第三方運營下規模化畜禽沼氣工程運行與管理

陳春琳，王明明，賈吉秀，李嘉銘，曹茂炅，宋曉樂，段 娜，劉志丹

·研究速報·

第三方運營下規模化畜禽沼氣工程運行與管理

陳春琳1,3，王明明2，賈吉秀1,3，李嘉銘1,3，曹茂炅1,3，宋曉樂2，段 娜1,3，劉志丹1,3※

（1. 中國農業大學水利與土木工程學院環境增值能源實驗室，北京 100083；2. 北京盈和瑞環境科技有限公司，北京 102412； 3. 農業農村部設施農業工程重點實驗室，北京 100083）

沼氣工程是畜禽養殖業糞污末端處理與資源再利用并重的全量化資源利用模式，長期以來養殖場自運營模式下沼氣工程運行效率、穩定性及經濟效益低。該研究提出引入第三方運營模式，以一大型沼氣工程（總有效發酵容積為10 800 m3）為例，在20 a案例期內進行兩種運營模式下該沼氣工程的物質流、能量流分析、碳排放以及經濟性評估等多視角分析，并采用基因表達式編程進行產氣擬合，為優化發酵工藝提供了策略。結果表明，第三方運營模式能夠提高工程效率和經濟效益：物料處理量、沼渣墊料產量、沼氣產量及沼氣發電量分別提高52.00%、23.00%、51.94%、79.58%；熱電聯產總產能提高，但能耗比和能量回收率分別降低14.74%、12.73%，這主要是未進行余熱回收造成的。財務分析表明，第三方運營模式項目稅后財務內部收益率提高10.20個百分點，財務凈現值提高3 566萬元，投資回收期縮短10.42 a；財務敏感性分析指出提高下游產品的附加值是提高該沼氣工程經濟效益的關鍵因素。該研究為沼氣工程乃至其他規模化廢棄物處理的第三方運營模式推廣應用提供了有價值的工程參考。

糞污；沼氣；工程管理; 物質能量流；經濟分析

0 引 言

中國畜禽糞污資源豐富，《中國沼氣行業“雙碳”發展報告》指出，預計到2025年中國畜禽糞污年產量將達39.8億t[1]。為保障畜牧業綠色發展，2022年修訂的《中華人民共和國畜牧法》中特別指出畜禽糞污無害化處理和資源化利用，推行畜禽糞污養分平衡管理，促進農用有機肥利用和種養結合發展。沼氣技術具備環境污染治理和清潔能源生產的雙重功能,是畜禽糞污無害化處理和資源化利用的主推技術之一，并具有碳減排功能屬性[2]。以2025年中國畜禽糞污產量計，若全部投入沼氣高效生產，預計產沼氣191.6億m3[1]，按沼氣產電效率2 kW·h/m3計算，可產電383.2億kW·h，使用沼氣發電可減排溫室氣體0.188～1.193 kg/(kW·h)（CO2當量）[3]，可實現溫室氣體減排0.072～0.46億t（CO2當量）。未來，在2030年碳達峰和2060年碳中和背景下，中國的沼氣行業將會發揮更大的作用。因此，為促進沼氣工程可持續發展，有必要優化傳統沼氣工程管理模式。

長期以來，中國沼氣工程存在技術支撐弱、管理滯后、工程收益低等問題[4]，急需進行運營升級。自十八屆三中全會起，國家提出吸引社會資本投入環境污染第三方治理，先后出臺《關于推進環境污染第三方治理的實施意見》、《關于構建現代環境治理體系的指導意見》等多項政策意見[5]，推進農業廢棄物第三方治理，先后形成了PPP（public-private partnership，政府與社會資本合作模式）模式[6]企業主導的第三方管理模式（包括第三方運行、第三方租賃運營、第三方治理模式）[5,7-8]，為污染物治理提供了新導向。以市場化、專業化、產業化為導向的企業主導的第三方治理模式近年來發展迅速，在工業污水治理[5,7]、農村環境整治[9-10]、燃煤電廠改造[11]等多領域推廣。例如，福建南平市生豬養殖產業引入第三方糞污治理企業，降低了單位生豬糞污處理成本（400元/頭降至35元/頭）、改善了養殖區域周邊水質（化學需氧量、氨氮、總磷等大大降低）、推動了種養結合產業鏈發展[12]；四川邛崍引入第三方運行沼肥還田項目后，成功解決當地26萬m3沼肥還田超5 300萬m2，化肥減量施用10%以上，并創造了一批就業崗位，項目總體約創收400萬元[13]。實踐表明，第三方治理可優化資源配置和提升末端治理效率，還能促進環保產業發展[10]。此外，沼氣工程是一種典型的循環經濟模式，在循環經濟領域，物質流和能量流分析能夠量化評估物質和能量的投入、流動和產出，幫助區域實現宏觀管理、資源優化配置和節能減排[14-15]。

