國際：丹麥集中式沼氣工程發(fā)展模式分析與啟示

前言

沼氣技術是處理和利用農(nóng)業(yè)廢棄物的有效手段，歐洲國家一直重視沼氣技術和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，在沼氣工程發(fā)展模式方面走在世界前列。

丹麥是歐洲畜牧業(yè)強國，利用沼氣技術處理畜禽糞便起步較早。20世紀70年代，農(nóng)場式沼氣工程因能源危機而興起，但存在產(chǎn)氣量低、工程運行不穩(wěn)定及缺乏專業(yè)養(yǎng)護等問題，導致許多工程被廢棄。80年代初，鑒于農(nóng)場式沼氣工程發(fā)展的經(jīng)驗教訓，丹麥農(nóng)業(yè)經(jīng)濟研究人員提出沼氣建設模式向集中式沼氣工程模式(CentralizedAnaerobicDigestion，CAD)發(fā)展。CAD由丹麥首次提出，核心是將分散的畜禽糞污集中進行厭氧處理，特色鮮明，對其沼氣行業(yè)發(fā)展影響深遠，引起其他國家的關注和興趣。英國于90年代初開始研究引入CAD的可行性；法國在2000~2005年修建了6座集中式沼氣工程，以消納畜禽糞污和食品加工廢棄物；日本也引入和修建集中式沼氣工程，并對其經(jīng)濟性進行分析。

中國是畜牧業(yè)大國，農(nóng)村沼氣工程一直與畜禽養(yǎng)殖緊密聯(lián)系，建設選址常設在養(yǎng)殖場，以畜禽糞便為主要原料，產(chǎn)生沼氣供養(yǎng)殖場自身消耗或?qū)ν饧泄狻Ｓ捎谡託夤こ潭嗯c養(yǎng)殖場捆綁，原料來源較單一，受養(yǎng)殖業(yè)調(diào)整和市場變化影響突出，因原料供應不穩(wěn)定、專業(yè)化管理不善和經(jīng)濟效益較差等原因?qū)е鹿こ瘫粡U棄的情況時有發(fā)生。當前，中國農(nóng)村沼氣工程建設正在向規(guī)模化和大型沼氣工程發(fā)展，開始重視秸稈和餐廚垃圾等原料，農(nóng)業(yè)部提出要破除沼氣工程與養(yǎng)殖場或養(yǎng)殖小區(qū)、發(fā)酵原料與畜禽糞便“兩個捆綁”，對優(yōu)化中國農(nóng)村沼氣工程建設和運營模式提出新的要求。“十三五”規(guī)劃時期是中國農(nóng)村沼氣工程建設轉(zhuǎn)型升級的關鍵期，通過了解集中式沼氣工程在丹麥發(fā)展歷程及現(xiàn)狀，分析模式特點和問題等，能夠?qū)χ袊託夤こ贪l(fā)展帶來相關啟示。

丹麥集中式沼氣工程模式

1丹麥集中式沼氣工程發(fā)展歷程

1984年，丹麥北日德蘭郡實施“村落能源計劃”(VillageEnergyProject)項目，在VesterHjermitslev村修建丹麥第一座集中式沼氣工程處理畜禽糞污并示范村莊能源可持續(xù)性自給。1985—1987年，該項目繼續(xù)支持建設2座集中式沼氣工程(圖1)。集中式沼氣工程初期發(fā)展緩慢，但這批最早建成運營的項目在工程經(jīng)濟性和可行性方面進行了摸索和示范，為后續(xù)沼氣工程發(fā)展奠定了基礎。

