干货 | 产业沼气原料利用新趋势——沼气专用能源作物

欧盟国家发展产业沼气，首先是从利用城市生活污水在环保处理后形成的活性污泥做起的。由于在法规上对畜禽粪便还田有诸多严格的限制，直到上世纪末“解禁”前，畜禽粪便一直未成为产业沼气的主要原料。有的国家则更多依靠有机垃圾填埋规模化地获取沼气。随着沼气产业规模的不断扩大，沼气产量更大的新原料——沼气专用能源作物，如玉米、甜菜、高粱、苏丹草、黑麦草等应运而生，能源作物的潜力远大于其他资源。

研究欧盟国家产业沼气发展的成功经验，总结如下：
1）发酵工艺和设备随着原料的变化及对产气率提高的需求不断改进。
2）重视新原料，主要是沼气专用能源作物的开发，为长远的可持续发展奠定了基础。
3）准确的市场定位，沼气经过提纯、用于经济效益和社会效益好的应用方式——替代部分天然气。
其中，欧盟国家沼气专用能源作物的使用方式是全株青贮后在作发酵原料。中国虽然人多地少，但“地少”主要是耕地少，而草地面积和林地面积却分别是耕地的3倍和2倍。其上生长各种生物质都是广义的“能源作物”，特别是亚热带分布广，温度高且雨量大，生物产量可观。包括降水量只有400mm的半干旱地区，中国上亿公顷的退耕还林/草地及退化草原，如果实施“营养体农业”（即着眼于收获可能的生物量而非谷物籽粒），则可充分利用充足的光照、雨热同期及多年生草、灌木耐旱力极强的特性，生产出大量可作为沼气原料的生物质。因此从长远看，沼气专用能源作物作为产业沼气发展新契机的具有一定的开发价值。
此外，根据在奥地利Gussing地区的STREM“能源作物原料沼气发电农场”的实践，300h㎡土地全部种植专用玉米青贮，黑麦草/小黑麦，采用腊熟期整株青贮，2个厌氧反应罐容积各1500m3，采用高温(49.5℃)发酵工艺。年耗青贮原料5940t，沼气产量5150m3/d。沼气直接发电，发电产能500kW(热电联产)。年发电和供热量分别为415万kW·h和4220MW·h；电全部售给电网；热量出售1/3。不难发现，沼气专用能源作物作为沼气发酵原料具有较大的资源潜力。

常见能源作物原料特性及原料产气率
下面从满足沼气产业化要求、产气性能、生物量和栽培、生态环境影响等4个角度提出了沼气专用能源作物应该具备的9个主要特征，作为筛选沼气专用能源作物的依据。
01 产气潜力大
作为能源作物，产气潜力大是其基本且重要的特征，产气潜力是指原料能够转变成沼气的数量。产气潜力大意味着从种植到发酵过程中运输成本、发酵设施成本的降低，是体现产业沼气发展水平和经济性的重要指标。沼气是多种微生物在厌氧条件下对有机物进行分解代谢的产物，沼气原料产气潜力的大小取决于其碳水化合物、蛋白质和脂类化合物等有机物的含量，这类有机物的含量越多，原料产气潜力就越大。植物类原料，木质素含量是影响产气量的主要因素。植物中的纤维素、半纤维素易被厌氧微生物分解利用，而木质素填充于纤维素骨架中较难降解，并且木质素在细胞壁中与纤维素及半纤维素相互交联，使得纤维素及其他可发酵物质难以被厌氧微生物或酶降解利用，影响了生物质厌氧发酵的产气率，因此木质素含量越低，植物的产气量越高。另外植物的碳氮比(C/N)也影响产气潜力，通常C/N介于20:1~30:1之间的植物原料，易于发酵利用。
02 主要产气过程短
原料厌氧发酵产气过程，一般是初期慢，之后逐步加快到高峰再逐渐减慢至结束。在产气过程中后期，随着产气速度的减慢，发酵设备的利用效率逐渐降低，一旦超过经济效益的临界点，原料即失去了继续发酵的价值，就应该终止发酵。从进料到经济效益临界点的过程就是原料的主要产气过程。不同原料，其产气速度和产气过程不同，主要产气过程越短，发酵设备的利用率就越高，经济效益越好。
03 生物产量高
沼气专用能源作物应具有生长快，生物产量高的特点。生物产量是指植物所累积的物质总干重，即植物体除去水分后留下的固体物质。植物通过光合作用把太阳能转变成化学能储存起来，按光合作用中碳同化过程分成C4植物和C3植物。C4植物比C3植物多了一个CO2吸收和放出过程，具有更高的CO2吸收能力，从而使光合作用效果更好，因此C4植物比C3植物生长快、生物产量高。
04 种源易得
无论是种子繁殖和种苗繁殖，都应具有能大量和易于获得的特点，便于大面积推广种植。
05 抗病害能力强
产业化制气需要大面积种植专用产沼气能源作物，需要沼气专用能源作物具有较强的抗病虫害的能力，才能**产量的稳定性。而农药施用量的减少，又可提高种植的经济性。当然，构建多品种的产业沼气作物种植系统，也是增加生物多样性，控制病虫害的有效方法。
06 抗逆性强
在我国由于人多地少，发展生物质能源不能与人争粮、与粮争地，而尽可能地在荒山荒坡种植。因此，沼气专用能源作物要具有较强的环境适应性，一般要耐旱耐涝、耐贫瘠，对当地的不好的天气也要有一定耐受力。
07 收获时间机动
原料的稳定性是生物制气产业的基本要求，收获时间机动性强的植物，将会在**原料的稳定性方面起着重要的作用。
08 非入侵性
有些作物虽然具有很强的适应性和高产量，但由于具有入侵性，在大面积种植后，会遏制其作物的生长，降低生物多样性，破坏生态环境，因此，沼气专用能源作物应具有非入侵性。
09 固碳能力强
多年生植物根系对碳有着很好的固定作用。相对于一年生作物，它们固定的碳更多，积累的能量也多，能减少温室气体排放。同时，多年生植物一次种植后，中间不需耕种，也能有效减少耕作引起的碳释放和水土流失。


我国可借鉴欧盟和美国的经验，在利用一部分土地、退化草地上种植专用能源牧草和能源作物，兼收生态和经济效益。按20×108亩和每亩收获0.15t生物质（干重）计，每年至少可产3×108t，再加上利用1×108t农作物秸秆制沼气，共有4×108t新的沼气资源，相当于沼气的理论年产量为800×108~1000×108m3。以上两大部分合计的天然气替代潜力约为每年1500×108m3。