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碳中和征程起始之年,农村沼气“持续发酵”

农民日报 2021年10月22日 报道 浏览次数:

山东省烟台市民和3兆瓦特大型鸡粪沼气发电工程。 中国沼气学会供图

茅台生态循环经济产业示范园项目全景图。 中国沼气学会供图

编者按

中国沼气行业利用厌氧发酵技术处理各种有机物生产清洁能源、优质有机肥,一直在为中国减排固碳、循环利用、绿色发展、环境保护、能源安全做着贡献。近日,《中国沼气行业“双碳”发展报告》发布,本报本期结合沼气行业先进技术、典型模式与示范项目等进行总结,并刊发专家针对行业典型问题提出建设性的政策建议,以飨读者。

农民日报·中国农网记者 孙眉

今年是全面推进乡村振兴和开启碳中和征程的起始之年。沼气利用厌氧发酵技术处理各种有机物生产清洁能源、优质有机肥,一直在为中国减排固碳、循环利用、绿色发展、环境保护、能源安全做着应有的贡献。

新中国成立后,党和国家历届领导都对沼气建设与发展给予了高度关注与支持。特别是进入21世纪以来,中央加大了对沼气建设与发展的支持力度,累计安排中央预算内投资超过700亿元,专项用于户用沼气池和各种类型沼气工程建设补助,支持村级沼气服务网点建设,并开展了农村沼气转型升级试点项目。截至2020年,全国已推广户用沼气3900万户,建设各类沼气工程超过10万处,形成年产沼气200多亿立方米的能力。可以自豪地说,经过多年长期的发展,中国的沼气技术水平已经站在了世界前沿,推广规模全球第一,应用领域实现了农业农村、城市和工业的全覆盖。

就地、就近、循环有机

农村沼气工程“转型升级”

在农村沼气发展过程中,逐渐形成了多种原料底物的沼气工程,如以秸秆、畜禽粪污、城乡生活垃圾及混合原料为底物的沼气工程都已具备工程先进性。各地规模化生物天然气示范项目充分利用生物废弃物为原料,生产沼气和有机肥,符合国家产业政策,具有较好的环境效益和社会效益。针对高含固率物料,干式发酵已逐渐成为新型的农业农村有机废弃物厌氧处理技术。针对厌氧消化过程中仍存在大量沼液消纳困难和北方地区保温性差的工艺问题,黑龙江省林甸畜禽养殖生物废弃物资源化利用项目做出了较好的示范作用,在处理高寒地区畜禽粪便和秸秆的同时,利用干式厌氧发酵大大减少了沼液的产生量。

近年来,农村沼气工程依托农业废弃物资源利用和循环发展理念,因地制宜形成了多种发展模式,为农村沼气工程的可持续发展打下坚定的基础。比如,梁家河沼气示范项目形成以果、沼、畜为核心的区域农业农村绿色有机循环模式,以畜禽粪污为生产原料,每年可处理1800吨原料,年产沼气7万立方米,年发电量约12万千瓦时,年减排约800吨二氧化碳;年产沼渣100吨,沼液1500吨。沼渣沼液作为有机肥用于千亩现代生态果园,实现了农业废弃物的能源化利用及后续沼渣沼液的肥料化利用。

除厌氧消化沼气产物可进行能源化利用外,在农村沼气工程中沼渣沼液产物综合利用成效也较为突出。经厌氧消化过程消毒灭菌及虫卵等处理,沼渣沼液富含多种营养成分,是优质的农用有机肥。山东省烟台市蓬莱区南王镇建有8个体积为3200立方米的沼气发酵罐,日处理鸡粪300吨、冲刷鸡舍的污水300吨,日产沼气3万立方米,日均发电量6.5万千瓦时,年发电并网2200万千瓦时。该项目每年产生8万吨温室气体减排量,该减排量通过国际第三方核查机构核证及联合国签发后,通过世界银行进行碳交易,每年可获700万元碳减排收益。沼液直接就近还田利用,或给沼液膜浓缩项目提供沼液原料,沼渣与鸡粪混合可以做有机肥。

变废为宝 绿色生产

助力双碳目标实现

我国是世界最大农产品生产和消费国,农业废弃物的资源量极大,对环境的影响不容忽视。由于秸秆等固体废物就地焚烧产生大量的废气,同时,在自然条件影响下,固体废物中的一些有害成分转入大气、水体和土壤,参与生态系统的物质循环,具有潜在的、长期的危害性。因此,对农业固体废物进行综合治理是十分必要的,它们均可作为厌氧生物发酵的原料。