本文以山東某大型奶牛場沼氣工程為例，在養殖場自運營和第三方運營模式下進行物質流、能量流和經濟效益等多角度分析，并采用基因表達式編程（gene expression programming，GEP）進行容積產氣率的擬合預測，為大型沼氣工程乃至其他污染物處理的第三方運營模式推廣應用提供了有價值的理論支撐和工程依據。

1 工程概況與數據采集

1.1 工程概況

本研究涉及的業務主體為嘉立荷（山東）牧業有限公司，于2015年5月建成，經調試后移交牧場自運營管理，并于2016年底擴大養殖規模后委托北京盈和瑞子公司樂陵嘉盈華環境科技有限公司運營。該牧場當時日均產糞污約760 m3，干物質質量分數5%～6%。該沼氣工程采用全混式厭氧反應器（continuous stirred tank reactor, CSTR）兩級厭氧發酵工藝，包含3座CSTR產氣儲氣一體化厭氧反應器，總有效發酵容積為10 800 m3，設計進料量800 t/d，產出產品包括沼氣、牛糞再生墊料和沼液。

1.2 工藝流程

該沼氣工程工藝流程如圖1，主要包括糞污收集、厭氧發酵、沼氣凈化利用及沼液沼渣再利用4個部分。奶牛糞污首先被收集至接收池，預濃縮后高濃度糞污進入進料池均質加熱處理，低濃度糞污進入回沖池，用于牛舍沖洗。圖1a為養殖場自運營模型，采用間歇進料，隨后進行兩級高溫發酵（38～42 ℃），發酵后物料進行固液分離，沼渣干燥后作牛床再生墊料，沼液則進入沼液儲存池用于還田消納和回沖牛舍，沼氣則用于廠區供熱、熱電聯產，多余的沼氣進行火炬燃燒。圖1b為第三方運營模式，采用連續進料，并升高兩級厭氧發酵溫度（42～46 ℃），發酵后物料經固液分離后產出的沼渣仍然經干燥后用作牛床墊料，沼液則不再進行儲存而是全量還田，此外，第三方運營模式除將沼氣用于廠區供熱、供電外，提出了沼氣發電并網，不再進行火炬燃燒，有效減少能源浪費和利于環境保護。

1.3 數據采集

本文所使用的沼氣產量數據以及相關的財務數據由山東嘉立荷企業生產統計部門及樂陵嘉盈華環境科技有限公司提供,進行數據處理時剔除了其中的異常值及缺失值。其中，養殖場自運營模式數據采集于2016年，包括進料量、發酵罐溫度及產氣量；第三方運營模式于2017年采集，包括進料量、發酵罐溫度、總固體含量（total solids, TS）、可揮發性固體（volatile solids，VS）、產氣量等數據。財務數據根據財務盈利模型輸出。

圖1　養殖場自運營模式和第三方運營模式下嘉立荷沼氣工程技術模式圖

2 研究方法

2.1 物質流和能量流分析

本研究中，沼氣工程物質流和能量流的計算以系統投入的糞污、能源，和系統產出的沼氣、沼液、沼渣進行。其中，能量流按照對應折算系數及公式折算為統一能量單位吉焦（GJ）；本研究未進行余熱回收，故熱電聯產熱量不計入系統。沼氣工程的能量利用效率以有效利用的能量與輸入總能量的比值表示。此外，沼液散失的能量按下式計算：

式中為能量，GJ；為比熱容（近似取水的比熱容，4.2 kJ/(kg·℃)）；為物料質量，kg；Δ沼液出水溫度與環境溫度的溫差，取平均值25℃，其中，養殖場自運營模式沼液出料取平均溫度40℃，第三方運營模式沼液出料取平均溫度44℃。

