1. 沼氣發(fā)展現(xiàn)狀

目前，在能源嚴(yán)重緊缺，環(huán)境亟待綜合治理的大背景下，尋求新能源、開發(fā)綠色環(huán)保能源加工工藝成為能源領(lǐng)域的核心問(wèn)題。隨著沼氣技術(shù)的不斷發(fā)展，沼氣綜合利用模式的形成，尤其是沼氣工程的規(guī)?；l(fā)展，使得沼氣綜合利用技術(shù)成為治理環(huán)境污染、回收能源，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的一種行之有效的變廢為寶的方法，是一項(xiàng)綠色環(huán)保的新能源途徑。沼氣綜合利用技術(shù)實(shí)現(xiàn)了能量多層次利用和物質(zhì)循環(huán)利用的高效生態(tài)模式，國(guó)家作為能源補(bǔ)充和綠色工程正在大力推廣。尤其在農(nóng)村重點(diǎn)推廣，因其有廣泛的制備沼氣的原料。據(jù)分析，到2010年，我國(guó)農(nóng)村秸稈年產(chǎn)量將達(dá)到7.26億噸[1]。農(nóng)村推廣沼氣，既產(chǎn)生了能源和資源又減少了污染，沼氣使用方便、清潔，且節(jié)省生產(chǎn)成本，農(nóng)村環(huán)境衛(wèi)生得到改善，有力地推動(dòng)當(dāng)前我國(guó)社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)。

1.1 沼氣概述

沼氣是有機(jī)物經(jīng)微生物厭氧消化而產(chǎn)生的可燃性氣體，通常產(chǎn)生于沼澤地和池沼中[2]，一般含甲烷(CH4)55%~70%，二氧化碳(CO2)25%~44%，以及少量的氮?dú)?N2)、氧氣(O2)、一氧化碳(CO)、氫氣(H2)、氨(NH3)和硫化氫(H2S)等。H2S平均含量為0.034%，通常為1~11g/m3 [3~5] 。含有機(jī)物的廢棄物都可作為制取沼氣的原料，主要包括農(nóng)業(yè)廢棄資源、畜禽糞便、工業(yè)有機(jī)廢水、城鎮(zhèn)生活污水及其處理后的污泥和城鎮(zhèn)生活垃圾等。

在我國(guó)，沼氣有著廣闊的應(yīng)用前景，從南方到北方不同的地理環(huán)境均為沼氣能源建設(shè)提供了便利的條件。我國(guó)北方推廣的塑料大棚、沼氣池、禽畜舍和廁所相結(jié)合的“四位一體”沼氣生態(tài)農(nóng)業(yè)模式[6,7]，中部地區(qū)開發(fā)的結(jié)合大棚蔬菜并以沼氣為紐帶的“豬—沼—果”生態(tài)果園模式[8]，南方建立的“豬—沼—果”、“豬—沼—魚”[9]、“牛—沼—草”[10,11] 模式，以及部分地區(qū)因地制宜建立的“養(yǎng)殖—沼氣—種植(養(yǎng)殖)”等模式都實(shí)現(xiàn)了以沼氣為紐帶，能量多層次利用和物質(zhì)循環(huán)利用的生態(tài)農(nóng)業(yè)模式。

1.2 沼氣技術(shù)

沼氣作為能源利用已有很長(zhǎng)的歷史。厭氧消化處理有機(jī)廢棄物具有如下優(yōu)點(diǎn)：⑴ 厭氧消化過(guò)程產(chǎn)生清潔能源——沼氣;⑵ 消化最終產(chǎn)物可作為高質(zhì)量的有機(jī)肥料、無(wú)害農(nóng)藥、飼料等;⑶ 發(fā)酵過(guò)程無(wú)需氧氣，動(dòng)力消耗降低，管理方便，運(yùn)行成本低;⑷ 減少了溫室效應(yīng)氣體的排放量，真正實(shí)現(xiàn)了廢棄物處理的“無(wú)害化、減量化和資源化”[12]。對(duì)不同的發(fā)酵原料，采用的發(fā)酵工藝不同，常用工藝有完全混合型工藝、塞流折流工藝，以及兩步厭氧消化工藝等。工業(yè)廢水如糖加工廢水，土豆加工廢水，造紙廢水，啤酒廢水等原料，主要采用上流式污泥床(UASB)、膨脹顆粒床(EGSB)和內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器(IC)等高效反應(yīng)器;以污泥為原料的沼氣工程主要采用完全混合式厭氧反應(yīng)器(CSTR);農(nóng)場(chǎng)主要采用完全混合式厭氧反應(yīng)器、推流式反應(yīng)器或組合工藝。

