【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，同济大学教授、生物质能源研究中心主任朱洪光应邀出席，并作“县域农业废弃物全量资源化探索与实践”主题报告。
全域农业废弃物处理模式 及相关案例
（一）政策背景与技术优势
2022年5月，农业农村部、国家发展改革委印发《农业农村减排固碳实施方案》，鼓励有条件地区建设规模化沼气/生物天然气工程，推进沼气集中供气供热、发电上网，以及生物天然气车用或并入燃气管网等应用，替代化石能源。
基于厌氧发酵技术的农业废弃物处理，具有系列显著优势：一是规模灵活性突出。厌氧规模可大可小，日耗干有机质量低。二是环保优势显著，它没有废弃物产生，营养物质全循环。三是适应性广。可接受多种原料，不计较原料的干湿、腐败程度。四是能源转化与储能灵活，可以通过生物电化学过程实现电能与天然气的转化，支持电网灵活调控。
（二）技术进步与产业实践案例
过去100多年，厌氧大量应用到了农业农村领域并不断发展。从最早的传统户用沼气，到规模化沼气工程，再到县域化的生物天然气工程。从最右边的生物天然气工程看，从沼气到生物天然气，可以说是从“小舢板”到“航空母舰”的跨越。同济大学多年来深入沼气工程与生物天然气科研与实践，主导并参与了几个县域级项目，积累了一些实践经验。
户用沼气到生物天然气工程演变
2009年，在上海市农委的支持下，团队在崇明做了17个片区沼气工程与5个规模化沼气工程年产气量411.4万方，为4台燃气锅炉和6台沼气发电机组稳定提供沼气，并为周边农村居民提供生物燃气。被农业部称为规模化沼气工程的“崇明模式”。崇明模式是一个自发的过程，工程点分布非常不均匀。
到了2017年，同济大学新农村发展研究院与安徽省农委签订合作协议书，在安徽省阜阳市阜南县开发区域生物天然气项目。在1800平方公里的土地上均衡地布置了8个站点，并铺设300多公里的管网，确保生物天然气在绝对分散的同时，又相对集中。目前，项目实现县域全覆盖，可以处理区域养殖业畜禽粪污、部分秸秆、餐厨垃圾处理等有机质，满负荷后将实现年产生物天然气4000m³；年产有机肥20万吨。项目具有多个盈利点，包括有机肥销售、碳基新材料、电力与储能等，多元收益支持这一模式的可持续发展。
总体来看，阜南模式能够避免单类有机废弃物处理过程中存在的重复投资、环境无法兜底、产能不足或过载等弊端，解决了政府环境治理难题与可持续经营问题，重构了县级区域农业废弃物生态循环结构，提升了规模效应和可投资性。此外，政府通过组合特许经营权授予，换取区域有机废弃物全量处理难题的兜底式投资解决方案，实现了依法行政模式创新。
全域化、全量化、全循环模式中的 技术创新
为满足全域项目中的应用需求，团队开展了系列技术、装备创新。
（一）特大尺度厌氧发酵罐技术研发
全域项目首先要有特大型厌氧发酵罐支撑。秸秆-粪污物料的流动过程是一种多相流过程，课题组通过理论及实践创新，构建大尺度多相流搅拌新模式。包括利用Eulerian-Lagrange 模型框架，优化搅拌器布置和转速、开展进料泵选型；通过V20-3D摄像机和微粒子图像测速（PIV）系统与CFD仿真模拟，证明了realizable k-ε湍流模型是模拟连续相流的优选模型；开展非球型秸秆颗粒运动模型研究，开发出颗粒阻力模型。
基于这些基础理论成果，开发大尺度厌氧发酵罐搅拌新模式，导流筒和中心搅拌器将颗粒和流体向上输送；侧搅拌器兼顾底部颗粒扬起及中部扰动，它将形成环流，防止颗粒沉积；新模式提高了搅拌效率、传质传热优化、渣滓排出顺畅等。目前，单罐直径可达20米，容积6000万立方。下一步，团队计划将罐体容积扩大至1.2万方。
（二）沼液分质分级材料提取及达标排放
沼液高质化是很大的问题。尽管沼液是重要资源，但其生产连续性不足，与还田消纳的季节性、周期性不匹配，规模化集中生产与农田分散使用矛盾，不科学的还田会导致风险。
为解决上述问题，团队研发了沼液分质分级材料提取及达标排放技术工艺，采用分质分级营养回收与梯度处理的方法，根据不同营养元素的特性和需求，采用不同的处理工艺和参数，实现了对资源的最大化回收和利用。该工艺有着多样化的副产品，包括氧化铝、纳米碳酸钙等新材料以及碳酸氢铵、硫酸钙、氯化铵等养分回收产品，提升沼液处理效益。
（三）区域生物天然气调峰与能量回收
在县域项目中，虽然产气稳定性较高，但受天气、节日和县域多主体随机性冲击影响，用气波动性较大。未来生物天然气全面发展，调峰储能是不可回避的议题。
调峰需求不仅体现在季节性变化大，日内小时间变化也非常突出。每日高峰时段 7个小时、平载时段 9个小时、谷载时段8个小时，需要调峰，并与用气时段良好匹配。而常规的两种方法——LNG（液化天然气）及CNG（压缩天然气），都不同程度地面临能效问题。为此，团队尝试开发“气电双调峰”策略，利用谷时电把天然气制成LNG,并在用电高峰时段气化LNG获得天然气利用动力循环发电装置进行电力调峰，同时利用LNG气化冷能与动力循环内燃机废气热能来联合生产电力，实现冷能的有效回收。该组合系统的发电效率可将独立发电机系统的38%提升至46%。只要燃气价格大于3元/吨，气电双调峰就会显示出其经济性。基于一座日产50000m³生物天然气站点的研究结果表明，增加的电力输出每年可以减少二氧化碳排放约5100吨。
区域生物天然气模式的挑战
我们认为，生物天然气将会带动燃料领域的绿色革命，但是革命尚未成功，还存在一些挑战。
技术方面，需要跳出厌氧发酵本身，关注技术体系配套，实现多源有机废弃物混合协同同步发酵；要关注热能，这涉及绿色认证碳排放指标问题；还有燃气替代、沼渣沼液资源化利用等，实现全域全量化站田式布局。
非技术方面，也存在管理、模式、体系等方面的挑战。一是从公益性投资到产业投资的转变，带来融资难、资金回收压力大等问题；二是从农业项目到工业项目转变，需要重新审视装备可靠性和稳定性，同时，土地性质、监管标准也将发生变化；三是从市政或其他产业配套附属设施，到独立产业体系构建，需要项目管理体系及人才队伍的匹配性重建；四是从单一项目到区域基础设施转变，面临产业链条长、产业门类复杂、主管部门多等新的问题。
除此之外，从非主流能源向绿色燃料主体迈进，生物天然气行业碳排放核算、认证、交易和监管体系的不成熟，短期内尚无法支撑绿色溢价的预期。这是面向未来更大的挑战，需要行业同仁的共同努力。
本文根据嘉宾发言内容整理。
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