化石燃料價格于1985年開始下跌，丹麥否決發(fā)展核能，側(cè)重開發(fā)風能和生物質(zhì)能等可再生能源，利用天然氣進行熱電聯(lián)產(chǎn)受到政府推崇。同時，農(nóng)田氨氮滲透造成的水污染引發(fā)關注，丹麥環(huán)保局出臺法規(guī)，要求延長畜禽糞便儲存時間并限制堆肥超標施用，導致農(nóng)戶無處堆放過剩的糞便廢料。鑒于于此，丹麥政府決心發(fā)展集中式沼氣工程，1985年實施基于畜禽糞便的大型沼氣工程綜合效益發(fā)展和示范項目，1988年升級為“沼氣行動項目”(BiogasActionProgramme)，為投資沼氣工程建設的業(yè)主提供高達40%的補貼和低息貸款，對所有建成沼氣工程進行監(jiān)測管理。沼氣行動項目實施期間是集中式沼氣工程發(fā)展最快的時期：其首次實施4年就支持修建了5座集中式沼氣工程；1991年到期后，政府于1992—2001年數(shù)次重啟實施該項目，促使工程建設以平均每年1~2座的速度推進，共支持新增集中式沼氣工程11座(圖1)。集中式沼氣工程經(jīng)濟性的顯著提高推動了工程數(shù)量的迅速增加，工程的規(guī)模擴大、穩(wěn)定運營和原料來源的拓展使每立方米沼氣生產(chǎn)成本逐年下降。由圖2可見，沼氣生產(chǎn)成本從1984年的21丹麥克朗(1丹麥克朗約合0.96元人民幣，2016)降至1995年的2丹麥克朗，在1991年接近區(qū)域供暖公司的天然氣采購價格(每立方米3.8丹麥克朗)。另一方面，集中式沼氣工程行業(yè)平均利潤1992—2000年逐年增加(圖2)。

丹麥國會1999年通過《丹麥能源改革法》(DanishEnergyReform)，計劃在2003年后轉(zhuǎn)變激勵可再生能源發(fā)展的方式，將沼氣發(fā)電上網(wǎng)電價由固定電價調(diào)整為隨市場行情變化的浮動電價。出于對未來能源價格不確定性的擔憂，沼氣業(yè)主停止投資建設沼氣工程。1998年最后一座工程新建后，集中式沼氣工程建設陷入停滯，“沼氣行動項目”也隨后終止。至此，丹麥共修建20座集中式沼氣工程，主要分布于畜禽養(yǎng)殖密度較大的西部。盡管沼氣工程建設停滯，大部分集中式沼氣工程仍運營良好。

根據(jù)2007年起草的歐盟可再生能源指令(Directive2009/28/EC)，丹麥需將其可再生能源份額從2005年的17%提升到2020年的30%，同時出于對氣候變化、碳減排和畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展問題的考慮，其政府對沼氣的能源政策回暖。2008年《丹麥能源政策的執(zhí)政協(xié)議》(VE-Lov)規(guī)定，給予逐年上調(diào)的沼氣發(fā)電上網(wǎng)電價和市場溢價補貼。2009年《綠色發(fā)展協(xié)議》中指出，到2020年丹麥50%的畜禽糞便必須通過厭氧技術處理，政府對修建沼氣工程提供20%的補貼和60%的市政貸款，沼氣供應商享有和天然氣供應商同等機會。2010年制定的《2050年丹麥能源發(fā)展戰(zhàn)略》更提到，丹麥將大力發(fā)展可再生能源，計劃在2050年完全擺脫對化石能源的依賴。能源利好政策的出現(xiàn)使集中式沼氣工程回暖，但受國際金融危機影響，2009—2012年丹麥新增的集中式沼氣工程只有2座。相對于農(nóng)場式沼氣工程和污水處理沼氣工程，集中式沼氣工程數(shù)量仍較少，但其沼氣產(chǎn)量占到總產(chǎn)量的45%，成為丹麥沼氣產(chǎn)業(yè)的主要組成部分(表1)。隨著丹麥持續(xù)推進“綠色國度”建設，其畜禽糞便處理要達到《綠色發(fā)展協(xié)議》的目標還需建造約20座集中式沼氣工程，預計未來集中式沼氣工程有更大發(fā)展。

