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張曉川1，周磊2
（1.青島匯君環境能源工程有限公司山東青島266101；2.中國科協培訓和人才服務中心北京100081）
摘要：隨著沼氣工程規模化和商業化發展，沼氣工程項目持續盈利能力不強成為阻礙沼氣行業良性發展的主要因素。文章通過分析沼氣工程的三種主要產品：沼氣、沼渣、沼液，結合國內外“三沼”產品的利用發展情況，探討提出適宜我國國情的“三沼”高值化利用科學技術普及模式，以促進我國沼氣產業快速發展。
1引言
中國是世界上沼氣市場潛力最大的國家之一，但當前沼氣產業的實際情況是：沼氣發電難以上網，產出的熱量因目前基礎設施配套不完善往往難以有效利用，本地建網供氣由于標準低，與天然氣管網不匹配，導致投資大、氣源小且不穩定，難以形成規模效應，除沼氣工程自用及所在企業自用外，難以找到有價值的商業渠道；沼渣、沼液用作肥料看起來容易，但是實際真正有效利用和實現盈利的項目甚少；沼液消納的問題仍然困擾沼氣工程業主，尤其是特大型沼氣工程業主。這與我國沼氣規模小、原料分散難收集、運營成本高、產品市場開發不力、產品缺乏扶持政策等諸多因素相關。因此，探索構建適合我國國情的沼氣產品價值鏈是促進我國沼氣產業快速發展的有效途徑。
2沼氣高值化利用技術
2.1沼氣國外利用現狀與技術發展方向
我國目前對沼氣的商業化開發還處于起步階段，沼氣利用率普遍較低，缺乏引導及商業渠道，不少沼氣工程仍采用自給自足、燃燒放空等低值化利用方式，導致能源、資源的極大浪費，沼氣工程運營困難。因此，借鑒國外商業化起步早、發展成熟的國家經驗，對探索適宜我國的沼氣發展方向具有重要的借鑒意義。
在沼氣商業化利用方面，目前德國和瑞典走在了行業的前列。瑞典是世界上最早把沼氣凈化提純成車用天然氣的國家，在1996年就開始利用沼氣制取車用燃料。瑞典政府十分重視可再生能源的發展，承諾2020年后全面使用生物質燃料，放棄石油燃料，力爭成為世界上第一個全面使用可再生能源的無油國。在沼氣發展方面，由于瑞典沼氣發電的競爭力與其他清潔能源相比較弱，因此主要選擇的是沼氣制取車用燃料的高值化商業模式。目前，瑞典1/4的公共汽車、斯德哥爾摩3/5的出租車使用的是壓縮生物天然氣能源，壓縮生物天然氣加氣站遍布全國[1]。同時，瑞典政府對沼氣使用實施一系列的優惠政策，推動沼氣產業發展。例如，沼氣作為車用燃氣可以免征能源稅和CO2排放稅，減收氣體燃料的車輛使用稅等；另外，購買生物燃氣汽車可以享受政府購車補貼等[2]。德國是世界上沼氣發展最快的國家，得益于2000年德國出臺的《可再生能源法》，這是第一部關于可再生能源的專門法律[3]。德國約有97%的沼氣工程為熱電聯產，從2011年起，德國的沼氣利用方式開始由熱電聯產向制備生物天然氣轉變，用沼氣制備管道天然氣和車用壓縮天然氣，計劃到2020年建成沼氣工程1.2萬個，沼氣發電量占全國發電總量的7.5%，提純沼氣量占到天然氣總用量的20%[4]。政府的政策引導、企業的市場化運作、沼氣的高值化利用，是促進德國、瑞典沼氣產業快速發展的關鍵因素。德國沼氣利用以熱電聯產為主，開始注重發展生物燃氣；瑞典沼氣則以生物燃氣為重點發展方向，特別是車用壓縮天然氣：兩國走出了各自不同的商業化發展之路。
