生物质沼气工程发展现状分析

袁艳文 刘昭 赵立欣

摘要：我国生物质沼气产业快速发展，但还存在产业技术研究不成体系、缺乏配套的工艺与装备、模式总结与推广力度不够、标准体系构建不完善等不足之处。针对国内外沼气工程产业和政策发展现状，阐述户用沼气、联户集中供气、规模化沼气工程等生物质沼气产业规模，分析了在居民生活用气、热电联产、净化提纯制取生物天然气等主要应用领域的趋势，研究了种养结合畜沼果（菜、茶）、沼气集中供气、气热电肥联产、生物天然气等多种商业模式，梳理了国内外沼气发电、生物天然气、政府投资等的补贴政策及实施效果，并针对核心部分厌氧发酵技术和沼气提纯技术对比了不同工艺的关键指标和优缺点，提出加强技术支撑与保障、探索多种应用模式、加快建立标准体系等建议，为我国生物质沼气工程产业化发展提供理论依据。

关键词：生物质沼气;产业规模;应用领域;商业模式;补贴政策;主流技术

近年来，随着经济的快速发展、人们生活方式的转变，一方面农业生产生活废弃物对周边环境造成严重影响，另一方面“能源危机”日益严峻，这同时也成为制约现代经济社会可持续发展的瓶颈问题之一。在环境保护和能源短缺的双重压力下，生物质能源在能源结构中的地位越来越显著。生物质沼气工程主要以畜禽粪便、农作物秸秆、餐厨垃圾、农副产品加工废水等各类城乡有机废弃物为原料，产生的沼气或生物天然气可广泛应用于炊事、取暖、发电和车用燃料等多个领域，不仅能够提供清洁的生物质能源，减少大气污染;还能够保护农村生产生活环境，促进生态文明建设。

1 生物质沼气产业

1.1 产业规模

欧洲沼气工程技术发展成熟，代表了世界的先进水平和模式，尤其是德国、瑞典、丹麦等国家是当前世界上沼气工程技术最为成熟和政策配套比较完善的地区。据统计，截至2016年，德国已建成沼气工程9 004处，总装机容量达到4 018 MW[1]。在德国可再生能源中，沼气和生物甲烷在可再生能源中的占比高达16.84%。德国有80万hm2的土地用于种植生产沼气的能源作物，占总耕地面积的68%。此外，德国计划到2020年建成沼气工程12万个，发电装机总量达4 800 MW，沼气发电占全国发电总量的7.5%，提纯沼气占到天然气总用量的20%;到2050年，农民收入的1/4来自于沼气工程[2-3]。瑞典是世界上率先开发车用生物燃气的国家，生物燃气广泛地用于交通燃气。根据国际能源署2013年4月的统计数据，瑞典有195个生物天然气加气站，车用燃料的使用占总生物燃气利用的60%，沼气燃料的生产和使用在瑞典一直稳步增长。

美国作为全球最大的能源消费国之一，沼气工程规模居欧美前列，但总体发展速度较为缓慢。根据美国环境保护署（USEPA）2010 年的数据，美国约有7万个奶牛养殖场，10万个养猪场，其中建有沼气工程的养殖场约有140 个，每个养殖场的平均养殖量为1.7万头（奶牛）。美国沼气工程的主要原料是城市生活垃圾和廢水，截至2010年，美国有420 多个运行的垃圾填埋气体回收厂，3 500多个配有厌氧消化装置处理污泥的城市废水处理厂。

日本国土面积小、环境压力大，沼气工程占地面积大是其发展缓慢的主要原因之一。日本的厌氧消化技术始于1932年，最初用于处理污水处理厂的污泥。到2010年，日本约有300多个沼气工程投入运行，主要采用膨胀颗粒污泥床（EGSB）和上流式厌氧污泥床（UASB）工艺，用于处理啤酒厂、饮料厂、酒厂、食品厂和化工厂等废水;有70多个处理畜禽粪便的沼气工程投入运行，有50个用于处理食品废弃物和城市生活垃圾的沼气工程[4]。