       圖1.1984—2000年丹麥集中式沼氣工程累計數(shù)量變化

    圖2.1984年—1995年丹麥集中式沼氣工程沼氣生產(chǎn)成本變化

2集中式沼氣工程模式及特點

集中式沼氣工程通常覆蓋一個小城鎮(zhèn)，以2000居民(農(nóng)戶)作為供氣供熱對象。工程基本模式(圖3)為一座約2000m沼氣裝置，采用中高溫發(fā)酵(目前大型沼氣工程常采用52~55℃的高溫發(fā)酵)，以畜禽養(yǎng)殖糞污、污水處理廠剩余污泥等作為發(fā)酵原料。工程組織運營常采用合作社形式，由工程業(yè)主統(tǒng)一組織或農(nóng)戶自行將分散的養(yǎng)殖場畜禽糞便用卡車運輸至沼氣工程進行處理，收儲半徑一般為10km。丹麥對環(huán)境衛(wèi)生相當重視，糞便原料需在高溫發(fā)酵罐至少停留6~10小時(MinimumGuaranteedRetentionTime，MGRT)(表2)，并經(jīng)過至少7天(HydraulicRetentionTime，HRT)的處理。原料或沼液還必須經(jīng)過衛(wèi)生罐處理，在55~65℃停留5.5~1小時(MGRT)進行巴氏消毒(表2)。沼渣沼液被分離并注入沼肥池儲存，待施肥季節(jié)再由罐車運送至田地施用。所產(chǎn)沼氣主要用于熱電聯(lián)產(chǎn)：電力入網(wǎng)，產(chǎn)熱供給社區(qū)用暖。

       圖3.集中式沼氣工程模式 ?

“與農(nóng)場式沼氣工程相比，集中式沼氣工程有著明顯的優(yōu)勢和特點：1集中式沼氣工程不依托于單一農(nóng)戶或養(yǎng)殖場，原料來源穩(wěn)定，能實現(xiàn)常年穩(wěn)定產(chǎn)氣供氣。2集中式沼氣工程多采用高溫發(fā)酵，附加衛(wèi)生罐巴氏消毒，消毒成本低且更能有效殺滅畜禽糞便所攜病原菌和雜草種子，避免病原傳播風險，保障沼液質(zhì)量安全，有利于提升畜牧養(yǎng)殖環(huán)境質(zhì)量。3集中式沼氣工程使用多元物料發(fā)酵，產(chǎn)率高，產(chǎn)生的沼渣沼液“量大質(zhì)優(yōu)”，可滿足種植業(yè)大戶的需求。4集中式沼氣工程能夠接納國內(nèi)外工業(yè)有機廢棄物，進一步提高工程本身的經(jīng)濟性。5集中式沼氣工程與區(qū)域供暖聯(lián)系緊密，該分布式能源發(fā)展模式能有效利用沼氣等可再生能源資源，降低供能成本和碳排放。6集中式沼氣工程多采用合作社管理模式，能統(tǒng)籌工程運營，專業(yè)化設備維修及糞污、沼液的儲存和運輸?shù)龋@著降低農(nóng)民處理糞污成本。

3丹麥集中式沼氣工程模式發(fā)展瓶頸和問題“丹麥集中式沼氣工程經(jīng)歷了近10年的快速發(fā)展后，于20世紀90年代中后期漸漸遇到發(fā)展瓶頸：1原料的不足限制了集中式沼氣工程的發(fā)展。隨著集中式沼氣工程數(shù)量的增加，集中式沼氣工程對畜禽糞便和有機廢棄物等原料的需求也不斷增加，有限的有機廢棄物資源不能滿足所有工程的需要，導致工程業(yè)主對優(yōu)質(zhì)發(fā)酵原料進行爭奪。對原料的競爭抬高了原料價格，使運營成本上升，工程經(jīng)濟效益降低，業(yè)主建設信心受挫。2原料質(zhì)量的下降減緩了集中式沼氣工程的發(fā)展。隨著丹麥農(nóng)場養(yǎng)殖規(guī)模擴大，農(nóng)場式沼氣工程規(guī)模不斷擴大，部分農(nóng)民有能力儲存和處理更多畜禽糞污，開始傾向?qū)⒂袡C質(zhì)濃度高的優(yōu)質(zhì)原料留為己用，將有機質(zhì)濃度低的劣質(zhì)原料供給集中式沼氣工程使用。劣質(zhì)原料進一步拖累集中式沼氣工程經(jīng)濟性，抑制業(yè)主建設沖動。3政府能源政策轉(zhuǎn)向削弱了集中式沼氣工程的發(fā)展。1999年的《丹麥能源改革法》和《發(fā)電補貼法修正案》規(guī)定沼氣發(fā)電上網(wǎng)電價由固定電價變?yōu)楦与妰r，為沼氣工程盈利前景增添了不確定因素。2001年丹麥自由黨選舉獲勝，新任政府注重能源供給效率和經(jīng)濟性，取消包括“沼氣行動項目”在內(nèi)的沼氣建設支持和研究項目資助，打擊了沼氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

