1理论基础
1．1清洁的生物质能源———沼气王久臣、戴林［7］等在综合评价我国生物质能资源、产业发展和政策环境的基础上，分析未来生物质能产业发展趋势，得出未来我国生物质能产业发展的重点是沼气及沼气发电、液体燃料、生物质固体成型燃料以及生物质发电的结论。如今沼气可以完全替代传统的化石燃料，它作为一种清洁能源，能有效地调整和优化农村的用能结构，将沼气工程结合国内的农业产业进行发展，能有效地推动生物资源的高效利用，带来极大的经济和环境效益［8－10］。同时，厌氧沼气池的推广和发展可极大地消纳日常生活产生的生活垃圾和农业生产产生的大量丢弃的有机废料(如秸秆和粪便等)，有效地利用它们产气和产能，可以从本质上改变和改善传统农业对生活垃圾和生产废物的处置方式，并会对降低农村地区温室气体的排放和点面源的污染产生极其重大的推动作用［11－12］。沼气既可替代秸秆、薪柴等传统生物质能源，又可替代煤炭等商品能源，而且能源效率明显高于秸秆、薪柴和煤炭等。它的原材料来源广、燃气热效率极高、使用清洁卫生，因而成为了各个国家发展可再生能源的对象之一。过去国内传统的大中型沼气工程产气不理想、运行效果不佳，平均容积产气率低于1．0m3/(m3·d)，不能满足产业化和商品化要求，导致大中型沼气工程效益低下、发展缓慢。随着国家对沼气建设的逐步投入及制定了一系列项目补贴、财政支持、税收优惠的政策，越来越多的企业也参与到沼气产业的发展中来，使得沼气产业化的发展程度有所提高。1．2集中型沼气工程集中型沼气工程是指集中处理畜禽粪便、作物秸秆和生活垃圾等有机废弃物，实现高效规模产气和沼渣、沼液处理与利用的沼气工程。本文对目前国内沼气产业的发展现状进行分析，就目前国内存在的几种集中型沼气工程的发展模式(即大型养殖场气热电肥联产模式、大型养殖场直供农户模式、集中型沼气纯化入网模式、集中型沼气车载供气模式、餐厨垃圾沼气发电模式)进行对比和分析，以期找出适合我国的发展模式。当前，国内的养殖模式发生了转变，传统的散养或小规模养殖已不能满足大多数的养殖需要，随之而来的就是规模化的养殖以及集约化的高效养殖。但出现的问题也日趋严重和急需解决，就是大规模的养殖带来的粪便污水等污染物的急剧增加，对周边环境施加了极大的压力;而能有效处理这一污染问题的正是目前正在快速发展中的大中型沼气工程。规模化的养殖为沼气工程提供了原料，沼气工程又合理解决了污染问题，有望能在实践中实现规模化养殖场的零排放零污染零治理。但是，对于国内目前的大中型沼气工程的建设进度和发展情况而言，大多尚停留在为了处理污染问题或者污染治理而实现简单的沼气利用方面，尚未利用大中型沼气工程的发展制造出环境和经济效益，未能发挥出沼气工程本身可以发挥的重大作用。究其原因，是未能有效地解决沼气能源的开发与送出消纳制约之间的问题。就目前国内沼气的发展现状来说，急需找出解决这一重大问题的发展模式。目前国内发展集中型沼气主要有以下5种模式:1)大型养殖场气—热—电—肥联产模式。本模式原料为大型养殖场的畜禽粪污，主要产品为燃气、供热、发电、沼肥等。2)集中型模式沼气直供农户模式。原料为大型养殖场的畜禽粪污，产品为管道直接供气，不含发电和供热。3)集中型沼气纯化入网模式。原料为普通沼气，产品为纯化沼气(纯度85%以上)，不含发电和供热。4)集中型沼气车载供气模式。产品原料为普通沼气，为纯化和压缩的车载沼气，纯度95%以上。5)餐厨垃圾沼气发电模式。原料为餐厨垃圾，产品为发电上网或自用。
2集中型沼气工程模式及发展建议
2．1大型养殖场气—热—电—肥联产模式该模式核心工艺为完全混合式厌氧消化器(CSTＲ)，工艺流程如图1所示。这种模式的沼气工程池容产气率可达到1．00m3/(m3·d)，主要产品有燃用沼气、发电、沼渣和沼液。此模式可将畜禽粪污转化为清洁的电能、热能和有机肥料，可以使产生的粪便得到有效的处理和利用，进而大大地减少对环境的污染，通过生态有效的治理，从而可形成农业生态良性循环。气—热—电—肥联产模式具有能量转换率高和能实现系统内部能量的循环利用和互补两个突出特点。其产出沼气的利用主要有两个方向:一是用作燃气直接利用;二是利用沼气发电以电能形式输出能量。养殖场集中型沼气工程中，气—热—电—肥联产模式能量转换率高，在有土地消纳有机肥的前提下，气—热—电—肥联产模式的经济、环境和社会效益较突出，无疑是沼气工程发展模式的最佳选择。1)经济效益方面，可使沼气产量最大化，同时得到高效有机肥料，在减少投资和运行费用的同时可使收益最大化。2)环境效益方面，通过集中型沼气工程可处理规模化养殖场，产生的大量粪污，并能通过气—热—电—肥联产模式减排大量的二氧化碳，减少温室气体的排放，能够有效地改善养殖场内部与周边的环境，防止畜禽疾病的传播，具有重大的环保意义。3)社会效益方面。利用厌氧消化技术处理养殖场粪污，将废弃物转化为沼气清洁能源，在治理污染的同时变废为宝，实现了可持续发展。