【编者按】10月24-25日,由中国沼气学会、同济大学、中国科学技术大学主办的2024年中国沼气学会学术年会于安徽阜阳顺利召开。年会期间,同期举办了大会主旨论坛,厌氧发酵技术、后处理及资源化利用、双碳战略下的沼气工程、沼气工程技术典型案例、青年论坛、先进技术与装备分论坛,企业展览、项目参观等系列活动。在主旨论坛中,农业农村部成都沼气科学研究所科研处处长刘刈应邀出席,并发表“双碳背景下沼气技术及其与新能源融合模式”主题报告。
近年来,农业农村部成都沼气科学研究所(以下简称:沼科所)始终致力于农村清洁能源与新能源领域的基础研究和技术研发工作,通过多年的研究积累,取得了丰硕的成果。在厌氧微生物资源方面,沼科所的厌氧微生物分离培养的成果在《自然》期刊进行发表,通过自主研发的鸡尾酒分离方法进行论证,首次证明在非广古菌门外仍存在产甲烷古菌,这证实了该古菌具有氢依赖代谢甲基类物质产甲烷的生理功能,标志着在厌氧古菌资源和分类领域的重大突破。
在厌氧微生物产甲烷代谢方面,我们提出了一条新的产甲烷途径——烷基型产甲烷途径。其原理为通过一个古菌的一步反应,将复杂的有机物有效的代谢为甲烷。当然,现阶段该项成果仅停留在微观的研究领域,走向规模化生产还需经历一定的时间。这项工作成果的诞生,完善了碳素循环的生物地球化学过程,为开发绿色可持续低碳技术,提供了新的路径选择。该成果被广大学者广泛报道,称之为一种曾被忽视的甲烷产生方式,有必要去评估其对全球甲烷排放的贡献。
在厌氧微生物代谢方面的另一个成果是证明存在古菌—古菌依赖的第三种碳氢化合物降解产甲烷的代谢模式,这也继续扩展了对烷烃降解产甲烷代谢的认识范围。
除此之外,在沼气工程领域,也做了大量的研究工作,并组织开展了小规模的、区域性研究,提出了构建社区沼气工程“产-储-供”调控模型。在进料阶段提供模型,与用气曲线匹配,同时对储气规模提出优化,从理论上是可以解决沼气供需时间、空间不匹配、甲烷逃逸率高的问题。这项研究成果不仅在《自然•通讯》进行了发表,还在四川本地也进行了实际应用。
中低浓度畜禽污水沼气发酵及达标处理技术,主要针对污水浓度低、污水量大、不利于后续处理利用问题。该技术采用浓稀分流工艺,将浓、稀污水进行分离,把有限的能量更多用于加热到浓污水部分,实现厌氧发酵过程能量平衡、实现污水处理碳源平衡和pH平衡,进而提升发酵效率,降低沼液处理利用成本。高浓度物料高效厌氧发酵技术,主要应用于畜禽污粪、作物秸秆、餐厨垃圾等领域。采用气、热、电、肥联产工艺,发酵温度稳定在35℃以上,容积产气率为1.2—2.0m3/m3d。而面向更高浓度废弃物的处理,干发酵技术将发挥更大的作用。该技术主要应用于畜禽粪污、作物秸秆等领域。其中,序批式厌氧干发酵采用批式进出料方式,对物料输送设备要求较低,容易产生微生物流失,沼气产量不稳定。而连续式厌氧干发酵则采用连续进出料方式,对物料输送设备和工艺流程要求高,但是沼气产量稳定。虽然干发酵在发酵体系中还面临着一些需要解决的问题,但是这项技术在还田压力、处理成本、处理难度上确实有着很大的优势。为了积极响应国家双碳目标的需求,生物天然气技术迎来了全新的发展机遇。将沼气提纯后,产生的高品质天然气进行管网输送或罐装,生产出与石化行业同样品质
当下,我国的养殖粪污量是30亿吨,随着肉蛋奶需求增长,畜禽粪污年产量将持续增长。未来10年(2032年)将会产生37.9亿吨粪污,如达到欧美国家的人均304kg/年,养殖粪污量将会达到67.1亿吨。未来,畜禽粪污产量大增长的潜力很大,土地载畜量高、污染物处理难度大、减排压力大的问题也将日趋显著。另外,秸秆量的逐年增加,粮食播种面积逐年增长,虽然增长速率不会像粪污增长的那么快,但去年也达到了7亿多吨。这样所有农业农村废弃物累计产量未来仍将有很大的增长空间。
面对大量的有机废弃物处理问题,我们认为沼气发酵是最有效技术路径。由于好氧处理途径中,堆肥固体含量高、碳氮损失较大,氮气大多以氧化氮的形式排放到空气中,难以实现能源回收。而厌氧处理途径中,总固体含量低、氮损失率极少,可以实现氧化亚氮零排放,使得甲烷被有效的回收,在碳减排方面具有更大的优势。当下,沼气仍然是处理农业废弃物最重要的手段,在乡村振兴背景下,它具有广阔的前景,在生态农业前提下,沼气仍是形成循环农业的桥梁和纽带,在减排固碳领域,沼气能发挥着非常重要的作用,沼气预期的春天正在悄然到来。
未来发展前景
针对未来的发展前景,根据不同的处理规模重点将分为以下四种模式。第一:自产自用,就近供气模式。这种模式发酵原料就近收集,进入沼气生产环节后,产出的沼气进行就近供气、沼肥就近利用。第二:沼气发电上网模式。这种模式重点在于利用沼气发电,进而生产并提供清洁能源。在这种模式中,稳定上网与下网政策和补贴,是沼气高效利用的关键。第三:沼气提纯并入气网融合模式。这种模式主要是利用沼气提纯生物天然气后并入天然气管网,以应用于天然气加气、天然气汽车、天然气燃烧等领域。第四:多能融合低碳社区模式。沼科所支持当地共建常理镇海龙村“低碳社区”,推动农村生产、生活用能清洁化、低碳化,降低温室气体排放,实现区域低碳发展。
因此我们相信,沼气技术如何能与其他新能源等模式更加融合在一起,共同打造农村清洁能源与新能源开发利用场景,这是未来的发展方向。