丹麥集中式沼氣工程模式對中國的啟示

丹麥是歐洲畜禽養(yǎng)殖大國，其沼氣工程從最初作為解決能源問題的工具，漸漸發(fā)展為綜合治理農(nóng)業(yè)和環(huán)境問題的手段。中國沼氣發(fā)展路徑與丹麥相似，在當前沼氣工程轉(zhuǎn)型升級和提倡循環(huán)農(nóng)業(yè)的背景下，丹麥集中式沼氣工程發(fā)展模式對中國沼氣工程發(fā)展有寶貴的借鑒意義。

1原料來源多樣充足保障沼氣工程穩(wěn)定高效運營

丹麥集中式沼氣工程原料穩(wěn)定供給是其成功的關鍵。集中式沼氣工程與多家農(nóng)場進行合作，畜禽糞便來源不依賴單一農(nóng)場，規(guī)避了因個別養(yǎng)殖場經(jīng)營不善導致原料不足使沼氣工程無法運營的風險。同時，集中式沼氣工程多采用多元物料發(fā)酵，除了畜禽糞便，還處理包括食品加工廢棄物、屠宰場廢棄物、制藥廠廢氣物等工業(yè)有機廢棄物和生活有機垃圾。相比單一原料發(fā)酵，混合原料發(fā)酵能提高微生物的發(fā)酵效率，增強發(fā)酵系統(tǒng)的緩沖能力和有機負荷。原料多樣性進一步保證了沼氣工程的穩(wěn)定運營，有益于“三沼”產(chǎn)品質(zhì)量提升。

中國沼氣工程多建在養(yǎng)殖場旁，完全依賴單一養(yǎng)殖場原料，無法保障長期穩(wěn)定高效運行。以豬場為例，生豬市場銷售變化、產(chǎn)業(yè)布局調(diào)整和豬場搬遷等因素對沼氣工程影響顯著：生豬市場銷售變化帶動生豬養(yǎng)殖波動，進而影響沼氣發(fā)酵原料的穩(wěn)定供應；產(chǎn)業(yè)布局調(diào)整和豬場搬遷更導致與豬場捆綁的沼氣工程被廢棄。另外，中國農(nóng)村沼氣工程主要原料是養(yǎng)殖場畜禽糞便，工業(yè)廢棄物、城市污泥和有機垃圾等原料鮮有應用。沼氣工程與養(yǎng)殖場捆綁限制了多種混合原料發(fā)酵的應用，不僅浪費寶貴的生物質(zhì)資源，還拖累了沼氣工程經(jīng)濟性。中國西南地區(qū)有鄉(xiāng)鎮(zhèn)級區(qū)劃數(shù)9262個，城鎮(zhèn)村落布局分散，地勢不平整。盡管該區(qū)域生豬規(guī)模化養(yǎng)殖發(fā)展速度較快，散戶養(yǎng)殖數(shù)量依舊較多，且規(guī)模不斷擴大，存在較大的面源污染風險。鑒于此，可借鑒丹麥集中式沼氣工程模式，在該地區(qū)城鄉(xiāng)結(jié)合部或村落之間修建大型沼氣工程，收儲和處理來自散戶養(yǎng)殖的畜禽糞污和城鎮(zhèn)的有機廢棄物，生產(chǎn)沼氣對城鎮(zhèn)居民集中供氣，沼肥適時統(tǒng)籌還田，有利于綜合治理城鄉(xiāng)環(huán)境，促進地域循環(huán)農(nóng)業(yè)發(fā)展。

