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第13卷第1期2019年1月Vol.13,No.1
Jan.2019
Chinese Journal of
Environmental Engineering
www.cjee.ac
E-mail:cjee@rcees.ac
DOI 10.12030/j.cjee.201805147中图分类号X803.3文献标识码A
袁彧，刘研萍，陆文静，等.规模化沼气工程消化效率及碳减排核算[J].环境工程学报,2019,13(1):204-212. YUAN Yu,LIU Yanping,LU Wenjing,et al.Digestion efficiency and carbon emission reduction accounting for large -scale biogas projects[J].Chinese Journal of Environmental Engineering,2019,1
3(1):204-212.
规模化沼气工程消化效率及碳减排核算
袁彧1,2，刘研萍1，陆文静3，马宗虎4，李超2,3,*
1.北京化工大学化学工程学院，北京100029
2.碧普华瑞环境技术(北京)有限公司，北京100012
3.清华大学环境学院，北京100084
4.中国华电科工集团有限公司，北京100160
第一作者：袁彧(1994—)，男，硕士研究生。研究方向：有机固废厌氧消化。E -mail ：relleno_yuan@hotmail *通信作者：李超(1982—)，男，博士，讲师。研究方向：有机固废厌氧消化等。E -mail ：chaoli_tu@tsinghua.edu
摘要规模化沼气工程的产气核算尚无明确标准和评价方法，已严重影响政府补贴政策的落实，并一定
程度上加大
了沼气工程的运营压力。以山东民和沼气工程为案例，对原料及各级反应罐消化液的理化性质和产甲烷潜力进行了研究，提出了基于产甲烷潜力变化率的物料生物降解性变化率(biochemical degradation rate,BDR)间接核算法。该方法可对规模化大型沼气工程的沼气产量及碳减排进行核算。结果显示，基于BDR 法核算的沼气产量与实际上报的沼气产量相 差2.3%，碳减排量与监测报告中的数值相差6.3%。BDR 法不仅能够准确地对沼气工程的产气量及碳减排进行核算，同
时也可为产气的测量、报告与核证提供数据基础。该方法可满足当前沼气转型升级建设实行先建后补的政策投资需求。
关键词
规模化沼气工程；沼气产气核算；碳减排核算；厌氧消化效率；生物降解性变化率
沼气工程是指以厌氧消化为核心技术，集生物质废弃物处理、沼气生产、沼气和沼肥资源化利用
为一体的系统性工程[1]。利用生物发酵技术，在提供清洁能源的同时，还可以减轻环境污染，并通过
厌氧消化所产生的甲烷进行发电，达到减少碳排放的目的。作为国内可再生能源的重点建设项目，规
模化大型沼气工程通过对畜禽粪便等进行厌氧消化处理，有效地减少了农业面源污染源的排放，通过
沼气发电、提纯并网等实现了沼气的高值高效利用[2-3]。然而，相比于欧盟国家以产品价格补贴为主、
建设补贴为辅的沼气工程补贴政策，我国在建立沼气工程自身盈利模式、推动产业发展和技术进步方
面存在一定差距[4]。李颖等[5]认为，目前国内的补贴政策要以建设补贴为主，忽视了产品补贴，导致出
现重建设、轻生产，甚至工程闲置的情况。因此，开发能反映沼气工程实际运行情况的产气间接核准
方法，可提高沼气工程的运营水平和经济效益，从而达到推动沼气产业健康发展的目的。
规模化大型沼气工程在温室气体减排方面也发挥着重要的作用[6]。随着《联合国气候变化框架公
约》及《京都议定书》的出台，催生了以清洁发展机制(CDM)为代表、以CO 2排放权为主的碳交易市场
机制。目前，有关沼气工程碳减排核算主要围绕户用沼气[7-8]、养殖场畜禽粪便[9-12]以及秸秆类[13-14]等的
单一沼气工程项目碳减排核算。大部分学者将重点放在计算沼气工程碳减排核算中，但核证产沼气量
收稿日期：2018-05-26；录用日期：2018-11-21
