沼氣產業化發展研究論文

從全國水平來看，陝西省的畜禽養殖總量和規模化養殖程度均不高［１］。雖然畜禽養殖方式仍以散戶養殖和適度規模爲主，但近年來陝西省規模化養殖場數量也大幅度增加，２０１０年規模化養殖場數量比２００９年翻一番。關中平原渭河流域是全省畜禽養殖業集約化程度最高的區域，區域內規模化養殖場和養殖小區的數量佔到全省規模化養殖總數的５２％。近年來，幹清糞工藝在陝西省規模化養殖場得到了積極推行，全省約８６％的規模化養殖場採用了幹清糞工藝或採用幹清糞與水衝糞、墊草墊料等相結合的方式，仍有過半數的養殖場不同程度的保留水衝糞工藝。國家標準《畜禽養殖業污染物排放標準》（ＧＢ１８５９６－２００１）由於制定時間較早，未涉及“幹清糞工藝”定義及要求，在之後發佈實施的一些地方性畜禽養殖業污染物排放標準中，例如山東、浙江、廣東等省均要求規模化養殖企業必須採用幹清糞工藝、實現雨污分流。陝西省在加強普及幹清糞工藝的同時，應該針對渭河流域、南水北調區、城鄉飲用水水源地周邊等水污染防治重點區域內的規模化養殖企業強制推行幹清糞和雨污分流。根據２０１０年全省畜禽養殖業污染源調查情況統計，９３％的規模化畜禽養殖場對畜禽糞便進行了收集利用，其中直接還田的方式佔主導，而採取厭氧發酵制沼氣、生產有機肥的比例僅佔到１１％和６％。傳統的直接還田方式要求種養緊密結合，對於規模化養殖來說，由於養殖行爲過於密集，大量糞便排放至養殖區域，該區域可能會因缺少作物植被而導致養分過量負荷［２］，低效、野蠻的施肥行爲在浪費資源的同時會對作物生長產生不利影響、對環境造成二次污染，因此糞便的利用應藉助科技手段和裝備，將其高效的轉化爲可用、安全、潔淨的資源。根據２０１０年全省畜禽養殖業污染源調查情況統計，約８４％的規模化養殖場將養殖廢水用於農業灌溉，其中採用厭氧、好氧等方法處理養殖廢水的養殖場比例不到１０％，主要原因是畜禽養殖廢水屬於高濃度有機廢水，使用單一方法很難實現達標排放，污水處理工程的建設、執行、維護資金需求較大，導致很多養殖場更傾向於將其直接還田甚至違法排放，因此必須設法提高畜禽養殖污染防治工程的經濟性，目前看來一味的降低治理成本並不能收到良好效果，應該從治理行爲本身創造經濟效益這個方面探索新的治理思路。

畜禽養殖污染防治存在的問題

從總體情況來看，陝西省畜禽養殖污染防治落後於養殖業發展，畜禽糞污資源的綜合利用效率偏低，造成這種局面的原因可以總結爲兩點：一是忽視畜禽糞污的生物質資源特性而採取工業廢水治理模式，工業治污模式投資大且商業化產品回報率低，養殖業自身缺乏大量資金進行糞污處理，從而導致企業治污積極性下降、糞污處理效率低；二是雖然認識到了畜禽糞污的生物質資源特性但沒能採取合適的方式進行有效且高效的利用，在一定程度上也是造成了資源浪費和環境污染。由於畜禽養殖業利潤空間較小，又存在高風險，畜禽養殖污染防治措施必須考慮經濟性。一般工程的經濟性體現在對投資成本和執行成本的控制，但畜禽養殖污染的實質是生物質資源的浪費。如果將畜禽糞污進行資源化利用，產生的再生資源效益可以一定程度上彌補投資成本，從而提高畜禽養殖污染防治工程的經濟性。因此，畜禽養殖污染問題的解決必須透過採取合適的畜禽糞污資源化技術來實現。

