沼气产业化发展研究论文

2021-02-11 论文

　　从全国水平来看，陕西省的畜禽养殖总量和规模化养殖程度均不高［１］。虽然畜禽养殖方式仍以散户养殖和适度规模为主，但近年来陕西省规模化养殖场数量也大幅度增加，２０１０年规模化养殖场数量比２００９年翻一番。关中平原渭河流域是全省畜禽养殖业集约化程度最高的区域，区域内规模化养殖场和养殖小区的数量占到全省规模化养殖总数的５２％。近年来，干清粪工艺在陕西省规模化养殖场得到了积极推行，全省约８６％的规模化养殖场采用了干清粪工艺或采用干清粪与水冲粪、垫草垫料等相结合的方式，仍有过半数的养殖场不同程度的保留水冲粪工艺。国家标准《畜禽养殖业污染物排放标准》（ＧＢ１８５９６－２００１）由于制定时间较早，未涉及“干清粪工艺”定义及要求，在之后发布实施的一些地方性畜禽养殖业污染物排放标准中，例如山东、浙江、广东等省均要求规模化养殖企业必须采用干清粪工艺、实现雨污分流。陕西省在加强普及干清粪工艺的同时，应该针对渭河流域、南水北调区、城乡饮用水水源地周边等水污染防治重点区域内的规模化养殖企业强制推行干清粪和雨污分流。根据２０１０年全省畜禽养殖业污染源调查情况统计，９３％的规模化畜禽养殖场对畜禽粪便进行了收集利用，其中直接还田的方式占主导，而采取厌氧发酵制沼气、生产有机肥的比例仅占到１１％和６％。传统的直接还田方式要求种养紧密结合，对于规模化养殖来说，由于养殖行为过于密集，大量粪便排放至养殖区域，该区域可能会因缺少作物植被而导致养分过量负荷［２］，低效、野蛮的施肥行为在浪费资源的同时会对作物生长产生不利影响、对环境造成二次污染，因此粪便的利用应借助科技手段和装备，将其高效的转化为可用、安全、洁净的资源。根据２０１０年全省畜禽养殖业污染源调查情况统计，约８４％的规模化养殖场将养殖废水用于农业灌溉，其中采用厌氧、好氧等方法处理养殖废水的养殖场比例不到１０％，主要原因是畜禽养殖废水属于高浓度有机废水，使用单一方法很难实现达标排放，污水处理工程的建设、运行、维护资金需求较大，导致很多养殖场更倾向于将其直接还田甚至违法排放，因此必须设法提高畜禽养殖污染防治工程的经济性，目前看来一味的降低治理成本并不能收到良好效果，应该从治理行为本身创造经济效益这个方面探索新的治理思路。

　　畜禽养殖污染防治存在的问题

　　从总体情况来看，陕西省畜禽养殖污染防治落后于养殖业发展，畜禽粪污资源的综合利用效率偏低，造成这种局面的原因可以总结为两点：一是忽视畜禽粪污的生物质资源特性而采取工业废水治理模式，工业治污模式投资大且商业化产品回报率低，养殖业自身缺乏大量资金进行粪污处理，从而导致企业治污积极性下降、粪污处理效率低；二是虽然认识到了畜禽粪污的生物质资源特性但没能采取合适的方式进行有效且高效的利用，在一定程度上也是造成了资源浪费和环境污染。由于畜禽养殖业利润空间较小，又存在高风险，畜禽养殖污染防治措施必须考虑经济性。一般工程的经济性体现在对投资成本和运行成本的控制，但畜禽养殖污染的实质是生物质资源的浪费。如果将畜禽粪污进行资源化利用，产生的再生资源效益可以一定程度上弥补投资成本，从而提高畜禽养殖污染防治工程的经济性。因此，畜禽养殖污染问题的解决必须通过采取合适的畜禽粪污资源化技术来实现。

