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劉京，劉志丹，袁憲正
(1.瑞典隆德大學工學院生物技術系，瑞典隆德 S-22100；2.中國科學院青島生物能源與過程研究所，山東青島 266071)
摘要：沼氣是可再生的綠色燃料。能夠產生沼氣的原料來源極其廣泛，包括各種工農業有機廢水、廢棄物、甚至能源作物等。厭氧產沼氣過程在新能源提供、廢物處理、減少溫室氣體的排放、改善土壤環境、構建可持續發展的社會等方面有著巨大的應用潛力，并發揮著越來越重要的作用。沼氣已在供熱、熱電聯產、車用燃料、并人天然氣管道等方面展現出良好的應用前景。本文以瑞典沼氣技術及利用為背景，分析影響沼氣產業的動力及阻力，并結合相關科研和工業實例，以期對中國沼氣產業的可持續利用和發展提供參考。
1概況
推動當今社會經濟發展的主要動力是能源和資源。近年來能源需求危機、資源有限、環境惡化已成為全球化問題，開發可再生能源和有效利用資源顯得越來越重要。厭氧消化(沼氣化過程)是解決當前環境、能源及衛生等問題的主要手段之一。這主要是因為厭氧消化的特點是物料處理過程中伴有能量產生(沼氣)、余料可作生態肥料，并可有效去除致病菌等。從生化角度講，厭氧消化本身是一個微生物催化的多步驟的復雜過程，有機物料從投入到氣體產出主要包括水解、酸化、乙酸化和沼氣化，終端氣體產物即沼氣，其主要成分是甲烷(約60％)和二氧化碳(約40％)，因此消化得到的沼氣是一種可實際利用的能源載體。
用于生產沼氣的主要原料有工業有機廢水、市政有機固體垃圾、畜禽糞便、生產燃料乙醇及生物柴油剩余的下腳料以及農業廢棄生物質等。瑞典是一個非常重視可持續發展的國家，從20世紀70年代開始，瑞典政府著力發展風能、生物質能源等可再生能源，并承諾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。其中對沼氣技術的鼓勵和應用強有力地支持了瑞典政府的這一綠色能源計劃的實施。例如，世界上首列沼氣環保火車2005年在瑞典投入運行，時速130公里。瑞典在開發推廣工業化厭氧消化技術和沼氣純化技術的同時，正在建造利用氣化技術的世界最大沼氣生產廠，預計年產氣1400萬m3，年可減少二氧化碳排放約1.5萬噸。沼氣產業是一項充滿希望而又復雜的工程，高效生產和利用沼氣通常需要微生物學、化學工程、過程控制等學科的支持和知識積累，同時更需要機械加工、儀器制造等工業界的參與來促使其商業化和工業化。本文圍繞瑞典沼氣產業，綜述沼氣生產和利用技術，介紹瑞典相關學術研究和工業界現狀，并通過討論影響沼氣產業的動力和阻力分析沼氣產業的發展。
2瑞典沼氣產業經驗
2.1沼氣生產和應用
瑞典政府通過對沼氣使用實施免稅或減稅，提供發展沼氣的津貼等激勵政策，極大地推動了沼氣產業的生產和利用。
2.1.1沼氣生產
瑞典沼氣生產原料主要是工業、市政廢物和農業生物質，可分為工業市政和農業兩部分加以介紹。根據瑞典沼氣協會的2001年報告，瑞典沼氣生產中約有超過50％(折合8億kWh·年-1)來源于市政廢水處理廠。這些廢水處理廠采用厭氧消化的方法最初是為了處理污泥和減少污泥體積。另外，通過填埋(Landill)處理垃圾的方式在瑞典從2005年開始已被禁止，所以垃圾必須通過其它方式進行處理。據估計，瑞典所有的工業、市政行業廢棄物(含工業廢水、城市廢物、家庭和餐飲廢物等)可產生33億kWh·年-1的能量，可見這些城市廢物資源還有很大的開發潛力。