新環境形勢下的畜禽養殖污染防治思路

１面臨的新環境形勢

（１）嚴格的排放標準。２０１１年陝西省發佈實施《黃河流域（陝西段）污水綜合排放標準》（ＤＢ６１／２２４－２０１１）（以下稱新標準），在新標準出臺之前陝西省畜禽養殖廢水排放執行《畜禽養殖業污染物排放標準》（ＧＢ１８５９６－２００１），從表１來看，新標準的ＣＯＤ、ＢＯＤ５、ＮＨ３－Ｎ三種主要污染物的排放限值均嚴於國家行業標準，分別比國家行業標準排放限值嚴格了８７．５％、８６．７％、８５％。由於新標準取消執行行業標準，所有排污單位執行統一標準，因此新標準的出臺使得全省尤其黃河流域地區畜禽養殖污染防治面臨更加嚴峻的形勢，排污成本將大幅度增加。（２）嚴峻的減排形勢。據第一次全國污染源普查公報，農業污染排放主要來自畜禽養殖業，其ＣＯＤ、ＴＰ、ＴＮ排放量分別佔農業源污染排放總量的９６％、５６％和３８％，畜禽養殖污染問題已經給環保施加了巨大壓力，“十二五”期間國家將畜禽規模化養殖場納入水污染物總量減排體系。２０１０年陝西省農業源污染物ＣＯＤ與ＮＨ３－Ｎ排放基數分別爲１９．９萬ｔ和１．５萬ｔ，按照２０１５年ＣＯＤ與ＮＨ３－Ｎ排放量分別下降７．６％和９．８％的減排目標測算，２０１５年ＣＯＤ與ＮＨ３－Ｎ排放量分別爲１８．４萬ｔ和１．４萬ｔ，其中畜禽養殖業的ＣＯＤ與ＮＨ３－Ｎ目標排放量爲１８．３萬ｔ和１．１萬ｔ，相比２０１０年排放基數降幅分別達到７．６％和８．３％。隨着污染物減排約束性指標的導向作用逐漸凸顯，“十二五”期間陝西省畜禽養殖業污染物減排面臨的壓力不小。

２畜禽糞污資源能源化技術方向

畜禽糞污的資源化綜合利用是新環境形勢下畜禽養殖污染防治的方向，也是推動畜禽養殖業可持續發展的關鍵。根據畜禽糞污的資源特性，其資源化利用的形式包括肥料化、飼料化和能源化［３］，畜禽糞污資源化利用形式的代表工藝及其侷限性見表２。從表２可以看出，畜禽糞污的肥料化利用和飼料化利用形式是單純的固體糞便資源化利用，不能對養殖廢水進行處理，未能全面考慮畜禽養殖污染防治。就目前看來，龐大的市場需求使得高溫堆肥和烘乾技術會繼續存在發展，但在越來越嚴格的環境要求和嚴峻的減排形勢下它們並不是全面防治畜禽養殖污染的最佳選擇。以沼氣發酵爲代表的能源化利用方向，透過厭氧發酵獲取沼氣，沼氣用於燃料、發電等，沼渣沼液制有機肥來實現畜禽糞污的資源化綜合利用，沼氣工程兼具能源效益、肥料效益、環境效益，能夠實現畜禽糞污處理從單純的用肥用能、末端治理向綜合利用轉變。對於規模化養殖企業，實現熱、電、肥聯產的沼氣工程將會有良好的經濟效益［４］。因此沼氣化是理想的畜禽糞污資源化途徑，是全面應對畜禽養殖污染的重要技術發展方向。

３畜禽養殖污染防治產業化思路

近年來，我國養殖業水平不斷提高，畜禽產品需求日益增長，加快了畜禽養殖業規模化、產業化進程，在成本控制、管理水平、產品質量保障、抵禦市場風險等方面規模化養殖比散戶養殖優勢明顯。規模化、產業化是我國畜禽養殖業的發展方向，規模化養殖場成爲環境保護與節能減排的主戰場。針對規模化養殖發展趨勢及其帶來的環境問題，採取以資源化利用爲核心的畜禽糞污處理產業化方式能夠實現生態環境質量改善與養殖業可持續發展的雙贏。相比單純的污染防治行爲，以資源化利用爲核心的產業化方式能夠將畜禽糞污從產生到消納的整個過程形成產業鏈條，協調上下游物質能量的流動，最大程度提升糞污的利用價值；同時產業化方式有利於將污染治理成本轉化爲經濟投入，將治理投資轉化爲產業投資，促進環保產業與養殖業共同發展［５］。綜上所述，按照畜禽糞便資源化綜合利用的防治方向，選擇合適的資源化技術，並借用商業運作模式使畜禽養殖污染防治形成產業，將是未來陝西省畜禽養殖污染防治的重要思路。陝西省畜禽養殖污染防治思路見圖１。