基金项目：国家科技支撑计划(2014BAC24B01)；北京市科技新星计划(Z181100006218056)
文章栏目：固体废物处理与资源化
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第1期袁彧等：规模化沼气工程消化效率及碳减排核算
领域却较少有学者进行研究。赵晓等[15]通过回归预测分析模型和来源分析模型预测了中国总体生物质
燃气产能。王艺鹏等[16]分析了1995—2014年中国农作物秸秆沼气的碳足迹。国内大部分研究基于沼气
工程项目的可行性，而对沼气工程实际的产气效果以及针对补贴问题的研究较少。
本研究通过比较分析基于总固体含量(total solid,TS)、挥发性固体含量(volatile solid,VS)、化学需氧
量(chemical oxygen demand,COD)等去除率指标的变化情况，并用以间接核算和验证产气和碳减排数据，为真实准确反映生化降解过程的内涵，提出了一种新指标即物料生物降解性变化率(biochemical degra⁃
dation rate,BDR)，同时分析了CDM 项目的温室气体减排量及经济效益。
1原料与方法
1.1
实验原料
实验以鸡粪和污水的混合物为原料，取自山东民和牧业大型沼气发电工程一期工程。原料经过沉
砂池进行粪砂分离预处理，一级发酵罐固体停留时间为30d 、二级发酵罐固体停留时间为10d 。
原料样品和消化液样品在稳定运行期内每周取样1次，以避免原料样品和消化液样品被稀释而影
响分析结果及对甲烷产量的干扰。原料样品取自一级发酵罐进料口；消化液样品分别取自一级发酵罐、
二级发酵罐的出料口；接种物取自二级发酵罐出料口。样品各取1000mL 置于4℃冰箱中储存待用。表1的运行数据源于联合国政府间气候变化专门委员会对山东民和畜禽粪便管理系统碳减排CDM
项目(民和一期沼气工程)的第5次监测报告[17]。
1.2生化产甲烷潜力和剩余甲烷潜力的测试
采用瑞典Bioprocess Control AB 公司开发的全自动产甲烷潜力分析测试系统(AMPTS II)对样品的生
化甲烷潜力(biochemical methane potential ，BMP)进行测试分析。
AMPTS II 分为3个操作单元，分别是发酵单元、吸收单元和测量单元。发酵单元中所有发酵瓶使
用橡胶塞密封，同时配备可调转速的搅拌系统以保证完全混合条件；吸收单元内配制3mol ·L -1氢氧化
钠溶液以吸附沼气中的酸性气体；测量单元为甲烷气体计量系统，输出标准状况(0℃，101.3kPa)下的
甲烷体积[18]。
BMP 实验在9个500mL 的血清瓶中进行，工作体积为400mL 。实验条件为中温(37±0.5)℃厌氧发
酵，用氮气冲洗60s 并立即密封，以120r ·min -1的速度进行连续搅拌。接种物与底物基于VS 的添加
比为2∶1。实验同时设置空白和接种物组，以消除接种物对BMP 计算的影响。所有测试均进行3次平
行实验。当日产甲烷量低于累积甲烷产量1%时停止厌氧消化实验[19]。
在剩余甲烷潜力(residual biochemical methane potential ，RMP)测试中，将400g 消化物置于血清瓶
中，用氮气冲洗60s 并立即密封。测试的操作方法与BMP 测试相同。所有的测试均在中温(37±0.5)℃
下进行3次平行实验，并直到不再有气体产生时结束。
1.3分析方法
减排量计算参照文献中的方法[20]。原料和消化液样品的化学性质均作了3次平行测试分析。其中，
表1
山东民和一期沼气工程2014年运行数据
无人驾驶小车Table 1
Operation data of Minhe biogas engineering phase I in 2014
年产气量/
(104m³)
1146.50
进入沼气发电的沼气量/(104m³)1138.08
进入火炬燃烧的沼气量/(104m³)5.6
管道泄漏的沼气量/(104m³)2.82
年运行时间/d 365
平均甲烷含量/%64.26
肉鸡数/(104只)
自来水检漏
295.095
