生物質(zhì)厭氧消化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系研究

袁艷文，孟海波，姚宗路，羅 娟

（農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100125）

0 引言

生物質(zhì)是指通過(guò)光合作用而形成的各種有機(jī)體，包括所有的動(dòng)植物和微生物。生物質(zhì)能則是太陽(yáng)能以化學(xué)能形式儲(chǔ)存在生物質(zhì)中的能量形式[1]。生物質(zhì)能原料包括農(nóng)作物秸稈[2]、畜禽糞便[3]、林業(yè)剩余物[4]、能源作物（植物）[5]、工業(yè)有機(jī)廢水、城市生活污水[6]和有機(jī)垃圾[7]等。據(jù)中國(guó)農(nóng)村能源統(tǒng)計(jì)，全國(guó)每年農(nóng)作物秸稈產(chǎn)生量約10億t，綜合利用率為83.67%；畜禽糞污產(chǎn)生量約38億t，30%以上未有效利用；農(nóng)產(chǎn)品加工剩余物產(chǎn)生量1.2億～1.5億t；林業(yè)剩余物產(chǎn)生量約3.5億t；有機(jī)垃圾產(chǎn)生量約2.0億t。由于收集損失及其他利用方式競(jìng)爭(zhēng)，可收集并能源化利用的生物質(zhì)資源量約7.1億t標(biāo)準(zhǔn)煤，生物質(zhì)能資源開(kāi)發(fā)利用潛力巨大。

厭氧消化是指在缺氧或無(wú)氧環(huán)境下，微生物分解代謝有機(jī)物，形成各種代謝產(chǎn)物，獲得能量和合成代謝前體，實(shí)現(xiàn)自身生長(zhǎng)和繁殖的代謝過(guò)程。具體可以分為4個(gè)階段：水解、酸化、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸和甲烷化4個(gè)階段[8]，也可簡(jiǎn)化成厭氧發(fā)酵和甲烷化2個(gè)階段。目前生物質(zhì)厭氧消化技術(shù)工藝包括全混式(CSTR)、塞流式(PFR)、升流式(USR)、升流式厭氧污泥床(UASB)等濕法發(fā)酵工藝和固態(tài)發(fā)酵、固態(tài)物料兩相沼氣發(fā)酵(SAPS)等干法發(fā)酵工藝。厭氧消化技術(shù)將生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化為各種有機(jī)酸、氫氣以及甲烷等氣體，經(jīng)凈化或提純后可作為生物質(zhì)氣體燃料使用[9]，生物質(zhì)氣體燃料燃燒產(chǎn)生的CO2凈排放量近似為零[10]；NOx、SO2排放量較低[11]。利用生物質(zhì)氣體燃料替代化石燃料，對(duì)保護(hù)生態(tài)環(huán)境，發(fā)展社會(huì)經(jīng)濟(jì)，實(shí)施能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略有著重大的現(xiàn)實(shí)意義[12]。

目前，中國(guó)制定的生物質(zhì)厭氧消化技術(shù)方面的標(biāo)準(zhǔn)主要集中在沼氣技術(shù)、設(shè)備、產(chǎn)品等方面。蒲施樺等[13]研究表明，目前中國(guó)發(fā)布的農(nóng)村沼氣標(biāo)準(zhǔn)主要涵蓋沼氣池圖集、施工驗(yàn)收規(guī)范、沼氣利用及配套產(chǎn)品、沼氣工程、沼氣綜合利用、沼氣開(kāi)發(fā)模式等；董保成等[14]研究表明，沼氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)50%以上主要集中在戶(hù)用沼氣池領(lǐng)域，且產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)約占50%尤其是側(cè)重于規(guī)定具體產(chǎn)品和技術(shù)條件類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，而方法與準(zhǔn)則類(lèi)通用類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)僅僅約占2%。在厭氧消化其他類(lèi)技術(shù)和產(chǎn)品方面以及沼氣工程的原料檢測(cè)、收儲(chǔ)運(yùn)等方面都缺乏相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，影響了標(biāo)準(zhǔn)的完整性和系統(tǒng)性，本研究擬在借鑒國(guó)外先進(jìn)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合中國(guó)生物質(zhì)厭氧消化技術(shù)發(fā)展的實(shí)際情況，研究和建立中國(guó)生物質(zhì)厭氧消化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，促進(jìn)生物質(zhì)厭氧消化技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈的完善，同時(shí)有利于相關(guān)企業(yè)建設(shè)有章可循，政府部門(mén)監(jiān)督和管理有據(jù)可依，以期為生物質(zhì)厭氧消化技術(shù)的開(kāi)發(fā)與推廣創(chuàng)造良好的條件。

