1. 沼氣發展現狀

目前，在能源嚴重緊缺，環境亟待綜合治理的大背景下，尋求新能源、開發綠色環保能源加工工藝成為能源領域的核心問題。隨著沼氣技術的不斷發展，沼氣綜合利用模式的形成，尤其是沼氣工程的規模化發展，使得沼氣綜合利用技術成為治理環境污染、回收能源，實現可持續發展的一種行之有效的變廢為寶的方法，是一項綠色環保的新能源途徑。沼氣綜合利用技術實現了能量多層次利用和物質循環利用的高效生態模式，國家作為能源補充和綠色工程正在大力推廣。尤其在農村重點推廣，因其有廣泛的制備沼氣的原料。據分析，到2010年，我國農村秸稈年產量將達到7.26億噸[1]。農村推廣沼氣，既產生了能源和資源又減少了污染，沼氣使用方便、清潔，且節省生產成本，農村環境衛生得到改善，有力地推動當前我國社會主義新農村建設。

1.1 沼氣概述

沼氣是有機物經微生物厭氧消化而產生的可燃性氣體，通常產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%，以及少量的氮氣(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] 。含有機物的廢棄物都可作為制取沼氣的原料，主要包括農業廢棄資源、畜禽糞便、工業有機廢水、城鎮生活污水及其處理后的污泥和城鎮生活垃圾等。

在我國，沼氣有著廣闊的應用前景，從南方到北方不同的地理環境均為沼氣能源建設提供了便利的條件。我國北方推廣的塑料大棚、沼氣池、禽畜舍和廁所相結合的“四位一體”沼氣生態農業模式[6,7]，中部地區開發的結合大棚蔬菜并以沼氣為紐帶的“豬—沼—果”生態果園模式[8]，南方建立的“豬—沼—果”、“豬—沼—魚”[9]、“牛—沼—草”[10,11] 模式，以及部分地區因地制宜建立的“養殖—沼氣—種植(養殖)”等模式都實現了以沼氣為紐帶，能量多層次利用和物質循環利用的生態農業模式。

1.2 沼氣技術

沼氣作為能源利用已有很長的歷史。厭氧消化處理有機廢棄物具有如下優點：⑴ 厭氧消化過程產生清潔能源——沼氣;⑵ 消化最終產物可作為高質量的有機肥料、無害農藥、飼料等;⑶ 發酵過程無需氧氣，動力消耗降低，管理方便，運行成本低;⑷ 減少了溫室效應氣體的排放量，真正實現了廢棄物處理的“無害化、減量化和資源化”[12]。對不同的發酵原料，采用的發酵工藝不同，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)和內循環厭氧反應器(IC)等高效反應器;以污泥為原料的沼氣工程主要采用完全混合式厭氧反應器(CSTR);農場主要采用完全混合式厭氧反應器、推流式反應器或組合工藝。

據2008年的報道，國家農業部鑒定通過了一項以秸稈為主要原料生產沼氣技術示范項目[13]，其產氣率比常規稻草或人畜糞便分別提高了30%以上和6.8%以上，正常產氣時間分別提前了4~8d和1d以上，同時延長了產氣周期，普遍為8~10個月換一次料，有的可維持正常產氣12個月，實現了秸稈產沼氣的高效、穩定和持續運行。另外，將高濃度有機物科學處理進行沼氣產業化生產的一項新技術——UASB-TLP技術[14]，于廣東三和酒精廠建成試運行。該技術處理有機物負荷為通常UASB處理同類液體的10倍以上，三和酒精廠利用該技術建成兩套容積為1500m3的厭氧發酵系統，日產沼氣4300m3，經該系統處理產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入農戶家中。改變了“高濃度有機物不能分解，循環經濟難以實現”的困境，實現了無害化和資源化。

1.3沼氣利用

沼氣能源建設，一方面可以補充農村生產生活的能源需求;另一方面，可以減少工業生產中有機廢水和生活垃圾對環境造成的危害。沼池中沼氣可用于農戶生活用能，農副產品生產、加工等方面;也可用于沼氣發電，沼氣燃料電池等方面。沼液用于肥料、飼料、生物農藥、培養液料的生產。沼渣用于肥料、飼料的生產[12]。“沼氣工程”中能量的多層次利用和物質的循環利用建立了以沼氣為紐帶的生態經濟體系，實現了環境和經濟的雙贏，推動了循環經濟可持續的發展。

1.3.1 農戶、農副產品利用

沼氣可用于農戶炊事、照明等生活用能，也可用于農副產品的生產、加工，如沼氣養蠶、沼氣孵化、沼氣育雛、沼氣育秧、誘蛾養蠶、沼氣儲糧、沼氣保鮮、沼氣炒茶、蛋雞增光、大棚種植、農產品干燥和烤瓷工藝品等[12]。