2.2 生命周期評價

LCA是用于評估與產品、過程或服務的整個生命周期（life cycle assessment, LCA）相關的環境影響的標準化方法[16]。本文采用ReCiPe 2016 Midpoint (E) V1.03 / World (2010) E對該厭氧發酵系統進行評價，主要考慮厭氧發酵環節的污染物排放及其對環境的影響。具體來講，以糞污輸入為起點，從生命周期角度綜合考慮系統邊界內物質和能量的輸入和輸出，針對產出的沼氣發電量進行減排計算，以對比該沼氣工程在兩種運營模式下的環境影響。受數據獲取等因素的影響，為了更簡便地分析該沼氣工程各階段產生的環境影響，本文暫不考慮沼液和沼渣的排放。

2.3 經濟效益分析

經濟效益分析通過收支核算、財務內部收益率、財務凈現值、動態投資回收期、總投資收益率考察項目的盈利水平[17-19]，通過財務敏感性分析考察項目不確定性。

該沼氣工程初期總投資包括固定資產（土建投資1 404.22萬元，設備投資2 652.33萬元）和公用工程投資（給排水工程10萬元，電氣工程9萬元，暖通工程10萬元，消防工程11萬元）共4 096.55萬元。運營成本包括人工、原材料、能源、維修等，成本估算根據當地實際均價確定；沼氣工程產品包括沼氣、沼液和沼渣，沼渣為牛場墊料提供的替代效益按350元/t計；第三方運營商得到當地供電局10 kV的電網并網計劃可行，按當地電價0.59元/kW·h折算發電收益；沼液的還田消納費用在自運營、第三方運營模式下分別按4.5、5.0元/t計算。項目建設期和運營期分別為1和20 a，行業基準收益率8%。此外，選取建設投資、經營成本及銷售收入3個主要參數對項目經濟效益進行敏感性分析，通過計算3個主要參數在±3%和±1%變化幅度下的內部收益率（%）和敏感度系數等指標變化，評估影響沼氣工程經濟效益的關鍵因素[8]。

2.4 基于GEP的優化策略

基因表達式編程是在遺傳算法和遺傳編程基礎上，自適應演化的優秀算法，有神經網絡算法一樣強大的泛函學習能力，而且可以得到顯式數學模型，對于復雜多變、多輸入的非線性問題具有非常好的映射能力。

GEP算法流程包括：1）種群初始化；2）評價種群個體適應度；3）判斷是否符合終止條件，如果已達到最大適應度或最大迭代次數則終止運行并輸出最優解，否則繼續；4）遺傳進化操作（主要包括復制、變異、插串、重組等）得到新種群；5）跳轉至第2）步。GEP通過迭代演化的方式，最終得到關于目標函數的顯性表達[20]。

本研究將進料量、溫度因素、TS、VS作為輸入的環境自變量，將沼氣工程的容積產氣率作為因變量，來建立產氣預測模型。其他相關參數的設置：函數集{+,-,*,/,sin, cos, tan}，基因頭部長度為7，尾部長度為8，每個染色體基因數為2，共進行1 000次迭代。

3　結果與分析

3.1 第三方運營模式提高工程效率

如表1所示，第三方運營模式在項目運行和產出方面均具有優勢，提高了畜禽糞污無害化處理和資源化利用效率。在前端投入階段，第三方運營下可處理的物料量提高了52.00%、能源投入降低8.64%；在過程控制階段，第三方運營下發酵溫度升高、有機負荷提高48.06%、人員投入減少33.33%；產品產出對比顯示第三方運營下沼氣、沼液、沼渣產量分別提高了51.94%、55.32%、23.00%；產物利用方面第三方也展現出明顯優勢，發電量提高79.58%、沼液還田量提高64.53%、沼渣墊料轉化量提高53.00%。這主要是由于第三方運營進行了如下優化。