陝西省畜禽養殖沼氣產業化發展

沼氣工程透過厭氧發酵獲取沼氣、沼渣沼液制有機肥來實現畜禽糞污的資源化綜合利用，沼氣、沼渣、沼液均具備商品化、產業化條件，因此沼氣工程是一項利於實現畜禽養殖污染防治產業化的資源化技術。隨着養殖的規模化發展，養殖業沼氣工程也呈規模化發展趨勢，規模化養殖能爲沼氣工程保證充足的.原料，資金、技術、設備、管理等條件都有利於沼氣產品實現高值高效利用。國家“十二五”規劃大力支援推動大型沼氣工程建設，陝西省農業廳已經將規模化養殖場的大型沼氣工程確定爲“十二五”期間全省沼氣普及的重點任務之一，頗具前景的沼氣產業勢必推動畜禽養殖污染防治向資源化、產業化方向發展。

１畜禽養殖業潛在的沼氣產量與分佈

２０１０年陝西省畜禽糞便產生量約４３８１．７萬ｔ，若將畜禽養殖業糞便資源全部進行沼氣化開發利用，陝西省畜禽養殖糞便資源可產生約２２．５億ｍ３沼氣（替代煤炭量［６］約爲２２５．０萬ｔ）。沼氣的開發利用價值與養殖規模和糞便收集程度相關，因此規模化養殖場畜禽糞便更具備實際開發利用價值，２０１０年陝西省規模化養殖畜禽糞便產生總量約３７４萬ｔ，可產生約２．１億ｍ３沼氣（替代煤炭量約爲２１．０萬ｔ）。２０１０年陝西省各市規模化養殖場和養殖小區潛在的沼氣產生量從多到少依次爲寶雞（０．５１億ｍ３）、渭南（０．４２億ｍ３）、西安（０．３５億ｍ３）、咸陽（０．２９億ｍ３）、榆林（０．１５億ｍ３）、銅川（０．１４億ｍ３）、延安（０．１２億ｍ３）、商洛（０．０８億ｍ３）、漢中（０．０５億ｍ３）、安康（０．０２億ｍ３）。沿渭河四市（即寶雞、渭南、西安、咸陽）所在的關中平原經濟條件好、城市發展迅速，種植業、養殖業較爲發達，是全省集約化養殖水平較高的區域，該區潛在的沼氣產量佔到全省總數的７３％。陝北兩市（即延安、榆林）及渭北的銅川屬於煤炭資源富集區和工業集中區，工礦業發達，規模化養殖活動開展較晚，但憑藉雄厚的經濟基礎和廣闊的地域，近年來該區規模化養殖發展較快，潛在的沼氣產量佔到全省總數的２０％。陝南三市（即商洛、漢中、安康）整體規模化養殖水平不高，近年來政府一直倡導陝南養殖業以區域適度集中、家庭適度規模養殖爲主，這與陝南經濟實力薄弱、可利用土地資源有限、位於南水北調中線水源區等因素有一定關聯，該區潛在的沼氣產量只佔到全省總數的７％。

２規模化養殖沼氣產業優先佈局區域

養殖業沼氣工程的分佈受其載體規模化養殖企業分佈的限制，關中平原沿渭四市是目前陝西省發展沼氣產業最有潛力的地區。沿渭四市所在的關中地區人口數量、糧食產量、耕地面積分別佔到全省總量的６２％、７７％和５３％。區內佈局有大中城市羣和渭河干流，２０１０年渭河干流水質屬重度污染（以劣Ⅴ類水質爲主），爲了減少畜禽養殖活動對城鎮環境和渭河水質的影響，該區應該積極發展沼氣產業。根據《全國優勢農產品區域佈局規劃２００８－２０１５年》，關中地區是我國小麥、棉花、蘋果等農產品的優勢產區，豐富的耕地資源有利於糞污資源化利用。２０１０年沿渭四市範圍內僅１４％的規模化畜禽養殖企業建有沼氣工程，沼氣產業的發展空間很大。根據沿渭四市畜禽養殖規模化水平、種養結合程度，劃定沼氣產業優先佈局區域，涉及西安市臨潼區、長安區、周至縣、戶縣；寶雞市陳倉區、岐山縣、眉縣；咸陽市楊凌區、渭城區、三原縣、涇陽縣、乾縣、禮泉縣、武功縣、興平市；渭南市臨渭區、大荔縣、合陽縣、澄城縣、蒲城縣等區縣。規模化養殖沼氣產業優先佈局區域在養殖區域集中化進程中應該充分考慮畜禽糞污沼氣化開發利用，逐步推進集中養殖、集中收集糞污和集中沼氣化利用；積極培養沼氣發電、有機肥加工等相關產業，與種植業、養殖業、社會服務、工業生產等形成產業鏈條，促進沼氣產業化進程。