農業上沼氣生產資源主要包括畜禽糞便和農作物。現在瑞典共有10多家沼氣廠采用了畜禽糞便與其它廢物共消化(Co-digestion)技術。根據資料，瑞典所有的畜禽糞便可產生26億kwh·年-1的能量，農作物殘余物可貢獻10億kWh·年-1的能量。另外，單純從畜禽糞便獲取沼氣已不能滿足工業化沼氣生產對生物質原料的需求，政府于是鼓勵發展不與糧食生產相沖突的能源作物。據估計整個農業上的沼氣生產資源對能源的貢獻約為110億kWh·年-1。
關于生產沼氣的技術，主要包括反應器設計、流程設計以及運行技術等。瑞典現行的反應器通常采用基于泥漿式的生物反應器。而針對生物質物料的不同性狀也可能需要不同的處理流程。對于固體顆粒較少的廢液，可采用高速反應器(如UASB、固定床反應器等)進行處理；而對于固體顆粒較多的廢液廢漿(如食品加工業和餐飲業廢物、廢液等)進行簡單的預處理，稀釋后即可進行生物處理；對于較難生物降解的固體廢棄物，則必須進行前期的預處理，或采用干法消化、多級消化的方式進行處理。在過程優化技術方面也可采用共消化技術，可以使物料的碳、氮、磷等營養元素的比例均衡，適合微生物生長，使反應器穩定高效地產氣。另外，高溫消化處理、先進的消化過程在線監測和控制技術、對厭氧微生物的深入理解都會增加厭氧過程高效并長期穩定運行的可行性。例如：瑞典Bioprocess Control公司為大中型沼氣生產企業提供生產運行的技術支持和服務，保障沼氣生產可以在高效穩定狀態下常年運行。該公司的核心技術凝結了研究者多年的研究成果，并已在沼氣工業界取得了很好的推廣和應用。
2.1.2沼氣過程的應用
厭氧消化的終端產物主要有沼氣、消化物(即沼渣)和消化液(即沼液)。厭氧消化過程的綜合利用實現了有機廢物能源化和資源化的多重生態效益。沼氣可用于供熱、熱點聯產、車用燃料及并人天然氣網。由于近年國際原油價格的不斷攀升和瑞典實施無油國的目標，沼氣作為車用燃料在瑞典極具商業發展前景，而且政府和學術界分析得出提純后的沼氣是最清潔和環保的燃料。當然沼氣用作車用燃料前需要氣體純化技術和車輛燃氣技術，經過十幾年的發展這些技術和商業供應在瑞典都已成熟。
沼液、沼渣都是厭氧消化產甲烷的副產物。無論從經濟考慮還是實際操作中，利用沼液和沼渣作為肥料都是沼氣產業綜合利用的重要部分。沼液中富含N，P等營養元素和微量元素，可以有效的減少N流失，增加作物產量，甚至增加作物抗病、抗逆能力。另外，沼液還可用來浸種、作為豬飼料、養魚等。
沼渣的主用成分是難降解的有機高分子等，可以有效改善土壤質量，是良好的“土壤空調”。為了確保沼肥的質量，針對其中的重金屬濃度、致病菌及氣味等，瑞典的一些組織也出臺了一些措施和規定，例如瑞典農民協會(Federation of Swedish Farmers)就推薦城市廢水處理廠污泥為原料所產生的沼渣不用作生產食品和飼料的肥料，因為其中可能還有重金屬等有害物質。
2.2沼氣研究機構和工業現狀
瑞典沼氣的研究機構主要分布在瑞典南部隆德市的隆德大學(Lund University)，中部烏普薩拉市的瑞典農業科技大學(Swedish University of Agricultural Sciences)和林雪平市的林雪平大學(Link.ping Univesity)。隆德大學的沼氣研究主要集中在以下幾個方面：沼氣過程優化(包括消化過程的智能控制、生物質物料預處理、共消化)、能源作物篩選和預處理、厭氧微生物特征及分類篩選、厭氧消解在生物處理方面的應用、以及對包括沼氣在內的生物能源政策的研究等。瑞典農業大學側重能源植物和厭氧消解在農業生態系統中的研究，林雪平大學的沼氣研究則注重厭氧微生物的研究和消化過程優化。