3.1.1 工藝優化

1）優化進料方式。養殖場自運營時采用大批量間歇進料，酸化頻發，系統穩定性較差。而第三方運營商采用小批量連續進料，物料攪拌充分（高效的攪拌能促進微生物與物料的充分反應，并有效避免上部浮渣層、底部沉淀層形成[21-22]），系統穩定性提升；2）及時調整反應器負荷。第三方運營商通過實驗室監測分析干物質含量、揮發性脂肪酸（volatile fatty acids, VFA）、總堿度（total alkalinity, TA）等指標，通過判斷VFA/TA值及時調整反應器負荷（VFA/TA<0.3，反應器負荷較低，增加進料量，減小二級反應器回流量，當VFA/TA介于0.3～0.4，保持穩定的進料負荷，VFA/TA>0.4，負荷較高，則降低進料量，增加二級反應器回流量），并通過自動化監測和控制系統，實時監測和及時調整，提高系統運行效率。3）第三方運營商調整了鍋爐進水和回水溫差及進行季節差異性供熱，降低系統能耗[23]；4）優化反應器污泥回流程序。該沼氣工程基于“微生物倍增”理論[24]，優化了二級反應器污泥回流程序，縮短了水力停留時間提高了系統處理效率，同時有效延長了污泥停留時間，促進代謝周期長的產甲烷菌繁殖倍增[24]，并有助于富集多種牛糞降解功能微生物，提高了系統厭氧消化性能，提高了反應器效率、系統產氣率和穩定性[22,25]。5）改造供熱系統。第三方運營商通過更換發酵系統加熱盤管、在進料池外壁增加保溫層優化了系統供熱，提高了系統熱效率。

表1　養殖場自運營與第三方運營模式下運行參數對比

3.1.2經營管理優化

1）優化產物利用方式。養殖場自運營時，沼氣工程價值鏈無法有效鏈接上下游產業。沼氣僅用于給厭氧系統供熱、發電自用（2臺500 kW的熱電聯產發電機組只能每天按需分時段發電），多余沼氣以火炬燃燒方式消耗；而第三方運營商的發電并網模式，提高了沼氣利用率及項目收益。第三方運營商還通過與種植戶簽訂協議、科學指導還田、擴大消納土地面積等方式解決了沼液消納問題。2）優化人員管理。第三方運營商通過建立標準化的運行操作流程，實驗室檢測、自控操作及定期巡檢及故障排查等服務，降低了33.33%人力需求。

3.2 兩種運營模式下物質能量流分析

綜合表1中的運行參數，兩種模式下，沼氣工程的物質和能量流動情況如圖2所示。養殖場自運營模式下糞污投入總量分別為18.25萬t（TS=5.7%，VS=75%），能源投入199萬kW·h，以國家統計局每度電折0.404 kg標準煤折算，投入0.08萬t標煤；經厭氧發酵后，沼氣輸出360萬m3，以1.221 kg/m3折算，計0.44萬t，沼液輸出15.89萬t（TS=3%），沼渣輸出2萬t（TS=25%）（圖2a），其中，沼氣通過熱電聯產、鍋爐供熱及火炬燃燒等方式進一步發生流動,56.82%能量用于熱電聯產。第三方運營模式下，糞污與能源投入分別為27.74萬t（TS=5.7%，VS=75%），181.8 kW·h（折算標煤0.07萬t），輸出沼氣547萬m3，沼液24.68萬t，沼渣2.46萬t（圖2b），與自運營模式相比，第三方運營模式下，沼氣產量更高，流向熱電聯產的能量也越多，65.67%能量用于熱電聯產。三方運營模式下嘉立荷沼氣工程的處理能力和產出效率更具優勢。

注：圖c、d中損耗1指沼液散熱損失，損耗2指熱電聯產的熱量損失。圖a、b中數值單位為104t·a-1,圖c、d中數值單位為GJ·a-1。

能量流核算可以明確各單元能量變化情況，評估能量損耗和節能潛力為系統升級、改造提供支撐[15]。本研究對系統所需原料能量和能源動力計為外部輸入能量，沼氣、沼渣、沼液三產物能量為輸出能量[26]；電能輸入按3.6 MJ/kW·h計算，輸入原料及沼渣按15 MJ/kg干基為標準計算奶牛糞污能量輸入和沼渣能量輸出[27]，沼氣成分按含60%甲烷，40%二氧化碳計，沼氣熱值21.54 MJ/m3[28]，沼液熱量損耗按式（1）計算，沼液能量通過能量守恒原則計算。