據(jù)2008年的報(bào)道，國(guó)家農(nóng)業(yè)部鑒定通過(guò)了一項(xiàng)以秸稈為主要原料生產(chǎn)沼氣技術(shù)示范項(xiàng)目[13]，其產(chǎn)氣率比常規(guī)稻草或人畜糞便分別提高了30%以上和6.8%以上，正常產(chǎn)氣時(shí)間分別提前了4~8d和1d以上，同時(shí)延長(zhǎng)了產(chǎn)氣周期，普遍為8~10個(gè)月?lián)Q一次料，有的可維持正常產(chǎn)氣12個(gè)月，實(shí)現(xiàn)了秸稈產(chǎn)沼氣的高效、穩(wěn)定和持續(xù)運(yùn)行。另外，將高濃度有機(jī)物科學(xué)處理進(jìn)行沼氣產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的一項(xiàng)新技術(shù)——UASB-TLP技術(shù)[14]，于廣東三和酒精廠建成試運(yùn)行。該技術(shù)處理有機(jī)物負(fù)荷為通常UASB處理同類液體的10倍以上，三和酒精廠利用該技術(shù)建成兩套容積為1500m3的厭氧發(fā)酵系統(tǒng)，日產(chǎn)沼氣4300m3，經(jīng)該系統(tǒng)處理產(chǎn)生的沼氣可替代燃煤，不僅可用于鍋爐，還可替代天然氣和石油液化氣進(jìn)入農(nóng)戶家中。改變了“高濃度有機(jī)物不能分解，循環(huán)經(jīng)濟(jì)難以實(shí)現(xiàn)”的困境，實(shí)現(xiàn)了無(wú)害化和資源化。

1.3沼氣利用

沼氣能源建設(shè)，一方面可以補(bǔ)充農(nóng)村生產(chǎn)生活的能源需求;另一方面，可以減少工業(yè)生產(chǎn)中有機(jī)廢水和生活垃圾對(duì)環(huán)境造成的危害。沼池中沼氣可用于農(nóng)戶生活用能，農(nóng)副產(chǎn)品生產(chǎn)、加工等方面;也可用于沼氣發(fā)電，沼氣燃料電池等方面。沼液用于肥料、飼料、生物農(nóng)藥、培養(yǎng)液料的生產(chǎn)。沼渣用于肥料、飼料的生產(chǎn)[12]?！罢託夤こ獭敝心芰康亩鄬哟卫煤臀镔|(zhì)的循環(huán)利用建立了以沼氣為紐帶的生態(tài)經(jīng)濟(jì)體系，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的雙贏，推動(dòng)了循環(huán)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)的發(fā)展。

1.3.1 農(nóng)戶、農(nóng)副產(chǎn)品利用

沼氣可用于農(nóng)戶炊事、照明等生活用能，也可用于農(nóng)副產(chǎn)品的生產(chǎn)、加工，如沼氣養(yǎng)蠶、沼氣孵化、沼氣育雛、沼氣育秧、誘蛾養(yǎng)蠶、沼氣儲(chǔ)糧、沼氣保鮮、沼氣炒茶、蛋雞增光、大棚種植、農(nóng)產(chǎn)品干燥和烤瓷工藝品等[12]。