精細的工業分工、高層次的工業合作是瑞典工業沼氣得以順利發展的成功經驗之一。沼氣產業的相關機構涉及多個行業和部門，包括農業協會、城市廢物處理企業、沼氣技術研究機構、國家和市政機構、天然氣和沼氣輸送企業、能源供給公司、汽車制造公司、交通部門、以及最終消費者等。沼氣的工業化生產和推廣利用是一項系統性的大工程，需要不同類別公司和機構的參與和分工協作。目前在瑞典沼氣工業界較活躍的既有傳統的從事水處理工程設計和工程承包為主的公司(如PURAC，Grontmij等)，也有新興的專門進行工業沼氣項目管理和生產運營的公司(如Scandinavian Biogas，Swedish Biogas International等)。
近年來，越來越多的傳統地方水務處理公司和能源公司也加人到工業沼氣生產和供氣的商業活動中，典型的代表就是E.ON gas Sveige，Svensk Biogas，G.teborg Energi等公司。以Svensk Biogas為例，該公司是林雪平市(Link.ping)能源提供和廢物處理署的下屬機構，是瑞典示范和推廣將沼氣作為車用燃料的先行者之一。該公司利用廢水處理廠污泥和其它有機廢棄物生產沼氣，提純后為該市67輛公交車和250輛輕型服務車提供等同于天然氣品質的車用燃料，而且銷量還在不斷增加；而E.ON瑞典分公司作為瑞典最大的能源公司之一，是通過將提純后的沼氣并人天然氣網的銷售方式，不斷擴大其可再生清潔能源的供應量。厭氧消化工藝作為一種有機廢物和廢水的處理手段，已經廣泛被人們所了解和利用。但是隨著近年來人們對該工藝產能特性的重視程度和要求提高，厭氧消化工藝在瑞典已經向著側重產能或產能和廢物處理并重的方向發展。
這就對厭氧消化工藝的運行效率和穩定性提出了更高的要求。Bioprocess Control是瑞典以及全球范圍內提供工業沼氣過程系統優化和運行服務的開創者。旨在通過減少沼氣生產環節中的制約因素和進行智能化的運行管理，提高沼氣生產企業的生產效率和運行穩定性，從而極大地改善大中型沼氣工程投資和運行的經濟回報性。
2.3沼氣生產的動力和阻力
推動瑞典沼氣生產和利用的因素很多，包括當今世界能源供給的不穩定性、本國及歐盟設立的環境目標和社會可持續性發展目標等。從能源和環境政策上講，全球范圍內有聯合國框架下的東京協議，歐盟也提出到2010前10％的能源供應來自可再生能源。而瑞典本國實施的能源和環境政策更為嚴厲和苛刻。政府向社會承諾到2020年瑞典將成為不依靠石油的綠色國家，工業沼氣生產和推廣利用是實現這一目標的主要組成部分。成功實施該計劃離不開政府配套的稅收、補貼和調控政策。以下根據物料不同介紹沼氣生產的動力和阻力。
對于工業和市政廢物，處理方法主要有焚燒、物料循環、填埋和厭氧消化。2001年下達的禁止用填埋處理市政有機廢棄物的政策客觀上推動了其它處理方法的應用。而其它方法之間的競爭則通過稅收來調節，例如：產沼氣可以得到減稅或免稅的優惠，因此增加了沼氣生產的吸引力。另外，瑞典制訂的環境目標也推動了沼氣生產，如：政府規定到2010年所有市政家庭可生物降解的有機廢物的35％都必須通過生物法處理。厭氧處理和堆肥都是生物法，似乎形成了競爭。但是由于后者在處理過程中伴隨著氨氣等物質的排放而污染環境，因此從環保角度考慮，厭氧消化法仍然更有前景。當然，通過生物法處理有機廢物也存在一些問題，例如：處理廢物前需要對廢物細致分類，并需將分散的廢物運送到集中的沼氣廠等，相關設備和運行成本的額外投入目前還沒有得到政府方面的補貼，是工業和市政有機廢物生產沼氣的阻力。