2.2沼氣高值化利用技術
結合國際沼氣發展，以及我國國情現狀和政策導向，現對我國沼氣高值利用的產品分析如下。
1）車用生物燃氣。沼氣經凈化提純后，完全滿足國家對車用燃氣的要求——《車用壓縮天然氣》（GB18047-2017），可以用于汽車燃用，在實際工程案例中甚至優于化石天然氣的性能。我國的基本國情是“富煤、貧油、少氣”，天然氣長期依賴進口，價格也相對較高。在天然氣資源相對缺乏的地區，利用有機質資源生產沼氣，再將沼氣凈化提純制成車用燃氣，可替代化石燃氣，降低對化石燃氣的依賴度，實現沼氣的高值化利用。
2）管道生物燃氣。在現實中，一些大型沼氣工程生產的沼氣不僅量大且穩定，可將沼氣凈化提純制成生物燃氣，生物燃氣性能指標可超過國家一類燃氣標準——《天然氣》（GB17820-2018），燃氣公司可將其接入自身官網，以補充自身氣源。在中國沿海發達地區，以及城鎮和農村密集的地區，建設沼氣工程配套凈化提純沼氣具有經濟可行性，沼氣工程項目能夠獲得持續穩定的收益，可降低對進口天然氣的依賴度。
3）罐裝生物燃氣。將沼氣凈化提純制成生物燃氣后，加壓進行罐裝銷售，供給無燃氣管網覆蓋或不具備鋪設管網條件的區域，特別是農村或山區等。在實際操作中，也有很多沼氣工程只將沼氣凈化脫硫，不進一步提純，加壓罐裝銷售，供給周邊對熱值要求較低的工廠、飯店以及居民使用，性價比高，可替代常用的液化石油氣，在給沼氣工程帶來利潤的同時，也降低了周邊企業和居民使用成本。
4）熱電聯產。沼氣發電上網及熱電聯產在德國備受推崇，而過去我國沼氣工程存在沼氣發電上網難，企業自用等一系列問題。隨著近幾年國家一系列政策完善，沼氣發電上網條件逐步放寬，同時，引導沼氣發電全面向熱電聯產調整，熱電聯產項目優先納網，享受相關上網補貼。熱電聯產不僅可以避免單一發電或供熱，能源效益、經濟效益低的問題，而且熱電聯產整體投入較低，對老舊項目改造小，可以快速推廣，大幅提高沼氣工程收益，尤其是在我國北方地區，可直接替代燃煤供熱，減輕冬季大氣污染，形成循環發展模式。
3沼渣高值化利用技術
3.1沼渣利用現狀與技術發展方向
沼渣的利用是建設循環農業的一個重要環節，也是沼氣工程的重要建設內容。但實際情況卻是，大量工程的沼渣未發揮出自身的經濟效益，處置不當還會造成環境污染。目前，沼渣利用方式主要為肥料化利用、商品肥料開發、基質土、飼（餌）料和墊料等。肥料化利用主要集中在糧食作物、果蔬方面，利用過程中缺乏統一的標準。在商品肥料開發方面，將沼渣進行深度加工，提高肥效及附加值，目前已有沼渣高效緩釋肥、腐殖酸型復合肥等方面的研究與應用。沼渣基質分育苗基質和食用菌基質兩類，育苗基質能滿足育苗所需營養條件，且有效防止多種病害發生；將沼渣作為食用菌基質，不僅雜菌少，還適合食用菌生長。將沼渣制作成飼（餌）料，可用于水產養殖和畜禽養殖，也可用于蚯蚓、沙蠶等的養殖，進而生產高蛋白餌料，提高產品附加值。在墊料方面，已在規模化奶牛場進行利用。
除上述利用方式外，也有學者在燒結材料、生物質型煤、生物炭等方面進行研究，但尚未形成完整的體系，處于發展階段[5]。為保證沼氣行業持續發展和沼氣工程穩定運行，需要持續進行沼渣利用的標準化研究、利用方式的多元化探索、對應裝備的創新研發，以提高沼渣利用率，提升產品附加值，服務行業發展，打造循環農業模式。