３沼氣產業化關鍵技術

大型沼氣工程分爲能源環保型和能源生態型，能源環保型以沼液達標排放爲目的，能源生態型以沼液不排放爲目的，因此能源生態型沼氣工程更符合生態學理念和綠色、低碳經濟發展的要求，是沼氣產業的發展對象。能源生態型沼氣工程整個的能量物質循環過程包括畜禽飼養、糞污產生、沼氣產生、沼氣利用、沼渣沼液利用等［７］，圍繞能源生態型沼氣工程，綜合考慮成本投資、執行費用、環境效益、技術成熟先進性等因素，選擇適用於發展沼氣產業化的關鍵技術。（１）沼氣發酵技術。沼氣的產業化要求原料處理量和產氣量都要大，其核心技術發酵工藝的選擇應該滿足這些條件。ＣＳＴＲ（連續攪拌反應器）技術是目前歐洲等沼氣工程發達地區的主流發酵工藝，可使畜禽糞便污水全部進行發酵處理，優點是：原料適應性廣；處理量大；沼氣產量大；執行費用低；利於熱電聯產。因其資源利用率高、經濟效益好，特別適用於規模化養殖企業的大型沼氣工程，適宜引進並國產轉化，例如在此基礎上增加有機肥加工［８］。（２）沼氣利用技術。針對沼氣的利用方式，沼氣要實現產業化必須突破自產自用的小沼氣模式，逐漸轉向社會服務、工業生產等領域。沼氣的社會服務類應用包括髮電併網、天然氣併網、車用天然氣等，工業生產以製取ＣＨ４和ＣＯ２工業氣體及其合成氣等爲代表［９］，這些是未來沼氣產業的發展趨勢。就目前產業發展條件來看，除了滿足企業自身及戶用需求之外，沼氣發電、淨化後補充天然氣源等利用途徑較爲可行。（３）沼渣沼液利用技術。沼渣、沼液等發酵後殘留物質具有良好的肥料效應，傳統農業將其直接還田，但在養殖規模化發展的今天，種養脫節現象突出，沼渣沼液的肥料效應趨向於透過製造有機肥來實現。透過固液分離、沼液抽渣分離出來的沼渣用於生產有機複合肥；沼液濃縮制肥工藝生產液體有機肥［１０］，沼渣沼液製取有機肥提高了肥效、且方便運輸和使用。

結論

爲了實現生態環境質量改善與養殖業可持續發展的雙贏，畜禽養殖污染防治應該轉換思路，透過利用畜禽糞污的農業資源稟賦發掘其產業特性，從而實現畜禽養殖污染防治產業化。以資源化利用爲核心的產業化方式能最大程度提升糞污的利用價值和治理工程的經濟效益。沼氣工程是一項利於實現畜禽養殖污染防治產業化的資源化技術，頗具發展前景。規模化養殖場能爲沼氣工程保證充足的原料、資金投入、技術支援等，實現沼氣產品的高值高效利用。關中平原沿渭地區是全省規模化養殖企業較爲集中的區域，區內畜禽糞便資源、耕地資源豐富，最有潛力發展沼氣產業，出於對城市環境和渭河水質的保護，該區應該優先發展畜禽養殖沼氣產業。該區在養殖區域集中化進程中應該兼顧畜禽糞污沼氣化開發利用，積極培養沼氣發電、有機肥加工等相關產業，與種植業、養殖業、社會服務、工業生產等形成產業鏈條，根據沼氣產業化方向選擇合適的關鍵技術，如ＣＳＴＲ發酵技術、熱電肥聯產等，以促進畜禽養殖污染防治產業化和沼氣產業化進程。（本文作者：徐楠、林啓才、成西娟 單位：陝西省環境科學研究院）