2區(qū)域能源和環(huán)境聯(lián)動的典范

丹麥在熱電聯(lián)產(chǎn)與區(qū)域供熱方面成績斐然，在20世紀初就探索建立熱電聯(lián)產(chǎn)廠和區(qū)域供熱網(wǎng)絡并推廣全國，早期主要使用天然氣、煤炭、燃油、稻草、木球和生活垃圾等做燃料。運用熱電聯(lián)產(chǎn)方式進行區(qū)域供熱可提高燃料使用效率，實現(xiàn)本地燃料的最大化利用。隨著沼氣生產(chǎn)成本降低(圖2)和公眾對環(huán)境的關注提升，越來越多的熱電聯(lián)產(chǎn)廠使用沼氣等清潔能源作為燃料，尤其是在天然氣資源貧乏的地區(qū)。目前，丹麥絕大部分沼氣用于熱電聯(lián)產(chǎn)。集中式沼氣工程能規(guī)模化生產(chǎn)沼氣，穩(wěn)定為熱電聯(lián)產(chǎn)廠提供燃料并以此作為主要盈利方式，與區(qū)域供熱網(wǎng)絡緊密結(jié)合。區(qū)域供熱公益性屬性強，政府對沼氣供暖免稅，維持供暖價格每兆瓦時50~100美元。

中國沼氣工程規(guī)模普遍較小，池容在1000m以上的沼氣工程僅占工程總量約5%，供能往往只能滿足工程自身運行，綜合效益差。中國東北地區(qū)多采用燃煤鍋爐供熱，對環(huán)境影響較大。實際上，該地區(qū)是中國糧倉，大量秸稈未得到有效利用；畜禽規(guī)模化養(yǎng)殖發(fā)展迅速，大量糞便亟待處理。東北地區(qū)與丹麥緯度相近，氣候寒冷，鑒于中國沼氣工程轉(zhuǎn)型升級機遇，該地區(qū)可借鑒丹麥集中式沼氣工程模式，在幾個村鎮(zhèn)之間修建中高溫工藝的規(guī)模化沼氣工程，將區(qū)域內(nèi)有機廢棄物集中處理并“吃干榨盡”；改造燃煤鍋爐，配套建設熱電聯(lián)產(chǎn)廠和供氣供暖管網(wǎng)，對區(qū)域內(nèi)村鎮(zhèn)居民進行公益性集中供氣供暖，由政府給予補貼或稅收優(yōu)惠；熱電聯(lián)產(chǎn)余熱供給沼氣工程自身正常運行；沼渣沼液由集中式沼氣工程業(yè)主儲存管理，適時銷售種植大戶還田。相比當前東北地區(qū)沼氣工程，集中式沼氣工程能更好發(fā)揮能源與環(huán)境綜合效益優(yōu)勢。

3沼液還田的啟示

丹麥在沼肥利用方面有先進經(jīng)驗，特點是沼液直接還田。丹麥政府重視生態(tài)環(huán)境保護和衛(wèi)生安全：1984年出臺法案規(guī)定每公頃土地氮素最大施用量，農(nóng)民必須按時按量施用沼液；1989年頒布畜牧衛(wèi)生條例和安全法規(guī)對沼液動植物病原物含量進行監(jiān)測并對沼液重金屬、有機污染物含量做出嚴格限制。集中式沼氣工程均配備衛(wèi)生罐并規(guī)定原料最小保證停留時間(表2)，現(xiàn)場設實驗室對沼液理化性質(zhì)進行檢驗，運輸沼液的槽車需用0.2%氫氧化鈉溶液清洗消毒，最大限度保障沼液質(zhì)量和施用安全。集中式沼氣工程多采用合作社管理模式，能有效協(xié)調(diào)沼液儲存和運輸，還能根據(jù)農(nóng)田和作物情況為農(nóng)民提供科學的沼肥施肥計劃服務。

