美國沼氣產業發展現狀與趨勢

壽亦豐

筆者多次赴美國考察可再生能源與環境技術，并于2007-2008年在明尼蘇達大學作為訪問學者合作研究一年，對美國沼氣產業的發展和典型沼氣工程進行了實地考察和深入研究。現將美國沼氣技術、激勵政策、產業發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展緩慢。70年代因石油漲價，觸發了一些沼氣工程設施建設。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。但由于設施簡陋，設計不規范，安裝不合理，管理差等問題，這些早期的沼氣發酵罐大多數已經報廢或停止使用[1]。近五年來，隨著全球氣候變暖和化石能源緊缺，沼氣技術又日益受到重視，相關研究和示范工程建設逐步回暖。據美國環境保護署（EPA）統計[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電工程，每年產生2.15億Kwh當量的總能量（見圖1）。2007年沼氣工程生產的能量是2003年的3倍。

2 沼氣工程發展的主要驅動力

2.1 環境與能源效益是美國沼氣工程發展的主要推動力

據美國環境保護署（EPA）的對美國人為產生的甲烷排放調查，從1990-2005年來自能源和工業行業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，美國農場的養殖和種植發展基本相配套，原來養殖糞污大多在貯存塘露天存放，然后還田做肥料，存放環節產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境效益；同時產生可利用的沼氣（50-70%甲烷）能源和有營養價值的肥料，可改善衛生條件。由于這些沼氣工程效益和日趨嚴格的環境要求，提高了政府、農場主和可再生能源公司建設沼氣工程的積極性。

2.2 激勵政策

近年來，為推動畜禽糞污沼氣工程建設，實現節能減排，美國農業部（USDA)，美國環境保護署（EPA），美國能源部（DOE)共同推出AgSTAR項目，建立沼氣項目發展服務管理平臺，提供沼氣工程建設的政策、法律、技術、設備和市場服務信息。美國聯邦政府和各州也制定鼓勵發展沼氣工程的項目和提供財政支持。因此，大多數沼氣工程得到美國聯邦政府和各州有不同的激勵政策的財政補助[3]。例如，2002年《農場法》中的可再生能源和能源效率9006條款規定支持沼氣項目[4]，從2003年以來，美國農業部已經為厭氧消化系統總計撥款3100萬美元[2]。明尼蘇達州農業廳的《產甲烷消化池貸款項目》為建沼氣發電工程的農場主提供無息貸款[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，取決于設施的管理，通常發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構建造，有攪拌機和增溫設施，頂蓋用固定密封頂或膜頂收集沼氣。中溫35-40.5℃發酵，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%。當前，德國產氣儲氣一體化厭氧罐新技術已經在美國Wisconsin等農業州的牧場得到應用，因其造價低和技術可靠，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構，增溫，一般頂部蓋單膜收集沼氣。采用中溫35-40.5℃發酵，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、覆膜厭氧塘的數量分別占總沼氣工程的58%、27%和19%。，其他也有個別農場采用ASBR和UASB工藝處理豬糞污水。

4 美國沼氣工程發展存在的主要障礙

當前，美國沼氣工程發展面臨一些經濟、技術、政策和社會等方面的障礙[3]。

4.1 在經濟方面: 化石能源發電成本很低（平均0.09美元/Kwh），沼氣發電（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 在技術方面: 沼渣回用作牛舍墊料和堆肥的持續達到衛生標準的控制問題; 技術風險較大（存在農場主缺乏復雜沼氣系統的操作和維護能力，回田的發酵液中磷的削減，提高產氣率等問題）。

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

5、沼氣新技術進展

5.1沼氣開發和利用新模式（見圖5）

5.2 再生天然氣技術

美國天然氣價格還是要比生產沼氣的成本高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，預計每年可產生20萬噸可抵扣碳信用。

5.3 高濃度厭氧干發酵技術

加州大學戴維斯分校張瑞紅教授研究開發的日處理8噸的餐廚等有機廢物厭氧干發酵處理中試工程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酵系統，具有產氣率高，發酵后的物料量少的優點。目前，生產性規模的厭氧工程正在開發中。

5.4 沼氣燃料電池發電技術

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

6 若干建議

綜上所述，結合中國沼氣工程發展的實際情況，為促進我國沼氣產業的又好又快地發展，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，針對沼氣工程的節能減排的公益性和產生的環境效益，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和新裝備研發，實現產業化，規模化，規范化，主體發酵罐裝配化，提高質量，降低工程成本;

三是對多原料高濃度聯合發酵技術研究，保證產氣原料充足，提高裝置產氣率。使沼氣工程朝集中化、大型化方向發展，提高工程經濟性和能源效率[9]。

四是提高沼氣商品化的能力。消除沼氣發電上網障礙，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用于車輛用氣的技術研發，實現沼氣利用高端化，提高能源效益。

五是完善和合理規劃養殖與種植產業布局，實現種養平衡，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