聚焦中德沼气产业发展现状(一)
详细内容
【摘要】笔者通过对中、德二十余座典型沼气工程（含沼气发电工程）的实地考察和技术研究，对彼此的工程特点、技术水平和存在的差距有了比较系统的认识。本文将收集的两国农业沼气工程的相关资料（技术、装备、运行管理以及产业发展等）和科学认识加以总结，以期找出差距和努力的方向，为中国沼气工程今后的发展提供参考和借鉴。
Abstract：Development, technology and equipment of biogas engineering technology and biogas power generation for agricultural anic waste treatment in China and Germany were described. As a result, the technology difference between two countries was pared. By referencing the advanced engineering technology and industrialization idea from Germany, the article puts forward some suggestions on improving integrated biogas engineering capacity in China.
Keywords: agricultural anic waste；biogas engineering；biogas power generation
1工程特色与发展现状
中国和德国是世界上处理农业废弃物沼气工程（含沼气发电工程）发展最快的两个国家。
就沼气工程建设质量和工业化水平而言，德国比较突出。德国的可再生能源发展的激励政策和机制强有力地刺激了德国沼气及其发电工程产业的快速发展[1]，沼气工程数量从1996年的370座增加到了2005年的3800多座（其中处理农业废弃物沼气工程约2700座），发电装机容量约970MW（其中处理农业废弃物的沼气发电工程约650MW）。特别是2005年新建的沼气工程数量几乎是2000年以前的3倍（见图1）。
由于德国政府严格控制畜牧业与种植业的协调发展，区域性的土地资源基本能消纳所在地的沼气工程产生的沼渣、沼液。因此，处理农业废弃物的沼气及其发电工程的建设目标是以能源效益为主，工程模式比较单一，即：沼气用于发电，沼气发酵后的残留物（沼液）经储肥池贮存几十天后，直接由拖拉机罐车运输到田间进行喷灌。少数大型沼气工程的沼液也以还田为主，剩余的沼液实行固液分离，脱水后的沼渣制成有机固体肥料，清液按工艺要求部分循环回流入沼气池，部分经灭菌处理后用作畜舍的冲洗水或再经过深度处理后排放。
受法律的规范和经济利益的驱动，德国处理农业有机废弃物的沼气工程所产生的沼气98%用于发电，并实行热电联供。因此，系统工程中的资源与能源转化效率都比较高。
中国处理农业有机废弃物的沼气工程很有特色。根据不同的养殖规模、 环境容量、土地资源条件和污水排放标准等条件，处理农业有机废弃物的沼气工程按沼液的出路形成了各种适宜模式，其中最有代表性的模式有三种：
（1）综合利用型沼气工程， 即沼气工程周边配套有较大面积的作物农田、 鱼塘、植物塘等，能够就地消纳沼气发酵的残留物（沼液），沼气工程成为生态农业园区的纽带，上承养殖业，下联种植业，促进了农业种、养一体化，降低了种植和养殖业的生产成本，废弃物真正实现了零排放。由于不需要对沼液进行深度处理，系统工程比较简单，投资和运行成本均较低，是一种最为经济的工程模式。
（2）自然处理型沼气工程，即养殖场周围环境不太敏感，沼气工程周边有一定量的农田和配套有较大面积的稳定塘。因此，该模式对沼液采用部分还田或分季节还田，多余的沼液进行低能耗或无动力的自然处理（氧化沟、氧化塘、人工湿地等），达到控制污染物总量减排的目的。
（3）环保达标型沼气工程，即沼气工程周边环境无法直接消纳沼液，必须将沼液进行固液分离，分离出来的沼渣和人工干清粪制成商品固体有机肥料，分离后的清液经过好氧或物化等深度处理达到行业排放标准后直接排放。该模式是以处理畜舍冲洗污水达标为主要建设目标，工程投资和运行费用都较高。但由于采用了沼气技术，可回收一定量能源，同时又去除了污水中的大部分有机物（COD去除率90%左右），这比单纯使用好氧处理方法处理这类污水要经济得多（产能、节能）。