3.2沼渣高值化利用技術
1）沼肥產品。沼渣含有30%～50%的有機質，10%～20%的腐殖酸，0.8%～2.0%的全氮，0.4%～1.2%的全磷，0.6%～2.0%的全鉀[6]，富含植物生長所需的微量元素和植物生長激素等，是優質有機肥料，可直接作為一種經濟適用的沼肥產品快速推向周邊農村使用，也可用于人工草坪、綠化帶等市政園林綠化，在國外十分常見。
2）商品肥料。結合國家倡導的有機肥替代化肥計劃以及綠色種養模式，利用沼渣制取高品質商品肥料，可提高沼渣附加值。通過造粒工藝將沼渣制成有機-無機顆粒復混肥，使其兼備有機肥和無機肥的雙重優勢，養分更全面均衡且用途廣泛[7]。參照《有機肥料》標準（NY/Y525-2021），調整沼渣成分，可生產有機肥料、添加菌劑等制備微生物肥料以及生產腐殖酸型有機復合肥等商品肥料[8]，增加沼渣的附加值，提升肥料質量，延長產品運距。
3）沼渣養蚯蚓。利用沼渣養殖蚯蚓已經在工程項目上得到應用，取得不錯的經濟效益。有數據表明，將沼渣與田土混合制成蚓種培養土，用這種培養土養殖蚯蚓，可提高蚯蚓總產量，蚯蚓總產量分別是利用牛糞、雜菜葉和稻草與田土混合的1.16倍和1.43倍[9]，表現出較好的適宜性。養殖蚯蚓可以獲得蚯蚓體及蚯蚓糞，現已有較成熟的應用途徑[10]。由蚯蚓體制成的蚯蚓粉作為動物蛋白，已在人類營養和動物飼養業中得到越來越廣泛的應用，用從蚯蚓體提取的蚓激酶生產治療心腦血管疾病的藥物在市場上普遍應用[11]。蚯蚓糞具有良好的保水性、透氣性，可以讓土壤形成團粒結構，有利于水肥保持、改良土壤性狀。同時，蚯蚓糞富含營養物質，包括微生物、植物激素等，有利于植物生長，不燒苗，是優質的有機肥料。
4）牛場墊料。將沼渣作為墊料已在規模化奶牛場進行利用，實現了沼渣再生循環利用并節約牛場經營成本。使用無害化沼渣墊料，可節約墊料成本62%以上，發病率降低31%[12]。同時，可以提升奶牛生產性能和乳品質量。目前，國內常見的奶牛臥床以沙子作為墊料，當新鮮糞便和沙子混合在一起后，會形成易堆積的混合物，難以用泵輸送，而且堵塞沼氣池。使用奶牛場糞污厭氧產生的沼渣制作牛臥床墊料，大大提高了牛臥床的舒適度。一方面，奶牛趴臥在沼渣墊料的時間和次數顯著增加，趴臥時間增長了26%，趴臥次數增長了36.8%；另一方面，提升了奶牛生產性能和乳品質量，泌乳量提高了7.7%，乳脂率提高了0.01%，乳蛋白率提高了0.05%，實現了廢棄物的循環利用，變廢為寶[13]。該模式適合在規模化牛場推廣使用，大大提高了牛場經濟效益。
4沼液高值化利用技術
4.1沼液利用現狀及技術發展方向
如何利用和處理沼液是困擾沼氣行業發展和建設單位運營的難題。特別是在大型沼氣工程中，每天會產生大量的沼液，很多項目因建設地遠離農村，或因種養空間分布不均等，導致無適宜消納的土地，如不合理轉化、利用，必將形成二次面源污染。大多數沼氣工程的厭氧處理，很難使沼液達到排放標準。進一步生化處置，則會增加項目投資成本、運營費用，既造成企業負擔過重，又造成大量肥料資源浪費。如果將沼液合理利用，不僅可以避免肥料資源的浪費，給企業創造經濟價值，還有利于發展綠色種養循環農業。但如何解決沼液的運輸、深加工以及降低生化處置成本的問題，是行業發展面臨的主要問題。