農業廢棄物中畜禽糞便的無害化處理還沒有相關的優惠政策。農民的意愿很大程度上決定了處理的方法。動力之一是厭氧消化可以使禽畜糞便和農牧業廢棄物變成沼液、沼渣等高質量的肥料。在瑞典使用化學肥料需要交納氮素的賦稅，而沼肥降低了農民對化學肥料的依賴、減少了N，P元素的流失和對環境的影響，也保障了地下水的品質，而且沼肥可以改善土壤環境，甚至增加生物多樣性等。不過農民對厭氧消化認識有限、沼肥的實際運用等都可能是推廣沼氣生產的阻力。Lund大學的Bel·glund指出，如何讓農民接受厭氧處理的沼液、沼渣作為肥料可能是沼氣產業的不確定因素之一，施加沼肥所帶來的后果相關的爭論較多，比如城市下水道污泥厭氧消化后的沼渣中可能含有重金屬等有害物質等。
瑞典農民專用作能源作物(如草和玉米等)的種植并用于沼氣生產的能源生產方式已得到政府的鼓勵和支持。歐盟也鼓勵發展能源作物，規定在非保留地上種植能源植物會得到每公頃45歐元，約30元·畝-1的補貼。另外，部分糧食作物的市場價格降低也促進了能源作物種植面積的擴大。阻力是種植草類能源作物用于產沼氣所獲得的利潤可能低于種植谷類植物用于生產燃料乙醇等獲得的利潤。不過除了可以提供產能外，種植草類植物也有很多環境方面的優勢，包括改善土壤質量、增加土壤固氮能力、促進有機農業等。而且在瑞典新建立的戶用規模化沼氣工程中，有機農業也是被農民廣泛接收的理念之一，這也促進了基于草類能源植物的沼氣生產在瑞典的發展和推廣。不過任何產業都需要一個被公眾認可和接受的過程，沼氣產業也一樣需要考慮當地政府的意愿及市民的心態，但是經濟因素已對瑞典沼氣產業產生了巨大影響。例如2002年地方投資計劃(LCP)被國家環境投資計劃(KLIMP)所取代，而后者極大的推進了沼氣產業的發展。對于農民來說，瑞典還有農業發展計劃(LBU)來支持戶用沼氣的發展。
2.4沼氣利用的動力和阻力
總的來說，沼氣利用的最大動力是政府對石化能源加收的能源和二氧化碳稅，而沼氣等可再生能源可以免除相應賦稅。另外一個重要因素是減少溫室氣體排放的考慮。沼氣的主要成分甲烷排放所造成的溫室效應約為二氧化碳的二十倍，如果不充分利用生物質物料，環境中排放的沼氣將會加劇溫室效應。
前面談到沼氣可以被用來供熱、熱電聯產、車用燃料、并人天然氣網等。在瑞典，沼氣用作車用燃料被認為是最具前景、最環保的選擇。而將提純后的生物甲烷并人天然氣網更加方便沼氣的遠距離輸送，可以進一步推動沼氣作為可再生綠色能源融人到當今的能源供應體系。下面結合瑞典特點，分別以沼氣作為車用燃料和并入天然氣管網來討論。
(1)車用燃料(Vehicle fue1)：沼氣作為車用燃料在瑞典有一系列的優惠政策，包括免收能源稅和二氧化碳稅、減收氣體燃料的車輛使用稅等，另外，使用該類環保型車輛也可以享受國家購車補貼，以及一些區域性優惠政策，如免費停車等。當然推行使用沼氣的汽車也存在著阻力，包括沼氣車成本略高、同乙醇及生物柴油等其它生物燃料問的競爭、有限的沼氣輸送網絡和儲存能力、有限的沼氣加氣站等。
因此，沼氣燃料的使用和推廣不僅依賴于沼氣生產和提純技術，也取決于輸送網絡和加氣設備的綜合完善。根據統計，單從價格考慮，沼氣作為車用燃料在過去相當長的一段時間相比于傳統的車用燃料并不具有吸引力。瑞典鼓勵沼氣燃料的初衷更多是從環保和綠色能源考慮，因為沼氣作為車用燃料存在諸多優點，如減少由于溫室氣體帶來的負面影響、降低NOx和SOx的排放、減少酸雨、緩解臭氧破壞等。但隨著近年來國際原油價格的不斷攀升和原油供應不穩定因素的加劇，沼氣作為生產和消費的可再生清潔能源，展現出獨特的區域性優勢。