中国处理农业有机废弃物的沼气工程由于相对规模小，又远离城镇，产生的沼气仅有少量用于发电和集中供气（沼气发电用气量约占总产气量的2.53%，集中供气约占总产气量的1%左右），大量的沼气用于养殖场自身的生产、生活燃料。
截至2005年末（中国农业部统计数据）， 中国处理农业废弃物的沼气工程数量已达到3556座[2]（见图2），比德国同期建造的农业废弃物沼气工程高出800多座，但其工程规模及产生的效益却远不如德国。中国的农业沼气工程平均池容只有283m3/处，池容在100m3以下的小型沼气工程大约占66%；池容在100~1000m3之间的中型沼气工程大约占25%；池容在1000m3以上的大型沼气工程仅占9%左右。而德国沼气工程的平均池容约1000m3/处。另外，就沼气产量和沼气发电量而言，中国农业沼气工程的沼气年总产量只有德国的17.6%，沼气发电工程的装机容量仅为6.7MW，是德国的1%左右，年沼气发电量只有德国的0.16%。
2工程技术与装备水平
2.1 发酵原料与典型工艺
德国的农业沼气工程所处理的有机废弃物比较广泛，如：畜禽粪便、青贮饲料、过期的残粮、厨余残渣、生活有机垃圾、动物屠宰的废弃物、农副产品加工的废弃物等，或由上述几种有机废物混合构成。沼气工程的厌氧消化工艺是根据处理规模、发酵原料的性质和浓度以及发酵温度等因素选择的。发酵料液TS浓度为8%～10%，采用完全混合式中温厌氧消化工艺（CSTR）居多；TS浓度10%～20%，牛粪或有机垃圾采用塞流式中（高）温厌氧消化工艺（HCPF）；TS浓度≥30%，采用中温半干式厌氧消化工艺；全秸秆采用中温干式厌氧消化工艺。由于实施热电联用（依靠发电余热给厌氧消化装置增温、保温），即使在冬季环境气温低至-20℃，处理农业有机废弃物的沼气工程仍然运行良好，中温装置产气率1.2～1.8 m3/（m3.d），高温装置产气率2.0～3.0m3/（m3.d），经济效益显著。
中国的农业沼气工程主要是处理畜禽粪便及其冲洗污水，也有极少部分是处理农作物秸秆与畜禽粪便的混合原料。
由于中国近十年畜牧养殖发展很快，土地资源紧缺，种、养不匹配的问题日趋突出，畜禽粪便排放总量远远超过环境承载能力。中国政府希望通过沼气工程建设项目的实施，基本解决重点区域畜禽养殖场对周围环境的污染问题，改善项目实施区农业生产和人民生活的环境质量。因此，中国沼气工程要发挥多功能的作用（生产能源、综合利用及环境保护等），这使得沼气工程的工艺技术比较全面发展，几乎所有常规的和高效的厌氧消化工艺在中国都有示范工程应用，如：完全混合式厌氧反应器(CSTR)、厌氧接触反应器(AC)、厌氧序批式反应器(ASBR)、厌氧挡板反应器(ABR)、厌氧复合反应器(UBF)、上流式厌氧污泥床(UASB)、升流式固体床(USR)、内循环厌氧反应器(IC)等。为了节约水资源，并减轻后续达标处理的负荷及难度，对规模畜禽养殖场提倡先采用人工干清粪，冲洗污水进入厌氧消化系统进行沼气发酵。这样，发酵原料浓度很低（TS 1%～3%），厌氧消化过程基本没有升温（常温发酵），装置产气率也低，仅为0.1～0.5 m3/（m3.d），工程运行效果受环境温度影响很大，因此上述诸多工艺的效率在工程应用上没有显著差异。尽管有少数的畜禽场沼气工程采用TS 4%～6%的中温或近中温厌氧消化，但由于未有实施热电联用，所产生的沼气在冬季大部分用于发酵原料的增温和装置的保温，甚至有的工程出现能量入不敷出。因此，沼气工程常年运行稳定性差，经济效益低。
近些年，中国开始认真研究德国、丹麦等发达国家的沼气工程高效技术与装备。通过关键技术与设备的引进创新，开始在中国尝试高浓度、高效率的热电肥联产的沼气发电工程，如正在建设中的蒙牛澳亚示范牧场大型沼气发电综合利用工程（设计日处理10000头奶牛粪便，日沼气发电量达到18000 kWh以上），以及北京德清源农业科技股份有限公司处理鸡粪的沼气发电工程（设计日处理260万羽蛋鸡粪便，日沼气发电量为38000kWh）。