农业废弃物是指在整个农业生产过程中被丢弃的有机类物质,包含农业生活生产和畜禽养殖业中产生的废弃物,主要包括农作物秸秆、果蔬废弃物、畜禽粪便和农村生活垃圾。厌氧发酵的产物为高热值的能源——沼气,属于可再生能源,具有绿色、低碳、清洁等特点,可替代传统化石燃料燃烧,可在一定程度上缓解农村能源紧张的矛盾,实现温室气体减排。

根据《中国有机肥养分志》数据分析,我国畜禽粪污产沼气能力为100-480立方米/吨VS,基于当前总体不超过10%的资源沼气化利用率,按照单位粪污可产沼气16立方米/吨鲜重计算,当前畜禽粪污的沼气生产量约为26.9亿立方米。2030年畜禽养殖规模化率和畜禽粪污综合利用率分别达到75%和85%以上,预测畜禽粪污可利用量可达29.9亿吨,按照资源沼气化利用率50%,单位粪污产沼气30立方米/吨鲜重计算,可获得沼气生产潜力约为447.8亿立方米。预期至2060年,我国畜禽养殖的主要畜种将实现全部规模化养殖,即粪污可利用量为35.7亿吨,按照资源沼气化利用率80%,单位粪污产沼气50立方米/吨鲜重计算,可获得沼气生产潜力约为1428亿立方米。

2015年全国范围内已建成大中型秸秆沼气工程共458处,每个沼气工程日产气量大约为1000-2000立方米/天,全部秸秆沼气工程全年运行的沼气产量为2.5亿立方米。我国农作物秸秆产沼气潜力为200-350立方米/吨VS。2030年,全国将建立完善的秸秆收储运体系,形成布局合理、多元利用的秸秆综合利用产业化格局,资源沼气化利用率增加到20%,可用于沼气生产的作物秸秆资源量为1.9亿吨,单位秸秆产沼气能力为300立方米/吨,估算农作物秸秆可获得沼气生产潜力为513亿立方米。预测到2060年,资源沼气化利用率约为40%,可用于沼气生产的作物秸秆量为3.6亿吨,单位秸秆产沼气能力为320立方米/吨,估算农作物秸秆可获得沼气生产潜力为1094亿立方米。

在全面推进“高质量发展”要求、“乡村振兴”战略和实现“双碳”目标的背景下,包括沼气在内的生物质能行业将会发挥不可替代的作用。能源革命与高质量发展、绿色低碳清洁能源体系构建、农村生态环境保护与绿色宜居村镇建设将成为“双碳”和乡村振兴战略的重要着力点。与此同时,由于产业政策不完善、标准体系不健全、行业发展不均衡、现有政策补贴机制待完善、市场化动力不足等因素,需要整个沼气行业迎接挑战,砥砺前行。

综合利用模式分析

模式一:山东依水禾香“土地流转+生态农业生态园”模式

清华大学与山东依水禾香公司合作,成立农业公司,流转周围土地,雇佣农民劳动,科学化、精细化和统一化管理。以济南市为对象并对该市1348家餐饮单位的餐厨垃圾收运情况进行实地调研,分析其产生、收运在时间和空间上的分布规律,并基于现有集中式运输模式现状,规划了分散式的收运模式;对餐厨垃圾厌氧处理后的沼渣沼液的农业利用进行了实验研究和综合分析,明确了其资源化利用的潜力及环境影响;评价不同“收运—处理—利用”模式的温室气体排放进行综合评价,对比分析了不同模式下的环境影响。

餐厨垃圾总产量406吨/天分散式收运模式运输环节的温室气体减排5.39吨二氧化碳/天;对餐厨垃圾厌氧处理后的沼渣沼液的农业利用,进行了1000亩土地流转用来种植黄河大米,施用量为15吨/亩,最多可比化肥增产14.7%。在沼气、沼液(渣)充分利用的前提下,厌氧技术所产生的温室气体总排放量最低,为-6.87吨二氧化碳/天。如果沼液未经农田消纳而是作为废水进行处理,排放量则增至6.27吨二氧化碳/天。

初步计算,如果1万亩的种植规模,可对应200吨的餐厨垃圾处理,处理餐厨垃圾投资1亿元,从原来的1000万元利润,增加至5000万元。水稻每亩利润是5300元,1万亩水稻就是5000万的利润,投入没有增加太多,利润却增加了2-3倍。这是跨界从餐厨垃圾竞争的红海初步走向生态农业的蓝海。

