金剛組合術 能源生產加廢棄物處理技術 沼氣循環利用的國際案例

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畜牧糞尿等廢棄物所形成的沼氣,成為近年再生能源的熱門議題。(攝影/王士豪)

文.圖/魏良佑 財團法人農業科技研究院助理研究員
    林祈泓 財團法人農業科技研究院研究專員

全球對於蛋白質的需求與日俱增,來源主要有豆類植物、蟲體蛋白、養殖漁業和畜牧業。為此,畜牧產品的需求高度成長,隨著產量增加,伴隨來的畜牧糞尿等廢棄物同步成長,對環境的衝擊也隨之加大,因此各國開始發展廢棄物的管理和改善方式,更進一步發展再利用技術,包含營養鹽和水資源利用,以及近年來的熱門議題沼氣再生能源,本文希望借鏡歐盟的沼氣循環利用案例,提供臺灣沼氣業界發展的參考。

氣候變遷的衝擊下,聯合國永續發展目標(Sustainable Development Goals,SDGs)是國家和個人參照的重要發展途徑,循環利用則是邁向環境永續和淨零排碳的重要方法。由於沼氣對於溫室氣體的影響約是二氧化碳的25倍,其組成又以甲烷為主,因此如何管理畜牧業甲烷排放,妥善進行資源化利用,是重要的課題。

歐盟成員國沼氣廠密度
歐盟成員國沼氣廠密度。(資料來源/SAF Ukraine 2018)

三階段廢水處理 資源化利用性質大不同

為降低對環境的衝擊,畜牧場皆須進行三段式廢水處理程序。第一階段是固液分離,將糞尿廢水中的固體和液體分離取出;第二階段是厭氧處理,將前段的液體部分經由厭氧醱酵槽和厭氧菌,轉化豬尿廢水中的有機質,此時會產生沼氣;第三階段是好氧處理,以曝氣過程處理混合的活性汙泥(微生物)與廢水(有機物),藉由好氧性微生物分解有機物。

糞便等廢棄物是有機物質,在厭氧環境下的醱酵後,微生物先將複雜的有機物分解為另一種形態的微生物,再將分解後的有機物與二氧化碳形成甲烷(CH4),含量約在55~70%之間,其餘成分包括二氧化碳(28~45%)、氮和氨等不可燃氣體,及一氧化碳、硫化氫等可燃性氣體。而不同的溫度、溼度、酸鹼度、微生物菌種、醱酵時間等因素,會影響沼氣的組成。

三段式廢水處理後可以資源化利用的部分,大致分為三個類型:①液體狀態的沼液,仍含大量植物所需的氮、磷、鉀、礦物質等營養分,可作為農地肥分及灌溉用水;②經由脫水處理後的固體狀態的汙泥,具有相當的活性,可以供給工業廢水處理,提升其處理效能;③沼氣部分可進行燃氣利用,或經過脫硫處理後進行發電。

過去畜牧業的糞尿通常作為堆肥處理,針對其對環境的影響,各國制定了相關的管理規定。如歐盟於1992年的共同農業政策(Common Agricultural Policy,簡稱CAP)和良好農業規範(Good Agricultural Practices,GAP),針對氨氮營養鹽的硝酸鹽指令(Nitrate Act)、飲用水指令(Drinking Water Quality Directive)。此外,2016年12月14日限制會員國降低二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx),以及非甲烷揮發性有機化合物和氨(NH3),而英國亦制定了「清潔空氣戰略」(Clean Air Strategy)妥善利用氨氮。

2016年沼氣場使用介質
2016年沼氣場使用介質。(資料來源/DBFZ Betreiberbefragung Biogas 2017)

沼氣可替代天然氣 良好的循環經濟方式

由於沼氣可以作為生質能源使用,屬於再生能源,歐盟於2009年發布再生能源指令(EU Renewable Energy Directive,RED),期能促進可再生能源生產,減緩氣候變化,降低進口化石能源的依賴,並訂出2020年再生能源20%的目標,且接續於2018年發布REDII,希望於2030年再生能源占比32%。丹麥於1995年建立集中式沼氣和堆肥廠,將沼氣與其他類型的材料(如麥稈農業副產物、生廚餘等)進行沼氣共醱酵,以提高沼氣產量,由於相關的集中和處理技術已然成熟,因此丹麥2025年設定50%以上的集中處理目標。而德國為推動沼氣利用,於2004年推動再生能源法(Renewable Energy Act),其他如美國、南非等皆有設定管理規範。