种鸡数/(104只)64.833
肉鸡鸡粪中VS 量/(kg·(a ·只)-1)5.406
种鸡鸡粪中
VS 量/
(kg·(a ·只)-1)12.771
项目用电
量/MWh
1638
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第13卷
环境工程学报
总固体(total solid,TS)、挥发性固体(volatile solid,VS)、总有机碳(total organic carbon,TOC)、有机氮含量
(organic nitrogen,ON)、氨氮(NH +4-N)、总磷(total phosphorous,TP)、总碱度(total alkalinity,TA)依据APHA
水和废水检验的标准方法[20]。挥发性脂肪酸(volatile fatty acid,VFA)采用气相谱仪(Agilent 7890A,Agi⁃
lent Technologies Inc,USA)测定；化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)采用重铬酸钾氧化法测定；5
日生化需氧量(5-day biochemical oxygen demand,BOD 5)使用OxiTop ®系统[21](WTW,Weilheim,Germany)
测定。
2
结果与讨论
2.1
原料与消化液的理化性质
表2为取自民和一期沼气发电工程的原料及各级消化罐消化液的理化性质。由表2可知，所有样品
的VS 含量高于COD 浓度值，这可能是COD 在测定时受到诸如亚硝酸盐、氯和过氧化氢等无机物质干
扰的结果[22]。同时，由于存在VFA 、酒精、含氨物料对于VS 低估的可能也会存在[23-24]。BOD 5的值低于
COD ，这是因为COD 的测量采用的是显现出强制性的物理和化学方法，而BOD 5的测量则采用的是较温
和的生物方法。一般情况下，认为采用BOD 作为有机物污染程度的指标更为合适。事实上，在BOD 5
评估中使用的接种物是非特异性细菌，该细菌可能无法降解废水中的一些逆变化合物[24]。TOC 比其他有机物质的量化参数要低，这是因为只有与原料结合的有机碳才能被量化。在经过厌氧消化过程后，
一级罐消化液、二级罐消化液中的VS 、COD 、BOD 5、TOC 和BMP(RMP)较原料呈现出下降趋势，这是
由于一部分原料中的组分已经转化为沼气、H 2S 、NH 3等。
营养元素(如P 、K)的含量在厌氧消化过程前后未出现明显变化，而N 元素以NH +4-N 的形式在消化
液中有所增加。在一级罐、二级罐消化液中，pH 均高于8.0，呈现碱性，这一条件在适宜产甲烷活性
的pH 范围内[25]。一级罐与二级罐消化液中，VFA/TA 的值均低于0.4，与其他研究中所建议的稳定产甲
烷环境一致[26]。2.2
BMP 与物料生物降解性变化率(BDR)
图1为民和一期沼气发电工程原料的生化产甲烷潜力(BMP)及各级反应罐消化液的剩余甲烷潜力
(RMP)测试的累积甲烷产率。T 90表示累积甲烷产率达到最终甲烷产率90%的时间，可被认为厌氧消化
表2
民和一期沼气工程的原料及各级消化罐消化液的理化性质
Table 2
Characteristics of raw materials and digestive liquid from primary and secondary
tanks in Minhe biogas engineering phase I
进料及消化罐
进料
1#一级罐
2#一级罐
3#一级罐二级罐进料及消化罐
进料1#一级罐
2#一级罐3#一级罐二级罐TS/%
4.63±0.212.76±0.02
2.70±0.01
2.78±0.04
2.83±0.03
COD/(mg·L -1)32198±956
12164±3939854±73012402±4499302±730VS/%
3.16±0.131.31±0.02
1.22±0.06
1.25±0.09
1.41±0.02
BOD 5/(mg·L -1)
21000±212