1 國(guó)內(nèi)外生物質(zhì)厭氧消化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，國(guó)外厭氧消化技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但在標(biāo)準(zhǔn)制定方面，德國(guó)、英國(guó)等歐洲厭氧消化技術(shù)發(fā)達(dá)的國(guó)家主要側(cè)重于與沼氣相關(guān)的礦用燃?xì)忸?lèi)、城市污水、污泥處理的厭氧生物降解能力評(píng)定方法類(lèi)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定，其他包括加拿大、美國(guó)等國(guó)家也制定了垃圾、污水處理等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但未建立完整的生物質(zhì)厭氧消化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。

1.1.1 德國(guó)標(biāo)準(zhǔn) 目前只有德國(guó)制定了針對(duì)農(nóng)業(yè)廢棄物生產(chǎn)沼氣的安全標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)由德國(guó)農(nóng)業(yè)職業(yè)健康與安全局(German Agricultural Occupational Health and SafetyAgency)于2008年制定，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了農(nóng)場(chǎng)沼氣系統(tǒng)的建設(shè)與運(yùn)行要求。德國(guó)規(guī)定了壓力低于0.01 MPa的農(nóng)業(yè)沼氣系統(tǒng)的法規(guī)，并需提供工程設(shè)計(jì)公司、承包商、經(jīng)營(yíng)者和雇員、保險(xiǎn)公司等有關(guān)信息。在德國(guó)有一套完善的沼氣工程質(zhì)量控制法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，如安全操作規(guī)程(Operational Safety Regulations)、農(nóng)業(yè)貿(mào)易協(xié)會(huì)安全規(guī)程(Agricultural Trade Association Safety Regulations)、歐盟機(jī)械指南(EU Machinery Directive)、德國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(DIN Standards)等都對(duì)沼氣工程適用。

1.1.2 加拿大標(biāo)準(zhǔn) 加拿大標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)制定了厭氧消化氣體和垃圾填埋氣規(guī)范《Code for Digester Gas and Landfill Gas Installations》，該規(guī)范規(guī)定了建設(shè)和安裝標(biāo)準(zhǔn)，主要用于污水處理和垃圾填埋氣，并不包括農(nóng)業(yè)廢棄物制備的沼氣。其中安大略省在農(nóng)業(yè)廢棄物沼氣的處理和使用方面處于領(lǐng)先地位，已經(jīng)制定了標(biāo)準(zhǔn)《Gaseous Fuels Regulation 2001》，要求燃?xì)夤艿腊惭b者需經(jīng)技術(shù)安全標(biāo)準(zhǔn)局批準(zhǔn)的公司認(rèn)證，同時(shí)需要遵守標(biāo)準(zhǔn)《Boilers and Pressure Vessels Regulations 2001》。此外，2015年加拿大標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)頒布實(shí)施了標(biāo)準(zhǔn)《B149.6-15 Code for digester gas,landfill gas,and biogas generation and utilization》，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了新建污水處理工程、填埋氣系統(tǒng)、沼氣工程等的消化氣的生產(chǎn)、處理、儲(chǔ)存和利用的系統(tǒng)安裝。

1.1.3 美國(guó)標(biāo)準(zhǔn) 美國(guó)的每個(gè)州都有各自的關(guān)于氣體安全和空氣質(zhì)量的立法、政策、標(biāo)準(zhǔn)和指導(dǎo)方案。因此，關(guān)于沼氣的任何具體的規(guī)定并不能直接被搜索到。1998年，美國(guó)能源部喬治亞理工研究院出版了一本沼氣利用手冊(cè)《Biogas Utilization Handbook》，該書(shū)包括沼氣的安全與使用以及涉及工業(yè)生產(chǎn)的沼氣生產(chǎn)和使用的許多其他方面，并為小型農(nóng)場(chǎng)沼氣工程的建設(shè)提供了參考。