近年来，我国生物质沼气产业迅速发展，目前已形成了户用沼气、联户集中供气、规模化沼气工程共同发展的格局。沼气利用方式主要包括农村生活供气、热电联产、净化提纯生产生物天然气等多种利用方式。截至2016年底，全国沼气用户已达到4 380万户，全国规模化沼气工程已发展到 11.34万处。在规模化沼气工程中，日产气量超过 5 000 m3 的特大型沼气工程51处，大型沼气工程0.72万处，中型沼气工程1.07万处，小型沼气工程9.52万处。由此可见，我国沼气工程主要以小型项目为主，且多以农村户用或小规模集中供气等非赢利模式运行。大中型沼气工程在沼气工程中所占比例较小，其中单项池容在1 000 m3以上的畜禽养殖场沼气工程仅占全国规模化沼气工程总量的5%左右。工业有机废弃物沼气工程单项规模相对较大，一般池容都在2 000 m3以上，但该类项目数量较小，仅占全国规模化沼气工程总量的10%左右。规模化沼气工程分类标准见表1[5]。

1.2 主要应用领域

国外规模化沼气工程产生的沼气主要用于热电联产、净化提纯制备生物天然气。德国约有97%的沼气工程为热电联产工程，根据德国生物燃气协会预测，到2020年，沼气发电总装机容量将达到 9 500 MW，且重点为装机容量150 kW以下的小型工程;从2011年起，德国的沼气利用方式开始向制备生物天然气转变，主要用于制备管道天然气和车用压缩天然气[6-7]。瑞典提出的目标是：到2020年生物燃气代替50%的天然气，到2050年生物燃气完全替代天然气。丹麦政府提出，到2020年10%的天然气来自于生物质燃气，到2050年天然气的用量将会是目前的50%，而且全部为生物质燃气等可再生燃气。

目前，我国沼气主要用于居民生活用气，农村居民生活用气占沼气利用量的一半以上，沼气发电也是主要的利用方式之一，只有少量沼气用于提纯作为城市燃气和车用燃气。（1）集中供气。为解决农村用能问题，我国的大部分沼气工程产生的沼气经脱水脱硫后，由铺设好的输气管网输送至农户家中，供农户炊事取暖之用。此外，也有部分工业沼气项目提纯后作为城市燃气供居民使用。（2）沼气发电。我国沼气发电至今已有30多年的历史，但发展一直较为缓慢，比例仍然较低，主要原因在于沼气发电技术和装备研究、应用市场都还不够完善，发电效率偏低，经济性较差。（3）提纯作为车用燃料。沼气经净化提纯后可作为车用天然气，该技术在欧洲应用较多，在我国则刚刚起步。

1.3 商业模式

欧美国家沼气产业已经形成多种成熟的商业模式，主要包括以德国、英国、丹麦和美国为主的热电联产模式（CHP）、瑞典和瑞士等国的车用燃气模式以及管道天然气模式等[8]。我国规模化沼气工程起步较晚，但近年来发展迅速。

1.3.1 种养结合畜沼果（菜、茶）模式 以沼气工程为纽带，将畜禽养殖和果、菜、茶等高效经济作物种植相结合，畜禽养殖粪污等原料经过厌氧发酵生产沼气和沼肥，沼肥为果园、菜园和茶园等提供有机肥料[9]。

1.3.2 沼气集中供气模式 该模式以秸秆或畜禽粪便等农村生产和生活废弃物为原料，建设沼气工程生产沼气，以整村为单位，通过管道集中供气，也可经过提纯压缩后制成高纯度燃气，用高压槽车分别送至生物燃气站，再通过管网输送至用户家中。

1.3.3 气热电肥联产模式 生物质原料经沼气工程厌氧发酵后产生沼气、沼液和沼渣，沼气可用作发电，发电产生的余热通过热水锅炉加以利用，沼液、沼渣可作为肥料用于农业生产[10]。

1.3.4 生物天然气模式 生物质原料经过沼气工程生产沼气，沼气经净化提纯后可直接并入城镇天然气管网或作为车用燃气。

2 生物质沼气主要政策及实施效果

2.1 国外沼气政策及实施效果

欧盟国家沼气产业的迅速发展离不开法律和政策的大力支持，主要分为终端产品补贴和建设补贴2种[11]。终端产品补贴包括上网电价补贴、生物天然气补贴等。

2.1.1 上网电价补贴 德国、瑞典、英国、法国等欧洲国家都实行“固定电价”，德国是欧盟中通过上网电价优惠实行财政补贴沼气力度最大的国家[12]。其余各国上网电价补贴大同小异，基本都是根据发电装机容量从小到大分类递减上网收购电价。