　　新环境形势下的畜禽养殖污染防治思路

　　１面临的新环境形势

　　（１）严格的排放标准。２０１１年陕西省发布实施《黄河流域（陕西段）污水综合排放标准》（ＤＢ６１／２２４－２０１１）（以下称新标准），在新标准出台之前陕西省畜禽养殖废水排放执行《畜禽养殖业污染物排放标准》（ＧＢ１８５９６－２００１），从表１来看，新标准的ＣＯＤ、ＢＯＤ５、ＮＨ３－Ｎ三种主要污染物的排放限值均严于国家行业标准，分别比国家行业标准排放限值严格了８７．５％、８６．７％、８５％。由于新标准取消执行行业标准，所有排污单位执行统一标准，因此新标准的出台使得全省尤其黄河流域地区畜禽养殖污染防治面临更加严峻的形势，排污成本将大幅度增加。（２）严峻的减排形势。据第一次全国污染源普查公报，农业污染排放主要来自畜禽养殖业，其ＣＯＤ、ＴＰ、ＴＮ排放量分别占农业源污染排放总量的９６％、５６％和３８％，畜禽养殖污染问题已经给环保施加了巨大压力，“十二五”期间国家将畜禽规模化养殖场纳入水污染物总量减排体系。２０１０年陕西省农业源污染物ＣＯＤ与ＮＨ３－Ｎ排放基数分别为１９．９万ｔ和１．５万ｔ，按照２０１５年ＣＯＤ与ＮＨ３－Ｎ排放量分别下降７．６％和９．８％的减排目标测算，２０１５年ＣＯＤ与ＮＨ３－Ｎ排放量分别为１８．４万ｔ和１．４万ｔ，其中畜禽养殖业的ＣＯＤ与ＮＨ３－Ｎ目标排放量为１８．３万ｔ和１．１万ｔ，相比２０１０年排放基数降幅分别达到７．６％和８．３％。随着污染物减排约束性指标的.导向作用逐渐凸显，“十二五”期间陕西省畜禽养殖业污染物减排面临的压力不小。

　　２畜禽粪污资源能源化技术方向

　　畜禽粪污的资源化综合利用是新环境形势下畜禽养殖污染防治的方向，也是推动畜禽养殖业可持续发展的关键。根据畜禽粪污的资源特性，其资源化利用的形式包括肥料化、饲料化和能源化［３］，畜禽粪污资源化利用形式的代表工艺及其局限性见表２。从表２可以看出，畜禽粪污的肥料化利用和饲料化利用形式是单纯的固体粪便资源化利用，不能对养殖废水进行处理，未能全面考虑畜禽养殖污染防治。就目前看来，庞大的市场需求使得高温堆肥和烘干技术会继续存在发展，但在越来越严格的环境要求和严峻的减排形势下它们并不是全面防治畜禽养殖污染的最佳选择。以沼气发酵为代表的能源化利用方向，通过厌氧发酵获取沼气，沼气用于燃料、发电等，沼渣沼液制有机肥来实现畜禽粪污的资源化综合利用，沼气工程兼具能源效益、肥料效益、环境效益，能够实现畜禽粪污处理从单纯的用肥用能、末端治理向综合利用转变。对于规模化养殖企业，实现热、电、肥联产的沼气工程将会有良好的经济效益［４］。因此沼气化是理想的畜禽粪污资源化途径，是全面应对畜禽养殖污染的重要技术发展方向。

　　３畜禽养殖污染防治产业化思路

　　近年来，我国养殖业水平不断提高，畜禽产品需求日益增长，加快了畜禽养殖业规模化、产业化进程，在成本控制、管理水平、产品质量保障、抵御市场风险等方面规模化养殖比散户养殖优势明显。规模化、产业化是我国畜禽养殖业的发展方向，规模化养殖场成为环境保护与节能减排的主战场。针对规模化养殖发展趋势及其带来的环境问题，采取以资源化利用为核心的畜禽粪污处理产业化方式能够实现生态环境质量改善与养殖业可持续发展的双赢。相比单纯的污染防治行为，以资源化利用为核心的产业化方式能够将畜禽粪污从产生到消纳的整个过程形成产业链条，协调上下游物质能量的流动，最大程度提升粪污的利用价值；同时产业化方式有利于将污染治理成本转化为经济投入，将治理投资转化为产业投资，促进环保产业与养殖业共同发展［５］。综上所述，按照畜禽粪便资源化综合利用的防治方向，选择合适的资源化技术，并借用商业运作模式使畜禽养殖污染防治形成产业，将是未来陕西省畜禽养殖污染防治的重要思路。陕西省畜禽养殖污染防治思路见图１。

