國際：丹麥集中式沼氣工程發展模式分析與啟示

前言

沼氣技術是處理和利用農業廢棄物的有效手段，歐洲國家一直重視沼氣技術和產業發展，在沼氣工程發展模式方面走在世界前列。

丹麥是歐洲畜牧業強國，利用沼氣技術處理畜禽糞便起步較早。20世紀70年代，農場式沼氣工程因能源危機而興起，但存在產氣量低、工程運行不穩定及缺乏專業養護等問題，導致許多工程被廢棄。80年代初，鑒于農場式沼氣工程發展的經驗教訓，丹麥農業經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，對其沼氣行業發展影響深遠，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，并對其經濟性進行分析。

中國是畜牧業大國，農村沼氣工程一直與畜禽養殖緊密聯系，建設選址常設在養殖場，以畜禽糞便為主要原料，產生沼氣供養殖場自身消耗或對外集中供氣。由于沼氣工程多與養殖場捆綁，原料來源較單一，受養殖業調整和市場變化影響突出，因原料供應不穩定、專業化管理不善和經濟效益較差等原因導致工程被廢棄的情況時有發生。當前，中國農村沼氣工程建設正在向規模化和大型沼氣工程發展，開始重視秸稈和餐廚垃圾等原料，農業部提出要破除沼氣工程與養殖場或養殖小區、發酵原料與畜禽糞便“兩個捆綁”，對優化中國農村沼氣工程建設和運營模式提出新的要求。“十三五”規劃時期是中國農村沼氣工程建設轉型升級的關鍵期，通過了解集中式沼氣工程在丹麥發展歷程及現狀，分析模式特點和問題等，能夠對中國沼氣工程發展帶來相關啟示。

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性自給。1985—1987年，該項目繼續支持建設2座集中式沼氣工程(圖1)。集中式沼氣工程初期發展緩慢，但這批最早建成運營的項目在工程經濟性和可行性方面進行了摸索和示范，為后續沼氣工程發展奠定了基礎。

化石燃料價格于1985年開始下跌，丹麥否決發展核能，側重開發風能和生物質能等可再生能源，利用天然氣進行熱電聯產受到政府推崇。同時，農田氨氮滲透造成的水污染引發關注，丹麥環保局出臺法規，要求延長畜禽糞便儲存時間并限制堆肥超標施用，導致農戶無處堆放過剩的糞便廢料。鑒于于此，丹麥政府決心發展集中式沼氣工程，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測管理。沼氣行動項目實施期間是集中式沼氣工程發展最快的時期：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)。集中式沼氣工程經濟性的顯著提高推動了工程數量的迅速增加，工程的規模擴大、穩定運營和原料來源的拓展使每立方米沼氣生產成本逐年下降。由圖2可見，沼氣生產成本從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年后轉變激勵可再生能源發展的方式，將沼氣發電上網電價由固定電價調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、碳減排和畜牧業可持續發展問題的考慮，其政府對沼氣的能源政策回暖。2008年《丹麥能源政策的執政協議》(VE-Lov)規定，給予逐年上調的沼氣發電上網電價和市場溢價補貼。2009年《綠色發展協議》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年丹麥能源發展戰略》更提到，丹麥將大力發展可再生能源，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。相對于農場式沼氣工程和污水處理沼氣工程，集中式沼氣工程數量仍較少，但其沼氣產量占到總產量的45%，成為丹麥沼氣產業的主要組成部分(表1)。隨著丹麥持續推進“綠色國度”建設，其畜禽糞便處理要達到《綠色發展協議》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展。

       圖1.1984—2000年丹麥集中式沼氣工程累計數量變化

    圖2.1984年—1995年丹麥集中式沼氣工程沼氣生產成本變化

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，以2000居民(農戶)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，采用中高溫發酵(目前大型沼氣工程常采用52~55℃的高溫發酵)，以畜禽養殖糞污、污水處理廠剩余污泥等作為發酵原料。工程組織運營常采用合作社形式，由工程業主統一組織或農戶自行將分散的養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。丹麥對環境衛生相當重視，糞便原料需在高溫發酵罐至少停留6~10小時(MinimumGuaranteedRetentionTime，MGRT)(表2)，并經過至少7天(HydraulicRetentionTime，HRT)的處理。原料或沼液還必須經過衛生罐處理，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，待施肥季節再由罐車運送至田地施用。所產沼氣主要用于熱電聯產：電力入網，產熱供給社區用暖。

       圖3.集中式沼氣工程模式 ?