目前，對沼液的研究與應用集中在肥料應用、生化處理、生物農藥、浸種及微藻養殖等方面。從沼液處理技術來看，生化處理技術具有占地少、適應性廣等特點，但實際應用成本較高、技術要求高，仍需要進一步改進解決；微藻處理工藝流程較短，后續可提供具有商業價值的產品，關注度逐漸提高。從沼液利用方面來看，肥料應用仍然是沼液利用技術的研究熱點和主流應用技術；沼液浸種技術已較為成熟，但對沼液的使用量有限；沼液作為生物農藥可替代化學農藥，實現綠色生產，也是未來沼液研究及應用的熱點之一[5]。
4.2沼液高值化利用技術
1）液態有機肥。沼液富含營養成分，具有良好的肥效，對沼液進行超濾濃縮等處理，可生產液態有機肥，將高科技、高附加值的液態有機肥在市場銷售，不僅能創造經濟價值，還能延長產品運距，解決周邊消納土地不夠的問題。充分利用沼液營養全面、緩急相濟、活性物質豐富、綠色生態等特點，生產沖施肥、葉面肥、液體花肥、無土栽培營養液等，施用于有機果蔬、經濟作物以及花卉等，可替代國外進口的葉面肥、花肥等高端產品，在效率、成本等方面具有很強的競爭優勢。
2）生物農藥。沼液被認為是無污染、無殘毒、無抗藥性的“生物農藥”，沼液對近30種農作物病害具有防治作用，其中，對20多種病害的防治效果達到或超過了現行使用的農藥。同時，沼液對19種蟲害有明顯的防治效果，對17種農作物病原菌有不同程度的抑制作用。沼液之所以具有如此優良的抗病防蟲能力，是因為沼液中含有120多種組成成分，其中有20多種成分使沼液具有抗病防蟲作用[14-15]。因此，可以有針對性地生產生物農藥，減少化學農藥使用，降低環境污染。
3）土壤改良。我國約有1億h㎡鹽堿地，從南到北，自東向西，分布廣泛，存在較大的改造利用空間，蘊藏巨大的經濟價值。沼液是一種速緩兼備的有機液體肥，施入沼液能夠顯著增加土壤有機質[16]，提升土壤營養成分含量，促進土壤團粒結構的形成，提高微生物活性，從而達到改良土壤的作用。研究表明，對甘肅鹽堿地施用沼液后，土壤肥力顯著提高，同時，改善了土壤的理化性質，降低了土壤pH；在濱海鹽堿地中施用沼液后，改良了土壤性狀，降低了土壤pH值、EC值，改善了土壤的酸堿度，進而提高或恢復了土壤的肥力[17]。可見，利用沼液進行鹽堿地生態改造是可行的，不僅可以有效利用沼液資源，改良鹽堿地，而且可以獲得較好的經濟效益，提升沼氣工程資源化利用的價值。
5結束語
隨著國家鄉村振興戰略的深入實施，以及碳中和目標的提出，打造綠色種養循環農業，發展綠色低碳可再生燃氣成為重點，“三沼”利用（沼氣能源化利用+沼渣沼液肥料化利用）的“能肥模式”將成為適宜中國沼氣工程發展的模式和方向。“能肥模式”可就近解決糞污、秸稈等城鄉有機廢棄物，就近生產分布式清潔能源，保障縣域燃氣使用，緩解我國天然氣緊缺的局面，降低進口依存度，保障能源安全。同時，沼氣工程產生的沼渣、沼液可生產有機肥等，供農業生產使用，帶動綠色種養循環農業的發展，一舉多得，實現資源良性循環，社會、環境與經濟效益的統一。
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