工程中产生的沼渣、沼液还可作为有机肥还田，减少了农药化肥的使用量，从源头上保证了食品安全。大型养殖场场气—热—电—肥联产集中型沼气工程能够促进规模化养殖场畜禽粪便的综合利用，可以加快畜禽规模化养殖的发展进程，推进现代化的畜牧养殖业，有效地解决规模化养殖的污染问题，改善和保护周围的生态环境。同时，它还能通过有机肥的生产和发展改善农业生产的肥料结构，从而发展生态农业，利用沼气工程也可以开发新能源，进而提高大众的生活品质，具有良好的社会及环境效益。推广养殖场气—热—电—肥联产集中型沼气工程，可以有效综合利用产生的废弃物，可以作为发展生态循环农业的有效途径之一，同时也可以实现畜牧业的可持续健康。2．2集中型沼气直供农户模式在相同规模下，模式2的建设投入会比模式1高，主要是因为增加了农户管道建设、管理及维护的成本。核心工艺为升流式厌氧固体反应器(USＲ)，工艺流程如图2所示。该工程池容产气率可达到0．90m3/(m3·d)，主要产品有普通沼气、纯化沼气、沼渣和沼液。此模式主要进行沼气直供，因此其效益较低，而且要对农户的锅炉等进行改造建设，综合经济效益不高。由于受供气户数、居住集中程度及地质情况的限制，管网维护费用较高，收费管理难度比较大。2．3集中型沼气纯化入网模式原料为普通沼气，产品为纯化沼气(纯度85%以上)，不含发电和供热。此种模式主要是利用管网进行供气，但易受城市燃气管网限制，不一定适合以畜禽养殖场粪污为原料，故实用性相比气—热—电—肥联产模式较低。2．4集中型沼气车载供气模式产品原料为普通沼气，为纯化和压缩的车载沼气，纯度95%以上。此种模式需要较大规模的生产，工程规模较小的条件下经济效益较差，相对来说可行性也较差。2．5餐厨垃圾沼气发电模式此种模式在工程规模小的情况下可能难以维持自身用能的需要。城市每天产生的大量餐厨垃圾，可将其有效地利用起来，但该模式的预处理过程属于技术重点，需要进行场外一定程度的分拣，并保障原料的供应。本模式采用的案例工程为重庆餐厨垃圾沼气发电工程，该工程的沼气原料为每天产生的餐厨垃圾167t。沼气池容为5600m3，核心工艺为高温发酵产气，沼液处理，工艺流程如图3所示。该工程池容产气率为2．28m3/(m3·d)，主要产品为:发电657万kW·h(占产气量100%)，沼渣7300t。相对于传统农业活动，以沼气为纽带的生态农业生产具有清洁的能源生产和高度闭环的废物回收处置等明显优势。玉米秸秆、沼液沼渣的利用和燃煤替代，大大减少了温室气体的排放，温室效应相应减缓;而畜禽粪便的利用和燃煤的替代，也可极大地减缓环境的高营养化，减慢环境的酸化。相对于人体来说，沼气工程的快速发展和有效利用减缓了主要来自燃煤的SO2和PM10排放，从而减少了有害气体对人体造成的毒害，而户用沼气的利用对各种环境影响均有减缓作用。2．6发展建议1)大型养殖场热电肥联产模式:产气规模受养殖规模约束，沼气销售价不高，缺少政策补贴;沼渣沼液受土地消纳面积的影响，不能增值;发电不能上网。建议夏季沼气主要用于发电来供站区用电、多余电量低压并网;冬季沼气主要用于沼气锅炉供热，满足沼气站自身用热需要以及养殖场用热。沼渣沼液综合利用建议实现固液分离后，沼液经河水稀释后通过提灌系统用于山区果园林地等经济作物灌溉。另外，实现管网输配，利用效率高，满足山区使用要求。2)集中型沼气直供农户模式(原料分散收集－梯级供气):受供气户数、居住集中程度及地质情况等问题的影响，对供气管网的维护费用较高，收费管理难度较大，经济效益极不明显。建议采用压缩、罐装方式进行沼气供给。另外，这一种模式需要进一步的科技探索、示范与总结。3)集中型沼气纯化入网模式:受城市燃气管网限制，不一定适合以畜禽养殖场粪污为原料。建议以城市有机废弃物、工业有机废弃物、城市公厕、餐厨垃圾等为原料较为合适。此外，对于沼气净化的要求可以适当放宽，注重经济性。4)集中型沼气车载供气模式:在规模较小的条件下经济性和可行性均较差。建议发展特大型或区域集中型沼气工程，至少日产10000m3以上。5)餐厨垃圾沼气发电模式:在工程规模小时，可能难以维持自身用能的需要。预处理是该模式的技术重点，该类工程需要政府部门统筹规划，建议尽量做到厂外一定程度的分拣，并保障原料供应。
3结语
对沼气工程而言，产气规模越大，单位产气投资越低，经济效益也越好。因此，建议沼气工程建设应在条件允许的情况下尽可能选取较大规模。对各地区的集中型沼气工程的建设，应针对建设地区特有的地理与气候条件等特点，统筹考虑该地区的沼气利用方式、沼渣沼液利用消纳需要，以及各种模式的经济效益、社会效益和生态环境效益，选取各省市各地区最适宜的集中型沼气工程发展模式，以便发挥有利因素的作用，克服不利因素的影响，从而保证集中型沼气新能源的最有效利用，为构建低碳经济做出贡献。
作者：王朝勇 谢春燕 吴达科 李岩 单位：西南大学工程技术学院 重庆市农业科学院