如圖2c所示，養殖場自運營模式下，原料能量輸入156 038 GJ，能源能量輸入為7 164 GJ；沼氣能量輸出77 544 GJ，沼液、沼渣能量輸出分別為3 627、75 000 GJ；沼氣中22 302 GJ流向熱電聯產系統，46 795 GJ能量流向鍋爐供熱系統，另有沼氣利用過程及沼液散熱分別損耗能量8 717、7 031 GJ。如圖2d所示,第三方運營模式下，原料能量輸入237 177 GJ，能源能量輸入為6 545 GJ，沼氣能量輸出117 824 GJ，沼液、沼渣能量輸出分別為13 953、92 250 GJ，沼氣中39 564 GJ能量流向熱電聯產系統，43 399 GJ能量流向鍋爐供熱系統，另有沼氣利用過程及沼液散熱分別損耗能量34 861 GJ（熱電聯產過程大量散熱）、沼液帶走熱量19 695 GJ。能耗比是各類產物的總能量與原料能量的比值，能量回收率指各類產物的總能量（與總能量輸入的比值，常用于評價系統能耗水平。本研究中，養殖場自運營模式和第三方運營模式的能耗比分別為94.50%、79.76%；能量回收率分別為90.35%、77.62%。這主要由熱電聯產環節能量損失高，可通過回收熱電聯產余熱提高能量利用效率[29]。

3.3 LCA結果分析

LCA結果如圖3所示，2種運營模式下的沼氣工程實現了不同程度的碳減排，通過歸一化比對后發現，自運營模式、第三方運營模式每年分別減少了溫室氣體排放10 938.12、19 438.82 kg，以CO2當量計，第三方運營模式下的碳減排量比自運營模式提高了77.71%，顯示出更為積極的環境效益。

3.4 經濟效益分析

在案例計算期內，該沼氣項目在2種運營模式下生產成本和項目收入如表2所示。20 a案例計算期內，第三方運營模式下，生產成本（動力及燃料成本、工資、折舊費、修繕費等）降低11.64%，經營、管理及沼液處理成本分別提高3.38%、565.67%、85.89%，同時第三方運營模式下平均利潤額增長705.97%，沼氣發電收入和沼渣墊料收入分別提高71.09%，53.13%。綜上，第三方運營模式下保證了該沼氣項目的良好收益，說明其運營管理的質量和效率更高。

圖3 養殖場自運營和第三方運營模式下LCA結果

綜合分析項目利潤、財務內部收益率、財務凈現值等指標，評價過程的經濟敏感性和盈虧平衡點，能夠幫助評價項目的經濟可行性。如表2，養殖場自運營模式下，財務內部收益率為2.13%，遠低于行業基準收益率，財務凈現值?1 976萬元，投資回收期18.65 a，總投資收益率為1.47%，項目資本金凈利潤率1.41%，養殖場自運營模式下該沼氣工程盈利性差。在第三方運營模式下，財務內部收益率為12.33%（稅后），財務凈現值1 590萬元（稅后），投資回收期8.23 a（稅后），總投資收益率14.28%，項目資本金凈利潤率9.02%。可見，養殖場自運營模式下項目基準收益率遠低于行業基準收益率，投資回收期長，項目盈利能力極差[17]，而第三方運營模式具有良好的經濟效益和市場競爭力。小型沼氣系統內部收益率一般為6%～12%，投資回收期3.92～20 a[2,17]，大型沼氣工程內部收益率10%～25%，投資回收期2.22～7 a[18,30-32]，這說明嘉立荷沼氣工程的效率和收益率仍可繼續提高。

沼氣工程是解決農業農村污染物的重要手段，也是滿足農村清潔能源需求的重要途徑，提高其經濟性和可持續性十分必要。本文表明第三方運營模式是一種具有潛力的大型沼氣工程管理模式，正如在其他行業的表現一樣，第三方運營模式不僅能建立技術和執行網絡，整合資源，降低產業鏈成本[33]；也能減少污染物排放，創造新的就業機會，促進資本流通[34]。綜上，第三方運營模式具有專業技術、資金運作及產業整合的能力，是實現沼氣價值鏈的有效手段。

表2 養殖場自運營與第三方運營模式下經濟指標對比

敏感性分析可確定影響項目經濟效益的關鍵因素。敏感性系數絕對值越大，則項目經濟指標對該因素的敏感性越高[35]。如表3，在2種經營模式下，銷售收入、經營成本、建設投資的敏感性都遵循由大到小的順序，產品的銷售輸入是影響該沼氣工程收益的主導因素，且養殖場自運營模式下的經濟指標對各不確定因素變化更敏感。綜上，該沼氣工程持續可行的關鍵是將沼氣工程下游產品（沼氣、沼液、沼渣）高值化以增加項目利潤。