中國農(nóng)村沼氣工程沼液產(chǎn)量大，多采用生態(tài)凈化或曝氣好氧法處理，存在占地較多、能耗較大等問題。相比于丹麥等發(fā)達國家，中國沼液直接還田困難在于農(nóng)村人均耕地少和種養(yǎng)殖脫節(jié)等原因。當前，中國由村集體協(xié)調(diào)參與沼氣工程運營的管理模式效果較好。因此，中國耕地資源緊缺地區(qū)可借鑒集中式沼氣工程發(fā)展模式，配備大型沼液儲存池，由村集體和工程業(yè)主統(tǒng)籌安排沼液儲存、運輸和還田。厭氧消化是循環(huán)農(nóng)業(yè)關鍵環(huán)節(jié)，對病原傳播有一定阻斷作用，盡管中國對沼液利用技術出臺標準和規(guī)范，但沒有上升到法律層面，約束力較弱，沼氣工程多不注重“三沼”產(chǎn)品質(zhì)量，不利于沼液質(zhì)量對環(huán)境二次污染風險的控制。隨著中國經(jīng)濟發(fā)展，消費者對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量和衛(wèi)生有更高要求，發(fā)展集中式沼氣工程便于對沼液批量消毒，有利于沼液質(zhì)量把控，保障沼液使用安全。沼氣工程可加入衛(wèi)生罐巴氏消毒環(huán)節(jié)，由村集體監(jiān)督工程業(yè)主定期檢測沼液質(zhì)量，專業(yè)化公司制訂還田方案，政府對按標準還田的沼液予以適當補貼。

小結(jié)及建議

集中式沼氣工程模式由丹麥首創(chuàng)，對其畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展和能源安全保障有舉足輕重的地位，得到丹麥政府的重視和國際社會的關注。集中式沼氣工程于20世紀80年代初興起，在政策支持和沼氣生產(chǎn)成本降低等因素影響下，工程模式得以在丹麥全國進行推廣，工程建設全面鋪開并經(jīng)歷十余年高速發(fā)展，到2000年共建成20座。工程基本模式是將數(shù)個養(yǎng)殖場的畜禽糞污集中處理，原料來源穩(wěn)定、發(fā)酵物料多元化、沼渣沼液質(zhì)量高、經(jīng)濟性及綜合效益好等優(yōu)點，但在發(fā)展中也遭遇優(yōu)質(zhì)原料競爭，原料質(zhì)量下降和扶持政策波動變化等問題。目前，存量工程仍正常運營，在廢棄物處理、區(qū)域供暖和沼液還田等方面發(fā)揮良好綜合效益，是丹麥沼氣產(chǎn)業(yè)主要組成部分。

中國農(nóng)村沼氣工程以處理畜禽糞污為主，盡管當前沼氣技術較領先，工程與養(yǎng)殖場、發(fā)酵原料與畜禽糞便依舊捆綁，工程發(fā)展模式限制其有效發(fā)揮應有效益。為打破“兩個捆綁”，更好地發(fā)揮沼氣工程綜合效益，中國可借鑒丹麥沼氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展經(jīng)驗，在西南和東北地區(qū)等適宜區(qū)域引入、示范和發(fā)展集中式沼氣工程模式，集中處理區(qū)域內(nèi)各養(yǎng)殖場畜禽糞污、種植業(yè)廢棄物和城鎮(zhèn)生活垃圾，沼氣集中供氣或熱電聯(lián)產(chǎn)與區(qū)域供熱聯(lián)動，沼液由村集體和工程業(yè)主協(xié)作進行質(zhì)量管控、統(tǒng)籌儲存并適時還田，政府配套相關政策進行補貼和扶持。在當前建設生態(tài)文明、構(gòu)建資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會及沼氣工程轉(zhuǎn)型升級的背景下，中國發(fā)展集中式沼氣工程有助于提高生物質(zhì)資源的利用率和能源使用效率，改善農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量，提升循環(huán)農(nóng)業(yè)發(fā)展，防控農(nóng)村面源污染，緩解農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境壓力。

來源：《世界農(nóng)業(yè)》