近年來隨著沼氣加氣站的大規模建設，從瑞典南部城市馬爾默到首都斯德哥爾摩，甚至北部的許多大中型的城鎮都設有加氣站。也就是說，現在駕駛沼氣燃料汽車在瑞典南部、中部、西部、甚至部分北部偏遠地區都沒有問題。最近Lund大學的B.rjesson和Mattiasson 6從能源效率和環境角度比較了沼氣與其它生物燃料(如燃料乙醇、生物柴油等)作為車用燃料的優劣性。他們通過資源效率、能源衡算、環境影響和生化過程等方面綜合分析，并結合土地的利用和有機副產物和廢物的有效利用等因素的考慮，得出沼氣在資源效率和生命周期分析等方面具有突出的優勢，沼氣在不遠的未來將會是最具有可持續性和廣泛推廣的車用燃料之一。
(2)并入天然氣管網(Natural gas grid)：提純后的沼氣并人天然氣管網就可利用現有的天然氣輸送網絡和設備，極大的節約了沼氣運輸成本，有利于沼氣利用的推廣，是一種非常有前景的沼氣輸送方式。
根據瑞典氣體中心(SGC)提供的報告分析，提純后的沼氣并人天然氣管網除了節約成本外還有很多其它優勢，如沼氣代替的那部分天然氣實現了綠色化，這樣沼氣從生產到利用實現了綠色市場化；可以避免天然氣的供需高峰，調節用氣市場；而且管道輸送的沼氣也可以直接作為車用燃料，使用方式靈活。
1992年建立的瑞典Laholm沼氣廠是瑞典首例將生物甲烷并人天然氣管網的工廠。該廠采用私營公司、當地農民協會和Laholm聯合經營的模式，處理當地畜禽糞便和其它有機廢物，年處理有機廢物3.5萬噸。鑒于瑞典本國的天然氣使用不多，天然氣輸送網絡建設也不發達，所以在具有完善的天然氣網管地區和國家推廣該模式，其市場效應、環境效益以及社會效應會更加顯著。
3結論和建議
瑞典沼氣產業的現狀是由多方面原因引導的，既有廢物治理和減排的目標影響，也有能源安全的考慮。政府的一系列激勵措施、環境目標以及市民對環境質量的要求都促使瑞典的沼氣行業走在世界的前列。從瑞典的沼氣經驗可以看出，把注重自然環境和能源需求有機結合在一切，加以適當的政策引導，不僅人類良好的生存環境可以得到維護，而且社會經濟也可以健康持續的向前發展。
中國作為發展中國家，在尋求社會和經濟高速發展的同時，面臨著經濟發展帶來的能源需求和環境惡化方面的空前壓力。然而，中國城鄉巨大的有機廢物廢水其實蘊藏著可觀的資源，廢物消化得到的一系列產物即沼氣、沼渣和沼液均有可能產生巨大的經濟效益，實現廢物的生物冶煉和完全資源化。
我們可以借鑒瑞典模式，結合中國國情，從國家和地區政府層面制定一系列配套的產業及稅收優惠政策，引導相關企業、能源公司、投資公司參與工業化沼氣生產，利用和推廣，并因地制宜的從科技層次上鼓勵和指導沼氣能源化發展。可喜的是2008年大中型沼氣工程已被列為“十一五”國家科技支撐計劃重大項目之一，為進一步推動中國社會的可持續發展，應從政府、企業、科研院所和民眾等層面加強合作，各司其職。
政府可通過結合各地區生物質資源分布特點，借鑒國外先進的沼氣技術及生產和使用商業化經驗，結合中國在沼氣工程建設方面的技術及工程經驗，建立自己的沼氣生態示范工程，為大規模推廣工業沼氣技術積累經驗；科研院所則應該進行相關的人才培養，提倡科研合作和技術積累；而民眾不斷增強的環保和能源憂患意識，支持綠色經濟發展也可以間接推動像沼氣等綠色能源技術的推廣和利用。只有通過社會各階層的共同努力，才有可能充分利用和發揮現代沼氣新技術所帶給我們的益處，使之成為構建中國可持續發展經濟及和諧社會的重要組成部分。 |