3.5 GEP擬合結果分析

選取養殖場自運營模式和第三方運營模式下的生產數據，對容積產氣率進行擬合。其中養殖自運營訓練樣本181組，測試樣本28組，第三方運營模式訓練樣本據148組，測試樣本26組。擬合結果如下：

式中表示容積產氣率，m3/(m3·d);下標1和2分別表示養殖場自運營模式和第三方運營模式；表示進料量，m3；表示發酵罐溫度，℃；表示糞污中總的干物質質量分數，mg/kg。

表3 2種運營模式下案例沼氣工程財務敏感性分析

為驗證所建立的GEP模型的預測效果，利用測試樣進行預測，采用平均絕對誤差（mean average error, MAE）、均方誤差（mean square error, MSE）和均方根誤差（root mean square error, RMSE）作為模型預測結果的評價指標。將預測輸出值與試驗觀測值進行對比，結果如表4所示。

表4 GEP預測效果評價

從表4的結果中可知，GEP算法預測結果與實際觀測值相近，具有一定的實用性和可靠性，不僅為沼氣工程的投入-產出提供了參考，也為工程過程的優化提供策略。

4 SWOT分析及建議

農業面源污染治理市場化、專業化是環境污染治理的主要有效措施。第三方運營模式一是能夠引入社會資本、激發社會資本的活力，緩解政府資金投入壓力；二是能夠引入社會專業的技術和能力，并采取后期運營回收成本及盈利的激勵機制，可促進技術發展、提高效率。

4.1 第三方運營模式SWOT分析

基于SWOT（strengths weakness opportunity threats，SWOT）分析，結合本案例結果，第三方運營模式具備以下優勢因素[5,36]：1）專業的知識和人才儲備提升了系統運行效率和廢棄物資源化利用率；2）商業化運作模式提高了企業利潤，實現共贏；3）在環保要求和雙碳背景下，第三方運營模式有利于構建農牧循環、協同發展的生態產業鏈。

同時，第三方運營也存在以下劣勢[37]：1）行業起步晚，第三方運營模式接受程度仍較低；2）引起排污主體與污染治理主體間的權責不明，第三方運營模式將治污行為轉移至第三方運營商，并未轉移法律責任；3）第三方治理產業發展沒有明確的市場信號，沒有建立起強制性的市場保障政策，無法形成穩定的市場需求[3]。

此外，第三方治理模式還具有以下機會因素：1）中國農村生活垃圾體量大，轉化潛力大，沼氣工程是處理農業農村廢棄物的重要技術[38]，將極大推動廢棄物末端治理需求，專業的第三方運營商具備合作機會；2）人工智能、大數據處理、云計算等技術將不斷被引入，行業智能化建設的突破將給該模式帶來新的發展動力。

4.2 政策建議

政府、種植和養殖方、第三方運營企業是農業面源污染治理的參與主體。為推進畜禽糞污源頭治理與綜合利用，以“政府支持、市場運作、社會參與、因地制宜”為原則，提出以下建議：1）有力的政府監管和激勵措施。適度的政府補貼是降低沼氣工程成本、促進沼氣工程可持續發展的必要條件，建議擴大和落實設備購買、有機肥生產、稅收優惠或其他技術支持的補貼。2）政府牽頭農業產業園區整體規劃，各責任相關方積極參與，建立和維護一條暢通的糞污產業鏈，逐步構建長效合作機制。3）營造良好的企業參與的市場環境，發揮市場資源配置能力，撬動金融和社會資本投入，引導養殖場和第三方經營主體主動參與。4）堅持生產環保統籌兼顧、種植養殖協調發展、分區分類精準施策、市場政府兩手發力，全面推進畜禽糞污資源化利用。5）第三方運營企業應提高專業水平、分析客戶需求、提高設備標準化和可操作性。

5 結 論

1）在本案例中，第三方運營模式提高了該沼氣工程的穩定運行能力、物質和能量產出，提高了環境效益；

2）進行熱電聯產余熱回收有提高沼氣工程能量利用效率的潛力；

3）20 a案例計算期內，第三方運營模式提升了稅后財務內部收益率提高10.20個百分點，財務凈現值提高3 566萬元，投資回收期縮短10.42 a，項目整體收益和市場競爭，該模式市場潛力巨大，但尚不成熟；