沼液和沼渣中含有多種氨基酸、生長(zhǎng)素、抗生素和多種微量元素[15]，可作肥料利用、飼養(yǎng)利用、生物農(nóng)藥、培養(yǎng)料液等。沼液可作為有機(jī)肥料灌溉到農(nóng)田中或者直接噴灑到植物葉面作葉面肥，既能增加作物產(chǎn)量、提高產(chǎn)品品質(zhì)，又能增強(qiáng)作物的抗逆性;可用作飼料添加劑，使豬提前出欄、肉質(zhì)提高，雞產(chǎn)蛋率提高;可進(jìn)入魚塘促進(jìn)浮游生物的生長(zhǎng)，是魚的良好餌料，使魚的產(chǎn)量提高、抗病性增強(qiáng);可用于浸種，提高種子的出芽率和以后的生長(zhǎng)能力[16];可作為無(wú)毒、無(wú)殘留的農(nóng)藥來(lái)防治農(nóng)業(yè)病蟲害[17，18]。沼渣可作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的底肥，或者與N、P、K一起加工成顆粒肥;可作為培養(yǎng)基用于生產(chǎn)食用菌[19]和養(yǎng)殖蚯蚓[20];可代替部分飼料養(yǎng)豬[21]、養(yǎng)魚[22]等。

沼肥具有緩釋兼?zhèn)涞淖饔?，能改良土壤，增加土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤的保水、保肥、保溫和通透性，同時(shí)改善土壤的微生態(tài)環(huán)境，對(duì)提高土地的持續(xù)生產(chǎn)力有重要的作用。同時(shí)減少化肥和農(nóng)藥的施用量，生產(chǎn)出無(wú)公害的綠色食品，提高了農(nóng)產(chǎn)品的安全性和保證了優(yōu)質(zhì)性。

1.3.2 發(fā)電利用

沼氣燃燒發(fā)電是隨著大中型沼氣工程的建立而不斷發(fā)展出現(xiàn)的一項(xiàng)沼氣綜合利用技術(shù)，它是將發(fā)酵池產(chǎn)生的沼氣經(jīng)過(guò)凈化后用于裝有綜合發(fā)電裝置的發(fā)動(dòng)機(jī)上，以產(chǎn)生電能和熱能，其綜合熱效率可達(dá)75%，是有效利用沼氣的一種重要方式。沼氣發(fā)電具有創(chuàng)效、節(jié)能、安全和環(huán)保等綜合效益，可改善能源結(jié)構(gòu)、緩解區(qū)域性電力短缺、提高沼氣工程的綜合效益，是一種分布廣泛且價(jià)廉的分布式能源。

沼氣發(fā)電在許多國(guó)家受到廣泛重視，并紛紛出臺(tái)相應(yīng)的激勵(lì)性政策。尤其在2000年以后，大多數(shù)國(guó)家出臺(tái)了推動(dòng)可再生能源發(fā)展的法律文件。如美國(guó)于2002年的《農(nóng)場(chǎng)法》;德國(guó)于1999年實(shí)施的《電力并網(wǎng)法》，2000年頒布的《可再生能源優(yōu)先法》，2004年國(guó)會(huì)對(duì)《可再生能源優(yōu)先法》進(jìn)行了修訂，推動(dòng)小型農(nóng)場(chǎng)沼氣發(fā)電上網(wǎng);英國(guó)于2002年開始實(shí)行《可再生能源義務(wù)證書系統(tǒng)》;奧地利于2002年制定了《綠色電力法》;法國(guó)于2006年7月頒布的新上網(wǎng)電價(jià)是法國(guó)沼氣發(fā)展的重要轉(zhuǎn)折點(diǎn);荷蘭于2005年1月起施行的沼氣發(fā)電補(bǔ)貼政策;中國(guó)于2006年1月起施行的《中華人民共和國(guó)可再生能源法》;日本的陽(yáng)光工程;荷蘭的綠色能源;其他國(guó)家出臺(tái)的法律規(guī)定或采用的其他激勵(lì)機(jī)制等。在這些政策的推動(dòng)下各國(guó)沼氣工程紛紛建設(shè)，于2004年以后多數(shù)國(guó)家的沼氣產(chǎn)量有不同程度的增加，主要用于發(fā)熱和發(fā)電，尤其新增沼氣工程以熱電聯(lián)產(chǎn)為主。2005~2006年間，歐盟沼氣產(chǎn)量增長(zhǎng)了13.6%。2006年德國(guó)沼氣工程基本每個(gè)月新建50座，以農(nóng)場(chǎng)小型沼氣工程(熱電聯(lián)產(chǎn))為主，到年底達(dá)3500座，總裝機(jī)達(dá)1100MW，預(yù)計(jì)到2020年將達(dá)9500MW[23]。中國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，到2007年為止，利用沼氣工程發(fā)電的比例不到3%[12]，預(yù)計(jì)到2015年，處理工業(yè)有機(jī)廢水的大中型沼氣工程達(dá)到2500座，年處理工業(yè)有機(jī)廢水37500萬(wàn)立方米，年產(chǎn)沼氣能力40億立方米;農(nóng)業(yè)廢棄物沼氣工程將達(dá)近4100座，年處理糞便量1.23億噸，年產(chǎn)沼氣4.5億立方米[3]。