1.2 國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，中國(guó)生物質(zhì)厭氧消化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要集中在沼氣領(lǐng)域，已發(fā)布沼氣相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)100余項(xiàng)，其中沼氣相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)有65項(xiàng)[15]，包括國(guó)標(biāo)10項(xiàng)，農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)50項(xiàng)[16]。其他輕工業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)2項(xiàng)，機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)2項(xiàng)，教育行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)1項(xiàng)[14]。從沼氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成分析，目前的標(biāo)準(zhǔn)主要集中在戶(hù)用沼氣池領(lǐng)域（國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)24項(xiàng)），約占1/2，且頒布的戶(hù)用沼氣標(biāo)準(zhǔn)規(guī)中，《沼氣閥》、《家用沼氣灶》等沼氣生產(chǎn)和使用過(guò)程的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)約占50%，而方法與準(zhǔn)則類(lèi)通用類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)僅僅只有幾項(xiàng)。同時(shí)，現(xiàn)行農(nóng)村沼氣標(biāo)準(zhǔn)有很大一部分是戶(hù)用沼氣推廣應(yīng)用，尤其側(cè)重于規(guī)定具體生產(chǎn)和使用產(chǎn)品，以及技術(shù)條件類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)生物質(zhì)厭氧發(fā)酵原料、產(chǎn)品、工程評(píng)價(jià)等方面的標(biāo)準(zhǔn)仍是空白，亟需對(duì)此進(jìn)行補(bǔ)充完善。標(biāo)準(zhǔn)不配套、不均衡等問(wèn)題凸顯[17]。

2 生物質(zhì)厭氧消化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系的研究

2.1 制定標(biāo)準(zhǔn)體系的目的與作用

標(biāo)準(zhǔn)體系是指一定范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)按其內(nèi)在的聯(lián)系形成的科學(xué)的有機(jī)整體[18]。是指導(dǎo)今后一定時(shí)期內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)制、修訂、立項(xiàng)以及標(biāo)準(zhǔn)科學(xué)管理的基本依據(jù)，其組成包括已有的標(biāo)準(zhǔn)、在編的標(biāo)準(zhǔn)和擬編的標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)編制說(shuō)明。制定生物質(zhì)厭氧消化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，可有效促進(jìn)厭氧消化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展，確保生物質(zhì)厭氧消化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)編制工作的有序開(kāi)展，減少標(biāo)準(zhǔn)之間的重復(fù)與矛盾，使標(biāo)準(zhǔn)之間協(xié)調(diào)、配套、合理[19]。

2.2 制定原則

2.2.1 完整性原則 標(biāo)準(zhǔn)體系的對(duì)象及其相關(guān)要素是一個(gè)相互關(guān)聯(lián)、相互制約的整體，范圍應(yīng)明確并相對(duì)完整。

2.2.2 系統(tǒng)性原則 標(biāo)準(zhǔn)體系從原料、工程分類(lèi)、產(chǎn)品各方面涉及的標(biāo)準(zhǔn)很多，應(yīng)以系統(tǒng)的整體效益（包括技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等效益）最佳為目標(biāo)，有計(jì)劃、有組織的進(jìn)行[20]。

2.2.3 協(xié)調(diào)性原則 標(biāo)準(zhǔn)體系內(nèi)各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的制定及實(shí)施應(yīng)相互配合，所包含的標(biāo)準(zhǔn)可以是不同層次的，但不能有相互重疊或者矛盾的內(nèi)容[21]。

2.2.4 動(dòng)態(tài)性原則 標(biāo)準(zhǔn)體系是一個(gè)動(dòng)態(tài)的、不斷完善的系統(tǒng)，標(biāo)準(zhǔn)體系應(yīng)在充分選用現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，隨著技術(shù)的更新、產(chǎn)業(yè)鏈的延伸，及時(shí)修訂和補(bǔ)充。