4）建議按照“政府支持、企業主體、市場化運作”原則，鼓勵推廣廢棄物第三方治理服務，推進和完善第三方治理體系，實現廢棄物治理方式的綠色轉型。

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Operation and management analysis of large-scale biogas projects under third-party mode

CHEN Chunlin1,3, WANG Mingming2, JIA Jixiu1,3, LI Jiaming1,3, CAO Maojiong1,3, SONG Xiaole2, DUAN Na1,3, LIU Zhidan1,3※

(1.(2),,100083,; 2..,,102412,; 3.,,100083,)

A large amount of waste has been produced in the intensive livestock industry in recent years. A series of threats can be found in the natural ecological system. The end treatment is essential to promote the sustainable development of animal husbandry, particularly for the pollutant reduction, resource valorization, and harmless treatment of livestock waste. The biogas project has been the most economical and effective mode to convert the organic matter of manure into the renewable energy. There are over 100 thousand biogas projects in different scales in China nowadays. A great contribution has been made to promote the resource recovery efficiency for the reduction of the fecal loss, malodorous gas escape, and greenhouse gas production. Nevertheless, the complicated system has posed a great challenge on to the construction, operation, and management of biogas projects for the livestock manure in recent years. It is necessary to fully realize the systematical technology via the engineering management in the biogas industry. The innovative third-party operation mode has been introduced to the large-scale biogas project at present. The management strategy has been also utilized to fully realize the eco-friendly and high-efficient manure treatment. Therefore, it is necessary to explore the resource valorization and benefit evaluation of manure treatment projects in large-scale farms. In this study, the third-party operation of the biogas project was proposed to carry out the multi-perspective analysis of material flow, energy flow, environmental and economic evaluation. A case study was taken as the cow manure biogas plant (total available fermentation volume 10 800 m3) over the a 20-year period. Besides, an optimization strategy of the fermentation process was provided to analyze the biogas output using gene expression programming. The results show that the third-party operation was improved both engineering efficiency and economic benefits. The handling capacity of biogas projects, biogas output, and biogas power generation under the third-party operating mode increased by 52.00%, 23.00%, and 79.58%, respectively, compared with the self-operation mode. The total capacity of cogeneration is improved under the third-party operation. However, the energy consumption ratio and the energy recovery rate reduced by 14.74% and 12.73% respectively, which was mainly caused by the lack of waste heat recovery. The financial analysis showed that the financial internal rate of return in the third-party operation mode increased by 10.20 percentage points, while the after-tax financial net present value increased by 35.66 million CNY, and the payback period was shortened by 10.42 years. In addition, the financial sensitivity analysis demonstrated that the ever-increasing added value of downstream products (biogas, slurry, and residue) was the key factor to improve the economic benefits of the biogas project. And, the carbon emission reduction was 77.71% higher under the third-party operation mode than that under the self-operation one, indicating more positive environmental benefits. This finding can provide an engineering reference and process optimization strategy for the popularization of third-party operation mode in large-scale biogas projects and waste treatments.

manure;biogas; project management; material and energy flow; economic analysis

10.11975/j.issn.1002-6819.202211011

X713

A

1002-6819(2023)-05-0256-09

陳春琳，王明明，賈吉秀，等. 第三方運營下規模化畜禽沼氣工程運行與管理[J]. 農業工程學報，2023，39(5)：256-264.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202211011 http://www.tcsae.org

CHEN Chunlin, WANG Mingming, CAO Maojiong, et al. Operation and management analysis of large-scale biogas projects under third-party mode[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2023, 39(5): 256-264. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202211011 http://www.tcsae.org

2022-06-16

2023-02-15

國家自然科學基金國際合作與交流項目“農業畜禽和農村廁所廢水多污染物快速消減機制與節能增效”（52261145701）

陳春琳，研究助理，研究方向為生物質資源化利用。Email：clchen@cau.edu.cn

劉志丹，博士，教授，研究方向為環境增值能源、生物質能源技術。Email：zdliu@cau.edu.cn.

中國農業工程學會高級會員：劉志丹（E041200655S）