美国沼气产业发展现状与趋势

寿亦丰

笔者多次赴美国考察可再生能源与环境技术，并于2007-2008年在明尼苏达大学作为访问学者合作研究一年，对美国沼气产业的发展和典型沼气工程进行了实地考察和深入研究。现将美国沼气技术、激励政策、产业发展和趋势进行介绍和分析，供大家参考和借鉴。

1 概述

美国沼气工程与欧洲和中国相比总体上发展缓慢。70年代因石油涨价，触发了一些沼气工程设施建设。1970-1990年间，以能源为主要目的，大约建造了大约140座沼气工程。但由于设施简陋，设计不规范，安装不合理，管理差等问题，这些早期的沼气发酵罐大多数已经报废或停止使用[1]。近五年来，随着全球气候变暖和化石能源紧缺，沼气技术又日益受到重视，相关研究和示范工程建设逐步回暖。据美国环境保护署（EPA）统计[2]，2007年正常运行的沼气工程大约有111个，基本上是畜禽场沼气发电工程，每年产生2.15亿Kwh当量的总能量（见图1）。2007年沼气工程生产的能量是2003年的3倍。

2 沼气工程发展的主要驱动力

2.1 环境与能源效益是美国沼气工程发展的主要推动力

据美国环境保护署（EPA）的对美国人为产生的甲烷排放调查，从1990-2005年来自能源和工业行业的二氧化碳等温室气体排放量呈下降趋势，而畜牧场粪污管理中甲烷等温室气体释放增长了34%。因为，美国农场的养殖和种植发展基本相配套，原来养殖粪污大多在贮存塘露天存放，然后还田做肥料，存放环节产生了大量的甲烷和二氧化碳等温室气体。

沼气工程能够带来最大化地减少温室气体排放，控制臭气的释放，避免粪便流失带来水资源的污染等环境效益；同时产生可利用的沼气（50-70%甲烷）能源和有营养价值的肥料，可改善卫生条件。由于这些沼气工程效益和日趋严格的环境要求，提高了政府、农场主和可再生能源公司建设沼气工程的积极性。

2.2 激励政策

近年来，为推动畜禽粪污沼气工程建设，实现节能减排，美国农业部（USDA)，美国环境保护署（EPA），美国能源部（DOE)共同推出AgSTAR项目，建立沼气项目发展服务管理平台，提供沼气工程建设的政策、法律、技术、设备和市场服务信息。美国联邦政府和各州也制定鼓励发展沼气工程的项目和提供财政支持。因此，大多数沼气工程得到美国联邦政府和各州有不同的激励政策的财政补助[3]。例如，2002年《农场法》中的可再生能源和能源效率9006条款规定支持沼气项目[4]，从2003年以来，美国农业部已经为厌氧消化系统总计拨款3100万美元[2]。明尼苏达州农业厅的《产甲烷消化池贷款项目》为建沼气发电工程的农场主提供无息贷款[5]。

3 美国三种典型厌氧消化工艺

3.1覆膜厌氧塘（见图2）

在原有的畜粪储存塘上加盖一个膜收集沼气，有机负荷低，一般0.05-0.2KgCOD/M3.d。水力停留时间60-360天，取决于设施的管理，通常发电余热加热的覆膜厌氧塘比常温的

图2处理8600头猪粪污水的覆膜厌氧塘[6]

停留期短。处理粪污TS浓度0.5-3.0%。较多用于猪粪污水处理。

3.2全混合厌氧消化器（见图3）

用钢筋混凝土或钢结构建造，有搅拌机和增温设施，顶盖用固定密封顶或膜顶收集沼气。中温35-40.5℃发酵，有机负荷为1-10KgCOD/M3.d。水力停留时间5-20天，处理粪污TS浓度3-10%。当前，德国产气储气一体化厌氧罐新技术已经在美国Wisconsin等农业州的牧场得到应用，因其造价低和技术可靠，已逐步成为主流池型。