2.3 總體框架和標(biāo)準(zhǔn)體系

2.3.1 總體框架 標(biāo)準(zhǔn)體系的框架結(jié)構(gòu)關(guān)系一般可分為上下層之間的層次關(guān)系，或按一定的邏輯順序排列起來(lái)的序列關(guān)系，或用板塊表示的組成關(guān)系，也可以是由以上幾種關(guān)系相結(jié)合的組合關(guān)系[18]。本標(biāo)準(zhǔn)體系框架由上下層的層次關(guān)系和生物質(zhì)厭氧消化技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈的邏輯關(guān)系組合而成，將生物質(zhì)厭氧消化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系分為基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)、通用標(biāo)準(zhǔn)和專(zhuān)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)3個(gè)層次（見(jiàn)圖1）。產(chǎn)業(yè)鏈包括原料收儲(chǔ)運(yùn)、預(yù)處理、厭氧消化、產(chǎn)品、配送和用戶(hù)等環(huán)節(jié)（見(jiàn)圖2）。

2.3.2 標(biāo)準(zhǔn)體系

圖1 生物質(zhì)厭氧消化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系框架

圖2 生物質(zhì)厭氧消化技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈

（1）基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)?；A(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)包含生物質(zhì)厭氧消化領(lǐng)域的通用條款的標(biāo)準(zhǔn)，它可以作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)直接加以應(yīng)用或作為其他標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)和基礎(chǔ)[21]?；A(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)主要包括生物質(zhì)厭氧消化技術(shù)的術(shù)語(yǔ)、圖形、分類(lèi)等標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)是制定其他板塊中標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)和基礎(chǔ)，具有普遍的指導(dǎo)意義。

（2）通用標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)生物質(zhì)厭氧消化領(lǐng)域的通用性標(biāo)準(zhǔn)。包括原料收儲(chǔ)運(yùn)、厭氧消化設(shè)備、產(chǎn)品生產(chǎn)應(yīng)用、工程運(yùn)行管理、生態(tài)環(huán)境保護(hù)等；包括厭氧消化制有機(jī)酸、制氫氣以及制沼氣等的技術(shù)規(guī)范、施工規(guī)程、運(yùn)行管理規(guī)程、驗(yàn)收規(guī)范、產(chǎn)品使用技術(shù)規(guī)范等。

（3）專(zhuān)用標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)生物質(zhì)厭氧消化領(lǐng)域某一具體對(duì)象的專(zhuān)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。包括厭氧消化設(shè)備零部件、專(zhuān)用設(shè)施設(shè)備等；包括厭氧消化工程的反應(yīng)器、脫硫器、輸氣或配送系統(tǒng)的關(guān)鍵部件等。

2.4 近期擬制定的標(biāo)準(zhǔn)

按照生物質(zhì)厭氧消化領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)和市場(chǎng)需求，同時(shí)根據(jù)輕重緩急的原則，結(jié)合中國(guó)實(shí)際情況，目前亟需完善的是沼氣相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)層面建議近期制定沼氣術(shù)語(yǔ)標(biāo)準(zhǔn)，通用標(biāo)準(zhǔn)層面建議制定序批式厭氧干發(fā)酵沼氣工程設(shè)計(jì)規(guī)范，能源化利用秸稈收儲(chǔ)站建設(shè)規(guī)范，生物質(zhì)沼氣項(xiàng)目評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范，沼氣、生物天然氣配送技術(shù)規(guī)范，生物質(zhì)沼氣工程安全、衛(wèi)生和環(huán)境保護(hù)等標(biāo)準(zhǔn)，專(zhuān)用標(biāo)準(zhǔn)層面建議針對(duì)大中型沼氣工程在沼氣提純、集中供氣、發(fā)電、生物天然氣配送等方面制定相關(guān)國(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)論

本研究在全面分析國(guó)內(nèi)外厭氧消化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，探討了中國(guó)生物質(zhì)厭氧消化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建原則、總體框架和包含的部分標(biāo)準(zhǔn)名稱(chēng)，該標(biāo)準(zhǔn)體系的提出與構(gòu)建，有利于提高生物質(zhì)厭氧消化領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置和管理水平，減少標(biāo)準(zhǔn)之間的重復(fù)與矛盾，使生物質(zhì)厭氧消化領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)化工作有計(jì)劃、有秩序地進(jìn)一步補(bǔ)充完善，為生物質(zhì)厭氧消化行業(yè)的發(fā)展提供技術(shù)支撐和保障。