模式二:贵州茅台生态循环经济产业示范园

该模式位于贵州省遵义市播州区鸭溪镇茅台生态循环经济产业示范园内,2019年开始投产运营,年处理茅台酒糟10万吨、高浓度废水5万吨,可生产生物天然气产品1178万立方米,利用沼渣和沼液生产有机肥料10万吨。

项目采用厌氧发酵技术,将酒糟废弃物与高浓度废水经过物料调配、厌氧发酵、沼气脱硫、脱碳提纯等工序,得到生物天然气和沼渣沼液产品。沼气提纯生物天然气经压缩增压成CNG对外销售,沼渣作为有机肥原料外售,沼液还田利用。

采用厌氧发酵技术后,温室气体年排放量减少了2.6万吨二氧化碳当量。沼液还田地块的土壤每公顷固碳量约为1.5吨,折合每公顷年均固碳5.48吨二氧化碳当量。该项目沼液还田面积为500公顷,每年可以固碳2740吨二氧化碳当量。该项目为国内白酒厂酿酒废弃物的资源循环利用,提供了较好的示范意义,实现了酒糟的综合循环利用。

专家观点

中国农业大学生物能源科学与技术国际联合研究中心主任董仁杰:

我国农业农村生物废弃物40多亿吨,但目前用于沼气生产的仅仅10%左右。如果将农业农村生物废弃物资源全部用于生产沼气,沼气潜力约为1200-6800亿立方米,仅沼气热电联产的热量即可实现温室减排潜力1亿-5.5亿吨二氧化碳当量,如果考虑电力和肥料的化石资源替代以及沼渣沼液还田产生的稳定碳汇,农业农村生物废弃物“应气尽气”全量沼气处理的减排潜力巨大。

我国农业农村沼气工程的发展面临着内部挑战和外部机遇。内部挑战包括需要进一步凝练成功的沼气工程运营模式,提升沼气工程从原料收运贮、厌氧发酵、到沼渣沼液沼气利用全产业链条的技术与装备水平,在成功经验和现实需求的基础上重构沼气工程标准体系,在生态文明建设、乡村振兴、农业绿色发展和碳达峰碳中和战略背景下进一步完善政策体系和重新认识沼气工程的战略定位,通过沼气工程技术革命实现沼气工程的社会经济生态价值。沼气工程发展的外部机遇则是国家整体发展战略下对农业农村生物废弃物的处理与循环利用的需求以及国家碳达峰与碳中和对农业农村生物废弃物处理的战略需求。农业农村沼气工程发展的历史已经证明,只有跳出沼气工程产业的小圈子,站在国家发展大战略背景下,才能真正找到沼气工程可持续发展的成功之路。

北京化工大学教授刘秀金:

目前,我国沼气行业的发展面临多方面的挑战,我认为,最根本的问题是沼气工程只有环境效益、没有经济效益。建成的工程不盈利,后续就没有人再愿意投资建设,整个行业也就很难发展起来。不盈利的主要原因有:处理农业农村废物,建设运营方不仅无法收取处理费、反而需要支付产废者(如养殖场)费用,或者需要自己去花钱收集和处理废物(如秸秆),导致沼气生产成本高、无法与常规能源实现市场竞争;沼气和生物天然气发电、并入管网、建加气站难度大,或者并网价格很低(由于管网垄断),覆盖不了生产成本;沼渣沼液生产有机肥是个好事,但目前我国有机肥市场推广难度大,很难获得经济收益;其他清洁能源(如风电、光电等)国家都有后端补贴,同样是清洁能源,而且还多个环保效益,沼气和生物天然气产品却没有补贴,“待遇”不同等。

因此,未来沼气行业的发展必须要针对上述四个方面开展工作:实现“排污收费”制度(像城市垃圾一样),减少原料成本;实现绿色能源“配额”制度,让用气用户主动找我们,掌握市场话语权和定价权,解决沼气和生物天然气市场和价格问题;大力推广有机肥料,增加经济收益渠道;制订“后端补贴”政策,实现与其他清洁能源的“同等待遇”。只要行业扭转了“不盈利”的状况,技术、装备、管理、模式、人才和投资等具体问题就会迎刃而解,才能够实现成功的“转型升级”,从而推动我国沼气行业快速和可持续发展。

《农民日报》2021年10月22日8版


责任编辑:刘铮
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