2.1.2 生物天然气补贴 沼气提纯后一方面可作为车用燃气，另一方面可并入燃气管网。欧盟国家使用生物天然气免征能源消费税、H2S 排放税和CO2排放税等[13]。瑞典是利用沼气提纯作车用燃气最普遍的国家，车用燃气发展的政策主要包括车辆税免征政策、超级环保汽车补贴政策、车辆受益税减免政策等[14]。在生物天然气并入燃气管网方面，荷兰成功利用沼气净化纯化后生物天然气并入城市天然气管道，作为天然气替代能源，荷兰自2011年起实行可再生能源激励计划（SDE+），该计划既支持沼气发电，也支持沼气提纯生产生物甲烷，生产决定采用哪种末端产品，2017年该计划预算达到60亿欧元。欧盟国家高度重视沼气工程基础设施的建设，2012年开始执行的意大利法案规定对于装机小于1 MW 的农场沼气工程，最高给予总投资40%的资助。瑞典在2013—2017年对沼气新技术的市场营销资助额度是投资总额的40%。丹麦为鼓励沼气发电工程建设，根据2012年能源协议，沼气发电工程建设补助由原來的20%提高至39%[15]。

美国在20世纪70年代末遭遇石油危机后，大力发展可再生能源，1970年联邦政府颁布的《清洁空气法案》，是美国推广可再生能源的第1个法案，但生物质沼气工程总体上发展较为缓慢。近年来，随着全球气候变暖和能源危机，为处理规模化养殖场的畜禽粪便，减少温室气体排放，生物质沼气工程技术在美国日益受到重视，联邦政府和各州相继制定相关财政政策支持沼气工程的发展，例如，2002年《农场法案》中的可再生能源和能源效率9006条款规定支持沼气项目，从2003年以来，美国农业部已经为厌氧消化系统总计拨款3 100万美元。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[16]。

日本是世界上新能源产业起步最早的国家之一，石油危机与能源紧张是推动其新能源发展的主要动力。近年来，日本政府相继出台了一系列政策和国家战略支持生物质产业的发展，2002 年出台《日本生物质综合战略》，首次将生物质利用放入国家战略中，规定从2004 年开始建设生物质镇，2005 年出台《京都议定书成就计划》，2009 年出台《促进生物质利用的基本方案》，2012 年出台《生物质产业化战略》[17]。

2.2 国内沼气政策及实施效果

我国政府一直非常重视农村沼气建设，2004—2007年中央一号文件都对农村沼气的发展提出明确要求。2003—2005年中央每年安排10亿元用于支持农村沼气建设，2006—2007年支持力度增加到25亿元，2008年中央投入高达60亿元。“十二五”期间，中央累计安排142 亿元用于农村沼气建设，并不断优化投资结构。

2.2.1 户用沼气 在国家政策的大力支持下，农村沼气事业快速发展，全国户用沼气从2003年的 1 289 万户提高到2015年的4 193.3万户，受益人口超过2亿人。为加强农村沼气后续服务，全国已建成乡村服务网点11.07万处，县级服务站达到 1 140处，沼气用户覆盖率达到74.3%。同时农村户用沼气建设标准不断完善，形成了包括NY/T 1639—2008《农村沼气“一池三改”技术规范》、NY/T 2451—2013《户用沼气池运行维护规范》等一系列标准规范在内的技术标准体系，有力支撑了我国农村户用沼气建设。

2.2.2 大中型沼气工程 随着我国规模养殖的迅速发展，畜禽粪便、废水等污染日趋严重，同时农村能源需求不断增大，大中型沼气工程迎来了快速发展时期。2007、2008年的中央一号文件分别提出支持大中型沼气工程建设。中央投资不断增加，政策大力支持，大大加快了大中型沼气工程的建设步伐。从2009年起，国家进一步鼓励大中型沼气工程发展，并根据发酵装置容积大小和上限控制相结合的原则确定中央补助数额。截至2016年底，全国规模化沼气工程已发展到11万处。一批由社会资本建设的规模超过1万m3的特大型沼气工程，开展集中供气、发电并网及制取生物天然气，使沼气利用从低值化向高值化、从公益供给向有偿使用转变。

