文．圖／周楚洋 國立臺灣大學生物機電工程學系副教授、國立臺灣大學生物能源研究中心主任 劉安琪 國立臺灣大學生物能源研究中心博士研究員 張寧 國立臺灣大學生物機電工程學系博士候選人
以厭氧消化處理農牧業有機廢棄物，不僅能減少廢棄物處理的問題，還能產製沼氣作為生質能源，是政府近年來鼓勵推廣的施政項目。
厭氧消化分解高分子有機物 消除廢棄物又獲取能源
厭氧消化是指在厭氧的環境下，厭氧微生物將複雜的高分子有機物經由代謝作用進行分解，並轉換為最終產物——沼氣的過程，可概分為水解、酸化及甲烷化三個階段。所謂複雜的高分子有機物即包含動物糞便、廢水汙泥、城市固體垃圾等有機廢棄物或任何其他可生物降解的物質。最終產物——沼氣的主要成分為甲烷和二氧化碳及其他微量氣體如氫氣、一氧化碳、氮氣和硫化氫等。由於甲烷的二氧化碳當量（CO2e，測量碳足跡的單位）約為25～27，若放任沼氣自然排放，將成為環境的一大負擔，如能妥善回收利用，則可供應作為家用熱源、畜禽幼仔保溫、焚化爐、發電或純化成天然氣，是最簡單的潔淨能源來源之一。
多種廢棄物同步分解 資源利用更全面的厭氧共消化
厭氧消化的概念近來已由單一物料的廢汙水處理，發展出將多種物料做混合處理，即同時混合多種不同比例、不同固體、液體廢棄物的處理方式，稱為共消化（co-digestion）。一般來說，含有機物的廢棄物都可以用於生產沼氣，但高濃度、易降解且均質的料源會有較佳的效益。
因為厭氧消化中，有機物中的碳氮比（C/N ratio）為極重要的影響因子。不適合的碳氮比會抑制醱酵反應，為了改善碳氮比，通常會混合其他有機物進行共消化，其最大的優點在於讓處理槽的有機負荷量有較大的緩衝空間。對含碳量高的農業廢棄物如玉米穗軸、燕麥稈、稻稈、麥稈、玉米秸稈、果菜廢棄物等，共消化被認為是較佳的處理方式，因為他們單獨進行厭氧消化時很難產生甲烷，但加入含氮量高的物質如動物糞便，並調整使碳氮比介於20～30之間，即有利於厭氧消化而生產沼氣（甲烷）。
含碳量高的稻稈搭配含氮量高的物質如動物糞便進行共消化，有利於厭氧消化而生產沼氣。（攝影／張雅茹）
共消化程序處理固液混合廢棄物的概念如圖二，優點包含：一、增進營養成分（例如碳、氮等）的平衡；二、改善顆粒的沉降、懸浮、酸化等狀況；三、可增加沼氣產量；四、增加可回收處理的廢棄物種類；五、額外的養分回收（例如土壤改良劑）；六、增加生物可分解之有機物的比例；七、提供緩衝的容量以穩定系統；八、可調整水分含量及酸鹼值；九、可以稀釋潛在的有害物質；十、加強微生物間的協同作用（Braun, 2002; Mata-Alvarez et al., 2000）。
料源穩定且局限性小 生質沼氣發電將是穩定的電力來源
臺灣歷年的能源供給，自產能源僅占總能源供給量的2%左右，雖然自產能源每年有50～60%的占比屬於生質能和廢棄物類別，以禽畜糞為材料進行厭氧消化的沼氣發電產業所占比例仍然很低，屬於臺灣正在起步的綠能產業，若能順利發展，提高自產能源占總能源供給的比例，將有利於臺灣朝向綠能國家發展，也能解決每年臺灣農業和禽畜廢棄物處理的問題。
德國為全世界最早施行《再生能源法》的國家，於再生能源上的發展已超過28年，其再生能源市場已進入自由競爭階段，除了生質沼氣發電外，其他再生能源並沒有保價收購（FiT）的誘因。為何德國政府會停止對主要再生電力來源（如風能與太陽電能）的保價收購而獨厚發電量僅占再生電力18.43%的生質沼氣發電？因為生質沼氣發電不受氣候與時間局限的特性，可以發揮穩定電網的功能，雖然發電成本較其他再生能源高，德國政府還是透過保價收購的政策，來維持一定比例的生質沼氣發電以收穩定電網之效（張瓊之，2017；劉勝男，2017；鄭閔謙，2016）。
2018年底臺灣豬隻在養頭數為543.6萬頭，占臺灣整體畜牧業產值的46.11%（財團法人中央畜產會，2019）。豬糞尿富含有機物，菌種的多樣性豐富及對各項厭氧醱酵抑制參數的緩衝良好，因此很適合做為沼氣發電的主要原料與菌種。利用行政院農業委員會「沼氣發電與再利用資訊網」（https://www.biogas.com.tw/benefit）的沼氣發電效益評估計算，543.6萬頭豬約能每年發電2億度，相對於2025年推估總電力需求2,575億度來說可謂杯水車薪。尋找其他可用來與豬糞尿共消化的生質料源已是刻不容緩的議題。目前的研究結果顯示，臺灣的主要農業廢棄物，如竹材及稻稈等，在不經任何前處理情況下可達與豬糞尿接近的沼氣產率與甲烷產率。如經適當的前處理，在豬糞尿與稻稈共消化的試驗中，稻稈體積占比為50%與25%兩種不同混合比例的情況下，皆可表現出優於豬糞尿的沼氣產率與甲烷產率。
周楚洋教授測試廢棄物不同混合比例的共消化沼氣產率。（攝影／李文揚）
農委會2017年度「農業廢棄物排放量」統計中指出，稻稈產量約為豬糞尿的1.5倍，如果將稻稈與豬糞尿共消化生產沼氣，再輔以正確的控制策略，沼氣發電可由現在推估的每年2億度電大幅提升到每年10億度電。再以豬糞尿與農業廢棄物共消化的沼氣發電廠為基礎，效法德國種植能源作物來增加沼氣發電的料源，將沼氣發電的年發電量逐年提升，才能在能源轉型的同時維持電網的穩定。
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