4250±1845125±1903750±198
2000±148
BMP/(mL·g -1)557±26.391±4.4
114±5.2108±5.361±6.8VFA/(g·L -1)258±15.8
43.4±5.1
38.6±3.7
46.3±4.9
23.1±1.2
版权评估
NH +4-N/(mg·L -1
)
3094±125.34088±184.44045±238.64024±271.53829±126.9TA/(g·L -1)44.8±3.5
116±11.7128±13.2118±9.4161±14.8TN/(mg·L -1)
4542±214.55006±156.95103±182.54924±251.75055±329.4TK/(mg·L -1)
1885±1431992±1192138±2622027±1791940±152
ON/(mg·L -1)1448±137.2917±74.3
1058±65.9900±91.31226±88.4TP/(mg·L -1)
298±4.5264±3.1344±9.5223±5.3237±3.6TOC/(mg·L -1)9533±196.6864±27.0
1042±18.41197±46.01249±24.7pH 6.5±0.48.3±0.2
8.4±0.5
8.5±0.4
8.4±0.3
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第1期袁彧等：规模化沼气工程消化效率及碳减排核算
过程基本完成[27-28]。由图1可知，原料的累积甲烷
产率与各级反应罐消化液的甲烷产率呈现相似的
变化规律。原料BMP 测试的T 90为10d ，累积甲烷
产率在反应过程的前10d 快速上升至515mL ·g -1
(以VS 计)；在第11~40天，平缓地增加至557
mL ·g -1(以VS 计)。原料BMP 测试结果与其他学者
的研究结果[29]一致，但考虑到VS 测试过程中挥发性有机物的蒸发，容易造成VS 值低估，进而引起BMP 值的高估。一级反应罐是3组相同工艺参数
的厌氧消化反应罐，编号分别为1#、2#、3#。3组一级反应罐消化液RMP 测试的T 90分别为15、24
和20d ，累积甲烷产率分别快速上升至84、103、
97mL ·g -1(以VS 计)。二级罐消化液RMP 测试的
T 90出现在第26天，为54mL ·g -1(以VS 计)。1#~3#一级罐消化液以及二级罐消化液的累积甲烷产率分别
占原料甲烷产率的16.34%、20.65%、19.39%和10.95%。T 90的延迟以及最终累积甲烷产率的降低，可
认为是随着厌氧消化过程的进行，易于生物降解的组分逐渐转化为沼气，消化液中残存的有机组分在
较短的固体停留时间内很难转化成甲烷。这一现象在二级罐消化液的测试中更为明显。
目前，在厌氧消化的研究中，有很多参数和方法可以用来评价原料性质及降解效率。VS 降解率是用来评价工艺降解效率的传统性能指标[25,30]。在原料为废水或低浓度废物(TS<7%)时，可以采用TOC 、COD 或BOD 5的变化率作为评价厌氧消化状态及工艺运行效率的指标。本研究提出一种以原料BMP 以
及消化液RMP 的变化率(BMP degradation rate,BDR)为基础的方法来评价厌氧消化状态及工艺运行效率。
根据原料BMP 以及各级反应罐消化液所测得产甲烷潜力，可以求出BMP 的产甲烷潜力变化率，即物料生物降解性变化率BDR(BMP degradation rate)。
R BDR =()
∑
i
j i ⋅C BMP i
-C RMP
∑i
j i
⋅C
BMP i
(1)
式中：R BDR 是BMP 去除率，%；C BMP i
是i 种物料的进料生化甲烷潜能，m 3·kg -1；j i 是i 种物料在整体物
料中所占的权重；C RMP 是出料的生化甲烷潜能，m 3·kg -1；i 是厌氧消化的物料种类。
由图2可知，VS 和COD 的降解率约60%，
TOC 的降解率约88%，而BOD 5和BMP 的降解率
则分别在75%~91%、79%~90%之间。在所有降