沼液和沼渣中含有多種氨基酸、生長素、抗生素和多種微量元素[15]，可作肥料利用、飼養利用、生物農藥、培養料液等。沼液可作為有機肥料灌溉到農田中或者直接噴灑到植物葉面作葉面肥，既能增加作物產量、提高產品品質，又能增強作物的抗逆性;可用作飼料添加劑，使豬提前出欄、肉質提高，雞產蛋率提高;可進入魚塘促進浮游生物的生長，是魚的良好餌料，使魚的產量提高、抗病性增強;可用于浸種，提高種子的出芽率和以后的生長能力[16];可作為無毒、無殘留的農藥來防治農業病蟲害[17，18]。沼渣可作為農業生產的底肥，或者與N、P、K一起加工成顆粒肥;可作為培養基用于生產食用菌[19]和養殖蚯蚓[20];可代替部分飼料養豬[21]、養魚[22]等。

沼肥具有緩釋兼備的作用，能改良土壤，增加土壤的團粒結構，增強土壤的保水、保肥、保溫和通透性，同時改善土壤的微生態環境，對提高土地的持續生產力有重要的作用。同時減少化肥和農藥的施用量，生產出無公害的綠色食品，提高了農產品的安全性和保證了優質性。

1.3.2 發電利用

沼氣燃燒發電是隨著大中型沼氣工程的建立而不斷發展出現的一項沼氣綜合利用技術，它是將發酵池產生的沼氣經過凈化后用于裝有綜合發電裝置的發動機上，以產生電能和熱能，其綜合熱效率可達75%，是有效利用沼氣的一種重要方式。沼氣發電具有創效、節能、安全和環保等綜合效益，可改善能源結構、緩解區域性電力短缺、提高沼氣工程的綜合效益，是一種分布廣泛且價廉的分布式能源。

沼氣發電在許多國家受到廣泛重視，并紛紛出臺相應的激勵性政策。尤其在2000年以后，大多數國家出臺了推動可再生能源發展的法律文件。如美國于2002年的《農場法》;德國于1999年實施的《電力并網法》，2000年頒布的《可再生能源優先法》，2004年國會對《可再生能源優先法》進行了修訂，推動小型農場沼氣發電上網;英國于2002年開始實行《可再生能源義務證書系統》;奧地利于2002年制定了《綠色電力法》;法國于2006年7月頒布的新上網電價是法國沼氣發展的重要轉折點;荷蘭于2005年1月起施行的沼氣發電補貼政策;中國于2006年1月起施行的《中華人民共和國可再生能源法》;日本的陽光工程;荷蘭的綠色能源;其他國家出臺的法律規定或采用的其他激勵機制等。在這些政策的推動下各國沼氣工程紛紛建設，于2004年以后多數國家的沼氣產量有不同程度的增加，主要用于發熱和發電，尤其新增沼氣工程以熱電聯產為主。2005~2006年間，歐盟沼氣產量增長了13.6%。2006年德國沼氣工程基本每個月新建50座，以農場小型沼氣工程(熱電聯產)為主，到年底達3500座，總裝機達1100MW，預計到2020年將達9500MW[23]。中國作為農業大國，到2007年為止，利用沼氣工程發電的比例不到3%[12]，預計到2015年，處理工業有機廢水的大中型沼氣工程達到2500座，年處理工業有機廢水37500萬立方米，年產沼氣能力40億立方米;農業廢棄物沼氣工程將達近4100座，年處理糞便量1.23億噸，年產沼氣4.5億立方米[3]。

目前沼氣發電的主要設備為內燃機和汽輪機，德國、丹麥、奧地利、美國的純燃氣發電機組比較先進，氣耗率≤0.5m3/kWh(沼氣熱值≥25MJ/m3)。我國雖然研究沼氣發電有30多年的歷史，研制出的20~600kW純燃沼氣發電機組，氣耗率0.6~0.8m3/kWh(沼氣熱值≥21MJ/m3)。另外，適合我國廣大農村地區小型沼氣發電技術的研究更少。

1.3.3 燃料電池利用

燃料電池是21世紀最具競爭力的高效、清潔的發電方式，將在潔凈煤燃料電站、電動汽車、移動電源、不間斷電源、潛艇及空間電源等方面有廣泛應用[24]。沼氣燃料電池是最新出現的一種清潔、高效、低噪音的發電裝置，與沼氣發電機發電相比，產電效率高、能量利用率高，振動和噪音小，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，沼氣不得不進行純化，并需要將其轉化成氫氣。高溫燃料電池，特別是固態氧化物燃料電池(SOFC)能直接利用凈化的沼氣，轉化過程組合在電池中。由此來看，沼氣燃料電池今后的發展趨勢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、轉化系統簡單，蒸汽需要量低等優點。

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、冰島等國家都有沼氣作汽車燃料用于公共汽車、轎車、火車等交通運輸工具。荷蘭將沼氣并入天然氣電網作為燃氣[23]。

1.4 沼氣前景

由于能源越來越趨于緊張，加之環保要求越來越嚴格，沼氣作為生物質能源，且其工藝發展較成熟，對完善能源結構、提高能量的利用率、物質的循環再利用，減少廢棄物對環境的污染有切實可行的意義。尤其沼氣發電技術和沼氣燃料電池技術的發展，沼氣在未來能源供應中有更大潛力。

按照農業部頒布的《全國農村沼氣工程建設規劃》，到2010年，全國農村戶用沼氣總數要達到4000萬戶，占適宜農戶的30%左右，年產沼氣155億立方米，到2020年，農村戶用沼氣達到8000萬戶，基本普及農村沼氣[27]。