2.2.3 生物天然气 为推动沼气工程转型升级和促进生物天然气发展，2015年国家首次提出对规模化生物天然气试点工程予以投资补助，即生物天然气生产能力补助2 500元/m3，单个项目的补助额度不超过5 000万元。此外，继续给予符合条件的规模化大型沼气工程投资补助，即对1 m3沼气生产能力投资补助1 500元。2015—2017年期间共支持生物天然气示范项目64个。2018年，国家能源局首次将生物天然气纳入能源发展战略及天然气产供储销体系，并提出将建立优先利用生物天然气的发展机制。2019年底，《关于促进生物天然气产业化发展的指导意见》出台，提出到2025年生物天然气年产量超过100亿m3，到2030年超过 200亿m3 的發展目标，这是我国首个促进生物天然气产业发展的指导文件，生物天然气进入快速发展时期。

3 生物质沼气工程主流技术

沼气工程的核心技术是厌氧发酵技术，此外，随着生物天然气的发展，沼气提纯技术也日益受到重视，并不断取得进步和发展。

3.1 厌氧发酵技术

根据发酵原料的不同分为畜禽粪便、工业有机废弃物、秸秆和多种混合原料，我国沼气工程主要以处理畜禽养殖场粪污为主。从2007年起，以秸秆为原料的沼气技术开始发展，原料主要为玉米秸秆。近年来，以多种畜禽粪便、秸秆、果蔬残余物等混合物为原料的多元物料混合厌氧发酵技术受到越来越多的研究学者关注，并开展了大量相关研究。

根据厌氧消化工艺的不同分为完全混合式厌氧反应器（CSTR）、升流式固体床（USR）、上流式厌氧污泥床（UASB）、塞流式厌氧反应器（HPFC）、厌氧序批式反应器（ASBR）、厌氧接触反应器（AC）、厌氧挡板反应器（ABR）、厌氧复合反应器（UBF）、内循环厌氧反应器（IC）、膨胀颗粒污泥床反应器（EGSB）等。其中，应用最广泛的为CSTR和USR工艺。此外，多原料混合发酵基本采用CSTR工艺。不同厌氧发酵工艺对物料的要求、优缺点对比情况见表2。

按照物料在反应器中的形态进行分类，大致可分为湿式和干式厌氧发酵技术。湿式厌氧发酵是指发酵物料在有流动水状态下进行的厌氧消化过程，以完全混合式厌氧消化工艺（CSTR）、上流式厌氧污泥床（UASB）等为代表。干式厌氧发酵是指没有或几乎没有流动水状态下进行的厌氧消化过程，以序批式投料为主的覆膜槽干式（MCT）、车库（集装箱）式和红泥塑料厌氧消化工艺等为代表。

欧洲沼气工程主要使用工业废水以及市政污泥、餐厨垃圾、畜禽粪便、能源植物等有机废物作为原料。厌氧发酵工艺中湿式发酵的主流工艺包括以上流式厌氧污泥床（UASB）为代表的高效厌氧反应器和全混式厌氧反应器（CSTR）。UASB主要利用工业废水进行沼气生产，CSTR则利用除废水外的其他有机废物。当前，德国的大型厌氧消化装置多为立式CSTR发酵罐，罐体多为钢结构，以利浦罐居多。德国的MT-Energie、Biogas Nord AG、Envitec Biogas、BTA international等企业已具有运行CSTR沼气工厂的成熟经验，并已将相关业务拓展至国际市场。针对市政垃圾、秸秆等高含固率物料，干式发酵已成为新的沼气生产发展方向，目前欧洲已有多家企业研发出成熟的生产工艺，能够稳定运行的工艺有Kompogas、Valoiga、Dranco等。

我国规模化沼气工程使用的原料主要是畜禽粪便和秸秆。厌氧发酵工艺中湿法发酵以中温条件下的CSTR工艺为主。CSTR是在常规消化器内安装了搅拌装置，使发酵原料和微生物处于完全混合状态，与常规反应器相比，活性区遍布整个反应器，效率较高。干法发酵中以车库式发酵居多，车库式发酵为间歇式干法发酵工艺，该工艺采用车库式厌氧发酵仓，发酵仓为模块化结构，地面为混凝土结构，没有搅拌器和管道，底部采用管道暖气供热。该工艺的优点是：对物料要求较低，简化了物料预处理过程，装置结构简单，系统可靠性高，能耗低。

3.2 沼气提纯生物天然气技术

沼气经净化提纯后可达到天然气的标准，生物天然气可直接并入现有的天然气管网或经压缩后用于车用燃气。目前，沼气提纯技术主要有水洗法、物理或化学吸收法、变压吸附法（PSA）和膜分离法等，表3为几种常用的沼气提纯技术性能的对比分析[18]。在这些技术中，加压水洗法和变压吸附法由于具有技术成熟、设备稳定、运行成本低等优点，是国内外应用最广泛的技术;膜分离法目前被广泛用于工业上的气体分离，具有操作简单、低污染、低能耗、易放大等优点，随着技术水平的不断提高和成本的进一步下降，在沼气提纯领域具有很大的应用前景。