目前沼氣發(fā)電的主要設(shè)備為內(nèi)燃機(jī)和汽輪機(jī)，德國(guó)、丹麥、奧地利、美國(guó)的純?nèi)細(xì)獍l(fā)電機(jī)組比較先進(jìn)，氣耗率≤0.5m3/kWh(沼氣熱值≥25MJ/m3)。我國(guó)雖然研究沼氣發(fā)電有30多年的歷史，研制出的20~600kW純?nèi)颊託獍l(fā)電機(jī)組，氣耗率0.6~0.8m3/kWh(沼氣熱值≥21MJ/m3)。另外，適合我國(guó)廣大農(nóng)村地區(qū)小型沼氣發(fā)電技術(shù)的研究更少。

1.3.3 燃料電池利用

燃料電池是21世紀(jì)最具競(jìng)爭(zhēng)力的高效、清潔的發(fā)電方式，將在潔凈煤燃料電站、電動(dòng)汽車、移動(dòng)電源、不間斷電源、潛艇及空間電源等方面有廣泛應(yīng)用[24]。沼氣燃料電池是最新出現(xiàn)的一種清潔、高效、低噪音的發(fā)電裝置，與沼氣發(fā)電機(jī)發(fā)電相比，產(chǎn)電效率高、能量利用率高，振動(dòng)和噪音小，排出的氮氧化物和硫化物濃度低，因此是沼氣有效利用的一條新途徑[25，26]。

沼氣燃料電池分為低溫燃料電池和高溫燃料電池。低溫燃料電池需要非常清潔的氫氣作為燃料，沼氣不得不進(jìn)行純化，并需要將其轉(zhuǎn)化成氫氣。高溫燃料電池，特別是固態(tài)氧化物燃料電池(SOFC)能直接利用凈化的沼氣，轉(zhuǎn)化過(guò)程組合在電池中。由此來(lái)看，沼氣燃料電池今后的發(fā)展趨勢(shì)主要在高溫燃料電池，它具有高效，甲烷純度要求不高，沼氣凈化、轉(zhuǎn)化系統(tǒng)簡(jiǎn)單，蒸汽需要量低等優(yōu)點(diǎn)。

另外，沼氣提純至甲烷含量95%以上，可用作汽車燃料或可作為天然氣使用。瑞典、瑞士、法國(guó)、冰島等國(guó)家都有沼氣作汽車燃料用于公共汽車、轎車、火車等交通運(yùn)輸工具。荷蘭將沼氣并入天然氣電網(wǎng)作為燃?xì)鈁23]。

1.4 沼氣前景

由于能源越來(lái)越趨于緊張，加之環(huán)保要求越來(lái)越嚴(yán)格，沼氣作為生物質(zhì)能源，且其工藝發(fā)展較成熟，對(duì)完善能源結(jié)構(gòu)、提高能量的利用率、物質(zhì)的循環(huán)再利用，減少?gòu)U棄物對(duì)環(huán)境的污染有切實(shí)可行的意義。尤其沼氣發(fā)電技術(shù)和沼氣燃料電池技術(shù)的發(fā)展，沼氣在未來(lái)能源供應(yīng)中有更大潛力。

按照農(nóng)業(yè)部頒布的《全國(guó)農(nóng)村沼氣工程建設(shè)規(guī)劃》，到2010年，全國(guó)農(nóng)村戶用沼氣總數(shù)要達(dá)到4000萬(wàn)戶，占適宜農(nóng)戶的30%左右，年產(chǎn)沼氣155億立方米，到2020年，農(nóng)村戶用沼氣達(dá)到8000萬(wàn)戶，基本普及農(nóng)村沼氣[27]。