　　陕西省畜禽养殖沼气产业化发展

　　沼气工程通过厌氧发酵获取沼气、沼渣沼液制有机肥来实现畜禽粪污的资源化综合利用，沼气、沼渣、沼液均具备商品化、产业化条件，因此沼气工程是一项利于实现畜禽养殖污染防治产业化的资源化技术。随着养殖的规模化发展，养殖业沼气工程也呈规模化发展趋势，规模化养殖能为沼气工程保证充足的原料，资金、技术、设备、管理等条件都有利于沼气产品实现高值高效利用。国家“十二五”规划大力支持推动大型沼气工程建设，陕西省农业厅已经将规模化养殖场的大型沼气工程确定为“十二五”期间全省沼气普及的重点任务之一，颇具前景的沼气产业势必推动畜禽养殖污染防治向资源化、产业化方向发展。

　　１畜禽养殖业潜在的沼气产量与分布

　　２０１０年陕西省畜禽粪便产生量约４３８１．７万ｔ，若将畜禽养殖业粪便资源全部进行沼气化开发利用，陕西省畜禽养殖粪便资源可产生约２２．５亿ｍ３沼气（替代煤炭量［６］约为２２５．０万ｔ）。沼气的开发利用价值与养殖规模和粪便收集程度相关，因此规模化养殖场畜禽粪便更具备实际开发利用价值，２０１０年陕西省规模化养殖畜禽粪便产生总量约３７４万ｔ，可产生约２．１亿ｍ３沼气（替代煤炭量约为２１．０万ｔ）。２０１０年陕西省各市规模化养殖场和养殖小区潜在的沼气产生量从多到少依次为宝鸡（０．５１亿ｍ３）、渭南（０．４２亿ｍ３）、西安（０．３５亿ｍ３）、咸阳（０．２９亿ｍ３）、榆林（０．１５亿ｍ３）、铜川（０．１４亿ｍ３）、延安（０．１２亿ｍ３）、商洛（０．０８亿ｍ３）、汉中（０．０５亿ｍ３）、安康（０．０２亿ｍ３）。沿渭河四市（即宝鸡、渭南、西安、咸阳）所在的关中平原经济条件好、城市发展迅速，种植业、养殖业较为发达，是全省集约化养殖水平较高的区域，该区潜在的沼气产量占到全省总数的７３％。陕北两市（即延安、榆林）及渭北的铜川属于煤炭资源富集区和工业集中区，工矿业发达，规模化养殖活动开展较晚，但凭借雄厚的经济基础和广阔的地域，近年来该区规模化养殖发展较快，潜在的沼气产量占到全省总数的２０％。陕南三市（即商洛、汉中、安康）整体规模化养殖水平不高，近年来政府一直倡导陕南养殖业以区域适度集中、家庭适度规模养殖为主，这与陕南经济实力薄弱、可利用土地资源有限、位于南水北调中线水源区等因素有一定关联，该区潜在的沼气产量只占到全省总数的７％。

　　２规模化养殖沼气产业优先布局区域

　　养殖业沼气工程的分布受其载体规模化养殖企业分布的限制，关中平原沿渭四市是目前陕西省发展沼气产业最有潜力的地区。沿渭四市所在的关中地区人口数量、粮食产量、耕地面积分别占到全省总量的６２％、７７％和５３％。区内布局有大中城市群和渭河干流，２０１０年渭河干流水质属重度污染（以劣Ⅴ类水质为主），为了减少畜禽养殖活动对城镇环境和渭河水质的影响，该区应该积极发展沼气产业。根据《全国优势农产品区域布局规划２００８－２０１５年》，关中地区是我国小麦、棉花、苹果等农产品的优势产区，丰富的耕地资源有利于粪污资源化利用。２０１０年沿渭四市范围内仅１４％的规模化畜禽养殖企业建有沼气工程，沼气产业的发展空间很大。根据沿渭四市畜禽养殖规模化水平、种养结合程度，划定沼气产业优先布局区域，涉及西安市临潼区、长安区、周至县、户县；宝鸡市陈仓区、岐山县、眉县；咸阳市杨凌区、渭城区、三原县、泾阳县、乾县、礼泉县、武功县、兴平市；渭南市临渭区、大荔县、合阳县、澄城县、蒲城县等区县。规模化养殖沼气产业优先布局区域在养殖区域集中化进程中应该充分考虑畜禽粪污沼气化开发利用，逐步推进集中养殖、集中收集粪污和集中沼气化利用；积极培养沼气发电、有机肥加工等相关产业，与种植业、养殖业、社会服务、工业生产等形成产业链条，促进沼气产业化进程。