德國、丹麥、義大利的沼氣發展現況
德國、丹麥、義大利的沼氣發展現況。

為此,沼氣從農業利用,擴展到再生能源等方面有下列特點:

‧沼氣為一種可替代天然氣的可再生能源,源自有機材料進行厭氧消化而產生。

‧來自工業和家庭的糞便、汙水汙泥和其他有機廢物類型,是合適的原料。

‧沼氣生產是能源生產和廢棄物處理技術的結合。

‧當糞便用於生產沼氣時,處理和儲存汙泥,可使溫室氣體排放量減少。

‧沼氣生產的副產品是優質天然肥料。

‧沼氣是良好的循環經濟方式。

歐盟沼氣業者主要受到歐盟關於可再生能源、溫室氣體行動方案、廢棄物管理、廢水處理和環境保護的指令和法規規範發展,但成員國的沼氣開發受到各國沼氣法律、規範和商業發展等方面而有所差異,且近年對於能源作物有部分限制。

氣候行動方案調整 沼氣行業面臨挑戰

以德國為例,希望於2030年降低30%的能源消耗(相對於2008年)、再生能源比例達30%、溫室氣體排放減少55%(相對於1990年),並承諾2050達到淨零。而沼氣的發展希望在2025年達到30%的糞便共消化(co-digestion),以及70%的沼氣廠具備沼氣儲存能力。

身為全球最大的沼氣生產國,德國占歐盟沼氣總產量的50%。由於能源法案對目標進行補貼,除了禽畜糞沼氣利用外,規畫能源作物生產形態的方式促進沼氣產業發展,於2018年德國約有9,706家沼氣廠。然而,有關生物甲烷市場尚未健全,又因氣候行動方案調整,能源政策對於沼氣的補助降低,且希望農田回歸農業原有糧食作物和農地多功能效益,沼氣行業面臨挑戰。

義大利是歐洲沼氣產業最發達的國家之一,沼氣廠數量僅次於德國;占歐盟的9%,主要用於發電,發電量僅次於德國,沼氣事業來源以農業料源為主。而能源發展規範牽動其產業發展,除了原有補貼外,採取多種刺激產業和調整結構方案,於2018年簽署生物甲烷法令,旨在促進生物甲烷的生產,以提升綠色燃料在交通運輸領域的比例,且採取歐盟最高的補貼額度,降低低功率的沼氣發電廠補助,支持(投資升級裝置)利用廢棄物產生沼氣的生產商等,然而生物甲烷生產成本高,市場需求仍待改善。

丹麥一開始是以廢水處理進行沼氣事業,且主要作為供熱使用,於2009年訂下目標在2020年將丹麥50%糞便轉化為能源(1,800萬公噸)的目標,設定政策補貼大型沼氣廠,發展至90家大型業者,後因氣候行動計畫,以固體燃料作為再生能源主力,對於沼氣發電降低和分配補貼額度,並輔導轉型設立再生天然氣廠。

德國、丹麥、義大利沼氣生產之比較
德國、丹麥、義大利沼氣生產之比較。

沼氣的利用與農業生產模式、廢棄物管理再利用和能源政策的調整息息相關,以臺灣為例,正積極朝向農牧利用的方式,應用沼渣、沼液的肥分和水資源再利用進行施灌,而沼氣的生成是5,000頭豬隻以上的畜牧場具有商業運營價值。然而,臺灣畜牧場的沼氣少有脫硫過程,造成發電和設備耗損極大,且發電的補貼缺乏發展誘因。不過,若以再生能源發展趨勢,降低溫室氣體效應,朝向淨零排碳的方向來看,建議採用沼氣加熱應用和地區微電網設置自用,搭配儲能設備的再利用途徑;另一方面,積極開發應用循環農業多元處理農副產物,應用共消化技術提高沼氣生成率,開發固體燃料顆粒生質能應用,達到循環利用和淨零碳排的目標。

臺灣禽畜糞尿再利用處理流程
臺灣禽畜糞尿再利用處理流程。(攝影/王士豪)

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