解率指标中，BMP 变化率的范围与BOD 5和TOC 相似，并高于VS 和COD 降解率。VS 降解率较低的原因可能是由于VS 只是挥发性有机物的定量表
示，这并不表示所有能够被厌氧微生物利用的量。同样，由于COD 的测量原理，导致所有能够
被化学氧化的物质的量都被测定，而并不特指能够被厌氧微生物里用的有机物的量。TOC 仅靠有机碳的量进行评价。一般来说，VS 、TOC 和COD 只提供了有机物质的定量测量，而并未提供任何
图1
原料及各级反应罐消化液的累积甲烷产量
Fig.1Cumulative methane production of raw materials
and digestive liquid from primary and secondary tanks
图2各级反应罐消化液中TOC 、VS 、COD 、
BOD 、BMP 降解率
Fig.2
Degradation rates of TOC,VS,COD,BOD,BMP of
digestive liquid from primary and secondary tanks
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第13卷
环境工程学报
有关厌氧条件下其生物降解能力的信息。相比BOD 5，基于BMP 的评价指标(BDR)兼顾考虑了样品中有
机物的量(TS 、VS)以及特定的可被厌氧微生物降解转化成甲烷的有机物变化的量。因此，BDR 可作为
一种更好地描述有机物厌氧降解速率及评价工艺运行的指标。值得一提的是，在沼气工程运行中，经
常产生仍具有较高有机物含量的消化液，该消化液仍具有较高的剩余甲烷潜力。在此情况下，BDR 可
能对运行效率的评估起到更为重要的作用。2.3
基于物料生物降解性变化率(BDR)的沼气产量及碳减排核算2.3.1
BDR 法核算沼气产量
物料生物降解性变化率(BMP degradation rate ，BDR)法是通过进出料生化甲烷潜力的变化率与总VS
的乘积计算理论产甲烷量。根据测量的原料BMP ，以及各级反应罐消化液所测得产甲烷潜力，可以求出物料生物降解性变化率BDR 为89.05%。2014年民和一期沼气工程年进料量为443171.7t ，原料的
VS 为3.16%，BMP 为557mL ·g -1(以VS 计)，平均甲烷含量为64.26%，则根据式(2)可得理论产气量为
1119.8m 3。
Q 理论=(
)
Q 年进⋅Q VS ⋅Q BMP ⋅R BDR
Q ME
(2)
式中：Q 理论为1年理论产沼气量；Q 年进为1年的进料量；Q vs 为1年进料VS 含量的平均值；Q BMP 为进料的
生化产甲烷潜力；R BDR 为BMP 去除率；Q ME 为产生的甲烷含量。
对于沼气工程产气量的准确核算，不仅是国家对于沼气工程补贴政策落实的重要数据支撑，也是
促进我国沼气工程提高生产运行水平的重要推动力。基于BDR 法核算的沼气产量与2014年上报的监测报告[17]中沼气产量1146.50×104m 3仅相差2.3%，核算数值较准确地反映了实际沼气产量。相比于利用
COD 进行快速估算的适用于废水厌氧消化的COD 核算法[31]，BDR 法以原料及厌氧消化系统的消化液甲烷潜力的变化率为依据，间接计算甲烷和沼气产量。由于BMP 和BDR 表征的是特定的可被厌氧微生物
降解转化成甲烷的有机物变化的量，采用BDR 核算法不仅能够准确地对沼气工程的产气量进行核算，同时也对降解动力学和有机物厌氧降解速率进行了描述，为评价厌氧反应器运行效率提供了全面的数
据支持。2.3.2
基于BDR 法的碳减排核算
BDR 法可准确核算沼气产量。同时，该核算值可应用于沼气发电项目碳减排的核算。根据方法学
ACM0010[32]确定的项目边界，包含了鸡粪的运输、畜禽粪便处理系统以及沼气发电系统。项目活动边
界如图3所示。
项目内容中产甲烷量的计算见式(3)。
图3
项目活动边界
Fig.3
Project boundaries 208
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