3.3 塞流式厌氧消化器（见图4）

一种窄长型地下钢筋混凝土结构，增温，一般顶部盖单膜收集沼气。采用中温35-40.5℃发酵，有机负荷为1-6KgCOD/M3.d。水力停留时间18-20天，处理粪污TS浓度5-13%。常用于牛场粪污，但不适合含砂粪便。

这三种因为工程造价低，管理方便成为美国主流厌氧工艺，塞流式、全混式、覆膜厌氧塘的数量分别占总沼气工程的58%、27%和19%。，其他也有个别农场采用ASBR和UASB工艺处理猪粪污水。

4 美国沼气工程发展存在的主要障碍

当前，美国沼气工程发展面临一些经济、技术、政策和社会等方面的障碍[3]。

4.1 在经济方面: 化石能源发电成本很低（平均0.09美元/Kwh），沼气发电（0.05-0.11美元/Kwh）[1]投资回报率低; 投资较大，政府财政激励力度不够; 与电力公司的合约期的问题。

4.2 在技术方面: 沼渣回用作牛舍垫料和堆肥的持续达到卫生标准的控制问题; 技术风险较大（存在农场主缺乏复杂沼气系统的操作和维护能力，回田的发酵液中磷的削减，提高产气率等问题）。

4.3 在制度方面: 因美国牧场分散,独立,发展效率高的集中式沼气工程难; 碳和绿色信用交易制度执行不充分。

5、沼气新技术进展

5.1沼气开发和利用新模式（见图5）

5.2 再生天然气技术

美国天然气价格还是要比生产沼气的成本高3-5倍[2]。因此，将甲烷含量50%-70%沼气净化升级为甲烷含量94-98%的天然气成为商业获利的可能。目前，北美最大的再生天然气工程[8]-德克萨斯（Texas）州Huckabay Ridge沼气提纯压缩成为高纯度甲烷后注入天然气管道，工程于2008年10月投入运行。工程处理10000头奶牛粪便，总投资1200万美元，预计每年可产生20万吨可抵扣碳信用。

5.3 高浓度厌氧干发酵技术

加州大学戴维斯分校张瑞红教授研究开发的日处理8吨的餐厨等有机废物厌氧干发酵处理中试工程2007年10月投入运行。对高浓度的多种有机物料采用高温厌氧分级发酵系统，具有产气率高，发酵后的物料量少的优点。目前，生产性规模的厌氧工程正在开发中。

5.4 沼气燃料电池发电技术

明尼苏达大学Philip. Goodrich 教授2005年在Haubenschild 奶牛场沼气工程成功研发5KW氢燃料电池发电机，采用沼气催化制氢。该发电机具有噪音低、无污染的优点，但存在发电成本高，体积较大的缺点。

6 若干建议

综上所述，结合中国沼气工程发展的实际情况，为促进我国沼气产业的又好又快地发展，笔者认为有几个方面可以努力。

一是完善可再生能源激励政策，针对沼气工程的节能减排的公益性和产生的环境效益，增加财政补助和贴息贷款的支持力度。同时研究出台国内沼气工程碳信用减排市场交易政策。

二是加强沼气工程新技术和新装备研发，实现产业化，规模化，规范化，主体发酵罐装配化，提高质量，降低工程成本;

三是对多原料高浓度联合发酵技术研究，保证产气原料充足，提高装置产气率。使沼气工程朝集中化、大型化方向发展，提高工程经济性和能源效率[9]。

四是提高沼气商品化的能力。消除沼气发电上网障碍，落实电价补贴。开展沼气提纯压缩成为高纯度甲烷后注入天然气管和应用于车辆用气的技术研发，实现沼气利用高端化，提高能源效益。

五是完善和合理规划养殖与种植产业布局，实现种养平衡，为沼液和沼渣的综合利用提供保证，减少输送成本，提高效益。

参考文献

[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