǎn)生的環(huán)境效益，增加財政補助和貼息貸款的支持力度。同時研究出臺國內(nèi)沼氣工程碳信用減排市場交易政策。

二是加強沼氣工程新技術(shù)和新裝備研發(fā)，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，規(guī)模化，規(guī)范化，主體發(fā)酵罐裝配化，提高質(zhì)量，降低工程成本;

三是對多原料高濃度聯(lián)合發(fā)酵技術(shù)研究，保證產(chǎn)氣原料充足，提高裝置產(chǎn)氣率。使沼氣工程朝集中化、大型化方向發(fā)展，提高工程經(jīng)濟性和能源效率[9]。

四是提高沼氣商品化的能力。消除沼氣發(fā)電上網(wǎng)障礙，落實電價補貼。開展沼氣提純壓縮成為高純度甲烷后注入天然氣管和應(yīng)用于車輛用氣的技術(shù)研發(fā)，實現(xiàn)沼氣利用高端化，提高能源效益。

五是完善和合理規(guī)劃養(yǎng)殖與種植產(chǎn)業(yè)布局，實現(xiàn)種養(yǎng)平衡，為沼液和沼渣的綜合利用提供保證，減少輸送成本，提高效益。

參考文獻

[1] An Analysis of Energy Production Cost from Anaerobic Digestion System on U.S Livestock Production Facilities, USDA & NRCS, October 2007 Report.

[2] Anaerobic Digesters Continue Growth in U.S Livestock Market, USEPA, November 2007.

[3] Anaerobic digesters and methane production, Alliant Energy, January 2005.

[4] Rural Energy for America Program Grants, USDA Rural Development,http://www.rurdev.usda.gov/rbs/busp/9006grant.htm.

[5] MDA Methane Digester loan program, http://www.mda.state.mn.us/grants/loans/digester.htm.

[6] Managing Manure with Biogas Recovery System Improved Performance at Competitive Cost, “The AgSTAR Program”, USEPA, Winter 2002.

[7] Animal Waste to Biogas Can This Be a Significant Energy Resource, Jim Bodensteiner, John Cuttica, Mark Hall, Ricardo Amon,

ACEEE Forum on Energy Efficiency in Agriculture, February 21, 2008.

[8] Texas Biogas Plant Milks Benefits from Dairy Cow Manure, Microgy Inc., August 2007.

[9] The optimal size for biogas plants, C. Walla, W. Schneeberger, Biomass & Bioenergy 32(2008) 551-557