“與農場式沼氣工程相比，集中式沼氣工程有著明顯的優勢和特點：1集中式沼氣工程不依托于單一農戶或養殖場，原料來源穩定，能實現常年穩定產氣供氣。2集中式沼氣工程多采用高溫發酵，附加衛生罐巴氏消毒，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，保障沼液質量安全，有利于提升畜牧養殖環境質量。3集中式沼氣工程使用多元物料發酵，產率高，產生的沼渣沼液“量大質優”，可滿足種植業大戶的需求。4集中式沼氣工程能夠接納國內外工業有機廢棄物，進一步提高工程本身的經濟性。5集中式沼氣工程與區域供暖聯系緊密，該分布式能源發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，能統籌工程運營，專業化設備維修及糞污、沼液的儲存和運輸等，顯著降低農民處理糞污成本。

3丹麥集中式沼氣工程模式發展瓶頸和問題“丹麥集中式沼氣工程經歷了近10年的快速發展后，于20世紀90年代中后期漸漸遇到發展瓶頸：1原料的不足限制了集中式沼氣工程的發展。隨著集中式沼氣工程數量的增加，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，導致工程業主對優質發酵原料進行爭奪。對原料的競爭抬高了原料價格，使運營成本上升，工程經濟效益降低，業主建設信心受挫。2原料質量的下降減緩了集中式沼氣工程的發展。隨著丹麥農場養殖規模擴大，農場式沼氣工程規模不斷擴大，部分農民有能力儲存和處理更多畜禽糞污，開始傾向將有機質濃度高的優質原料留為己用，將有機質濃度低的劣質原料供給集中式沼氣工程使用。劣質原料進一步拖累集中式沼氣工程經濟性，抑制業主建設沖動。3政府能源政策轉向削弱了集中式沼氣工程的發展。1999年的《丹麥能源改革法》和《發電補貼法修正案》規定沼氣發電上網電價由固定電價變為浮動電價，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濟性，取消包括“沼氣行動項目”在內的沼氣建設支持和研究項目資助，打擊了沼氣產業的發展。

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，漸漸發展為綜合治理農業和環境問題的手段。中國沼氣發展路徑與丹麥相似，在當前沼氣工程轉型升級和提倡循環農業的背景下，丹麥集中式沼氣工程發展模式對中國沼氣工程發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定高效運營

丹麥集中式沼氣工程原料穩定供給是其成功的關鍵。集中式沼氣工程與多家農場進行合作，畜禽糞便來源不依賴單一農場，規避了因個別養殖場經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有機廢棄物和生活有機垃圾。相比單一原料發酵，混合原料發酵能提高微生物的發酵效率，增強發酵系統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定運營，有益于“三沼”產品質量提升。

中國沼氣工程多建在養殖場旁，完全依賴單一養殖場原料，無法保障長期穩定高效運行。以豬場為例，生豬市場銷售變化、產業布局調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殖波動，進而影響沼氣發酵原料的穩定供應；產業布局調整和豬場搬遷更導致與豬場捆綁的沼氣工程被廢棄。另外，中國農村沼氣工程主要原料是養殖場畜禽糞便，工業廢棄物、城市污泥和有機垃圾等原料鮮有應用。沼氣工程與養殖場捆綁限制了多種混合原料發酵的應用，不僅浪費寶貴的生物質資源，還拖累了沼氣工程經濟性。中國西南地區有鄉鎮級區劃數9262個，城鎮村落布局分散，地勢不平整。盡管該區域生豬規模化養殖發展速度較快，散戶養殖數量依舊較多，且規模不斷擴大，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，在該地區城鄉結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殖的畜禽糞污和城鎮的有機廢棄物，生產沼氣對城鎮居民集中供氣，沼肥適時統籌還田，有利于綜合治理城鄉環境，促進地域循環農業發展。