4 存在问题与建议

4.1 加强技术支撑与保障

尽管我国沼气工程的相关技术在快速进步，但目前还存在技术研究不够深入、未成体系、缺乏核心技术、工艺和技术装备不配套等问题，建议加大研发力度，为我国规模化沼气工程和生物天然气工程产业化发展提供技术支撑。

4.2 探索多种应用模式

我国幅员辽阔，不同地区的气候条件、农业现状和社会经济发展水平差异较大，生物质沼气工程需要在不同区域因地制宜进行技术适应性、工程推广应用模式的研究与实践。建议政府部门加大政策和资金支持力度，加强统筹协调和示范引导，探索总结出多种不同类型的技术模式加以推广应用。

4.3 加快建立标准体系

目前，我国虽然颁布了多项国家和行业沼气标准，但主要集中在户用沼气领域，同时以沼气生产和使用过程的产品标准为主。在沼气工程的原料收储运、技术工艺与装备、运营规范等方面缺少统一的标准和认证，建议加快建立我国生物质沼气工程标准体系，促进产业的健康持续快速发展。

参考文献：

[1]Torrijos M. State of development of biogas production in Europe[J]. Procedia Environmental Sciences，2016，35：881-889.

[2]肖 涛. 德国沼气工程发展现状分析与借鉴[J]. 河南农业，2013（4）：25-26.

[3]Lauer M，Thrn D.Biogas plants and surplus generation：Cost driver or reducer in the future German e-lectricity system？[J]. Energy Policy，2017，109：324-336.

[4]池勇志，習钰兰，薛彩红，等. 厌氧消化技术在日本有机废水和废弃物处理中的应用[J]. 中国给水排水，2011，27（8）：27-33.

[5]中华人民共和国农业农村部. 沼气工程规模分类：NY/T 667—2011 [S]. 北京，中国农业出版社，2011.

[6]DanielGromke J，Rensberg N，Denysenko V，et al. Current developments in production and utilization of biogas and biomethane in Germany[J]. Chemie Ingenieur Technik，2018，90（1/2）：17-35.

[7]徐 慧，韩智勇，吴 进，等. 中德沼气工程发展过程比较分析[J]. 中国沼气，2018，36 （4）：101-108.

[8]张慧智，时 朝，李 红，等. 北京市大中型沼气工程典型商业模式浅析[J]. 中国沼气，2017，35（3）：88-92.

[9]成潇伟，朱洪光，徐宇鹏，等. 沼气与生物天然气产业发展模式比较分析[J]. 安徽农业科学，2017，45（18）：48-50.

[10]孙康泰，张 辉，魏 珣，等. 生物燃气产业发展现状与商业模式创新研究[J]. 林产化学与工业，2014，34（5）：175-180.

[11]陈子爱，邓良伟，王 超，等. 欧洲沼气工程补贴政策概览[J]. 中国沼气，2013，31（6）：29-34.

[12]Weiland P. Production and energetic use of biogas from energy crops and wastes in Germany[J]. Applied Bio-chemistry Biotechnology，2003，109：263-274.

[13]程 序，朱万斌. 欧盟国家新兴的生物天然气产业[J]. 中外能源，2011，16 （6）：22-29.

[14]Jang J. Exploring opportunities for biogas as a vehicle fuel in South Korea：learning from Sweden[D]. Lund：Lund University，2009.

[15]李 颖，孙永明，李 东，等. 中外沼气产业政策浅析[J]. 新能源进展，2014，2 （6）：413-422.

[16]寿亦丰. 美国沼气产业发展现状与趋势[J]. 农业工程技术·新能源产业，2009 （1）：22-24.

[17]袁惊柱，朱 彤. 生物质能利用技术与政策研究综述[J]. 中国能源，2018，40 （6）：16-20.

[18]郑 戈，张全国. 沼气提纯生物天然气技术研究进展[J]. 农业工程学报，2013，29 （17）：1-6.牛 鑫，柴倩囡，冯九海，等. 4种鬼伞β-1，3-葡聚糖转移酶的生物信息学分析[J]. 江苏农业科学，2021，49（6）：33-39.