　　３沼气产业化关键技术

　　大型沼气工程分为能源环保型和能源生态型，能源环保型以沼液达标排放为目的，能源生态型以沼液不排放为目的，因此能源生态型沼气工程更符合生态学理念和绿色、低碳经济发展的要求，是沼气产业的发展对象。能源生态型沼气工程整个的能量物质循环过程包括畜禽饲养、粪污产生、沼气产生、沼气利用、沼渣沼液利用等［７］，围绕能源生态型沼气工程，综合考虑成本投资、运行费用、环境效益、技术成熟先进性等因素，选择适用于发展沼气产业化的关键技术。（１）沼气发酵技术。沼气的产业化要求原料处理量和产气量都要大，其核心技术发酵工艺的选择应该满足这些条件。ＣＳＴＲ（连续搅拌反应器）技术是目前欧洲等沼气工程发达地区的主流发酵工艺，可使畜禽粪便污水全部进行发酵处理，优点是：原料适应性广；处理量大；沼气产量大；运行费用低；利于热电联产。因其资源利用率高、经济效益好，特别适用于规模化养殖企业的大型沼气工程，适宜引进并国产转化，例如在此基础上增加有机肥加工［８］。（２）沼气利用技术。针对沼气的利用方式，沼气要实现产业化必须突破自产自用的小沼气模式，逐渐转向社会服务、工业生产等领域。沼气的社会服务类应用包括发电并网、天然气并网、车用天然气等，工业生产以制取ＣＨ４和ＣＯ２工业气体及其合成气等为代表［９］，这些是未来沼气产业的发展趋势。就目前产业发展条件来看，除了满足企业自身及户用需求之外，沼气发电、净化后补充天然气源等利用途径较为可行。（３）沼渣沼液利用技术。沼渣、沼液等发酵后残留物质具有良好的肥料效应，传统农业将其直接还田，但在养殖规模化发展的今天，种养脱节现象突出，沼渣沼液的肥料效应趋向于通过制造有机肥来实现。通过固液分离、沼液抽渣分离出来的沼渣用于生产有机复合肥；沼液浓缩制肥工艺生产液体有机肥［１０］，沼渣沼液制取有机肥提高了肥效、且方便运输和使用。

　　结论

　　为了实现生态环境质量改善与养殖业可持续发展的双赢，畜禽养殖污染防治应该转换思路，通过利用畜禽粪污的农业资源禀赋发掘其产业特性，从而实现畜禽养殖污染防治产业化。以资源化利用为核心的产业化方式能最大程度提升粪污的利用价值和治理工程的经济效益。沼气工程是一项利于实现畜禽养殖污染防治产业化的资源化技术，颇具发展前景。规模化养殖场能为沼气工程保证充足的原料、资金投入、技术支持等，实现沼气产品的高值高效利用。关中平原沿渭地区是全省规模化养殖企业较为集中的区域，区内畜禽粪便资源、耕地资源丰富，最有潜力发展沼气产业，出于对城市环境和渭河水质的保护，该区应该优先发展畜禽养殖沼气产业。该区在养殖区域集中化进程中应该兼顾畜禽粪污沼气化开发利用，积极培养沼气发电、有机肥加工等相关产业，与种植业、养殖业、社会服务、工业生产等形成产业链条，根据沼气产业化方向选择合适的关键技术，如ＣＳＴＲ发酵技术、热电肥联产等，以促进畜禽养殖污染防治产业化和沼气产业化进程。（本文作者：徐楠、林启才、成西娟单位：陕西省环境科学研究院）

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