2區域能源和環境聯動的典范

丹麥在熱電聯產與區域供熱方面成績斐然，在20世紀初就探索建立熱電聯產廠和區域供熱網絡并推廣全國，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。運用熱電聯產方式進行區域供熱可提高燃料使用效率，實現本地燃料的最大化利用。隨著沼氣生產成本降低(圖2)和公眾對環境的關注提升，越來越多的熱電聯產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。目前，丹麥絕大部分沼氣用于熱電聯產。集中式沼氣工程能規模化生產沼氣，穩定為熱電聯產廠提供燃料并以此作為主要盈利方式，與區域供熱網絡緊密結合。區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。中國東北地區多采用燃煤鍋爐供熱，對環境影響較大。實際上，該地區是中國糧倉，大量秸稈未得到有效利用；畜禽規模化養殖發展迅速，大量糞便亟待處理。東北地區與丹麥緯度相近，氣候寒冷，鑒于中國沼氣工程轉型升級機遇，該地區可借鑒丹麥集中式沼氣工程模式，在幾個村鎮之間修建中高溫工藝的規模化沼氣工程，將區域內有機廢棄物集中處理并“吃干榨盡”；改造燃煤鍋爐，配套建設熱電聯產廠和供氣供暖管網，對區域內村鎮居民進行公益性集中供氣供暖，由政府給予補貼或稅收優惠；熱電聯產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主儲存管理，適時銷售種植大戶還田。相比當前東北地區沼氣工程，集中式沼氣工程能更好發揮能源與環境綜合效益優勢。

3沼液還田的啟示

丹麥在沼肥利用方面有先進經驗，特點是沼液直接還田。丹麥政府重視生態環境保護和衛生安全：1984年出臺法案規定每公頃土地氮素最大施用量，農民必須按時按量施用沼液；1989年頒布畜牧衛生條例和安全法規對沼液動植物病原物含量進行監測并對沼液重金屬、有機污染物含量做出嚴格限制。集中式沼氣工程均配備衛生罐并規定原料最小保證停留時間(表2)，現場設實驗室對沼液理化性質進行檢驗，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，能有效協調沼液儲存和運輸，還能根據農田和作物情況為農民提供科學的沼肥施肥計劃服務。

中國農村沼氣工程沼液產量大，多采用生態凈化或曝氣好氧法處理，存在占地較多、能耗較大等問題。相比于丹麥等發達國家，中國沼液直接還田困難在于農村人均耕地少和種養殖脫節等原因。當前，中國由村集體協調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可借鑒集中式沼氣工程發展模式，配備大型沼液儲存池，由村集體和工程業主統籌安排沼液儲存、運輸和還田。厭氧消化是循環農業關鍵環節，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”產品質量，不利于沼液質量對環境二次污染風險的控制。隨著中國經濟發展，消費者對農產品質量和衛生有更高要求，發展集中式沼氣工程便于對沼液批量消毒，有利于沼液質量把控，保障沼液使用安全。沼氣工程可加入衛生罐巴氏消毒環節，由村集體監督工程業主定期檢測沼液質量，專業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。

小結及建議

集中式沼氣工程模式由丹麥首創，對其畜牧業可持續發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歷十余年高速發展，到2000年共建成20座。工程基本模式是將數個養殖場的畜禽糞污集中處理，原料來源穩定、發酵物料多元化、沼渣沼液質量高、經濟性及綜合效益好等優點，但在發展中也遭遇優質原料競爭，原料質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、區域供暖和沼液還田等方面發揮良好綜合效益，是丹麥沼氣產業主要組成部分。

中國農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，工程與養殖場、發酵原料與畜禽糞便依舊捆綁，工程發展模式限制其有效發揮應有效益。為打破“兩個捆綁”，更好地發揮沼氣工程綜合效益，中國可借鑒丹麥沼氣產業發展經驗，在西南和東北地區等適宜區域引入、示范和發展集中式沼氣工程模式，集中處理區域內各養殖場畜禽糞污、種植業廢棄物和城鎮生活垃圾，沼氣集中供氣或熱電聯產與區域供熱聯動，沼液由村集體和工程業主協作進行質量管控、統籌儲存并適時還田，政府配套相關政策進行補貼和扶持。在當前建設生態文明、構建資源節約型和環境友好型社會及沼氣工程轉型升級的背景下，中國發展集中式沼氣工程有助于提高生物質資源的利用率和能源使用效率，改善農產品質量，提升循環農業發展，防控農村面源污染，緩解農業資源與環境壓力。

來源：《世界農業》