2020年07月09日
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【沼氣發電】豬糞尿氣味轉化電熱能 全密閉厭氧效能解析

根據行政院農業委員會《養豬頭數調查報告》統計,截至2018年11月底臺灣毛豬飼養場為7,241場,毛豬在養頭數約544.7 萬頭,飼養規模199 頭以下最多約42.7%,5,000 頭以上僅126場約1.74%。

對於再生能源業者而言,較不願意投資小規模養豬場發展沼氣發電,導致小規模養豬場即使自行設置沼氣發電設備,大多為自用,而無法售電。儘管臺灣較大規模養豬場不到2%,行政院農業委員會設定2019 年沼氣發電豬隻達200 萬頭,2020年將達250萬頭,2017年12月底,臺灣已有43場養豬場投入沼氣發電,飼養頭數約37萬頭。小規模養豬場雖然易發展沼氣發電,但仍有業者整合區域資源,將豬糞尿轉化為可利用資源。

全密閉厭氧發酵技術,解套低濃度廢水處理

來自高雄市的眼科醫師陳征宇,因結識植物保護、農業生產技術專家葉天勳等人,2015年開始投入生質能源事業,並於所經營的征宇科技股份有限公司增設相關部門,2016 年於屏東縣九如鄉承租土地,建造區域型沼氣發電中心,收集附近養豬場豬糞尿廢水發展沼氣發電,並於2017年協助雲林縣褒忠鄉潮厝村20場養豬場處理約18,000 ~ 20,000頭豬隻豬糞尿廢水,發展沼氣發電,並解決潮厝村長期因豬糞尿氣味而引起的爭議。

此20場養豬場於1992年建置褒忠鄉潮厝區養豬廢水共同處理場,超過20年的處理設施因年久失修,且紅泥沼氣袋破損,導致液體流出、異味飄散引起民怨,但陳征宇引進密閉蓋膜式厭氧發酵池,全密閉沼氣袋可容納6,000立方公尺沼氣,不會滲水改變袋內酸鹼值而影響發酵程度,且袋內達絕對厭氧,加上槽內循環系統的改善,可有效處理因大量水稀釋而未達10% 固體濃度的廢水。

此外,以設置溝渠將臨近20場養豬場豬糞尿廢水輸送至養豬廢水共同處理場,豬糞尿廢水先透過柵欄過濾樹枝、樹葉,接著進行固液分離,待液體進入調整池後,定時定量抽取液體進入厭氧發酵池,以確保池內生態穩定。厭氧發酵所產生的沼氣經生物脫硫、脫水系統,可避免引擎損壞,後續進入引擎即可產生電能,並與台灣電力公司同步併網。引擎運作產生的熱水透過管線進入調整池冷卻,同時其熱度也可加溫調整池,增加發酵效果。

陳征宇說明,沼氣若有硫、水,對引擎皆有害無益,因此須脫硫、脫水後才能延長引擎使用年限;然而沼氣雖已脫水,仍有些許水分,於是管線不能水平設置,否則將因水分而縮小管徑。此外,管線仍會因熱漲冷縮而產生耗損,因此須定期維護,但由於使用成本較高的高密度聚乙烯(HDPE)管線材質,使用年限可達40 ~ 50年,若再加上特殊焊接技術,即使輸送豬糞尿,管線也不會阻塞。

沼氣發電過程中,若引擎出現故障,但仍持續產生沼氣,可拉開沼氣袋頂端安全閥,或以沼氣燃燒塔處理,方可避免發生危險,並利用全方位遠端監控系統確認是否異常。

為了加強鞏固沼氣袋,使用繩索固定於發酵池周圍,並於沼氣袋頂端設置安全閥作為緊急應變措施。

全天候沼氣發電,引擎優化能源利用率

沼氣主要成分甲烷的全球暖化潛勢(GWP)為二氧化碳25倍,因此若燃燒甲烷轉換成二氧化碳,不僅可產生電能,亦能降低溫室效應。陳征宇說明,森林、湖底等光照未到之處,皆為大自然厭氧發酵場域;因植物會吸收來自空氣中的二氧化碳,當植物成了食物,被動物食用後產生的糞便或農業廢棄物,於自然界慢慢降解成小分子,最後回歸於自然,若先收集甲烷產生電能、熱能,其產生的二氧化碳便再循環回歸大氣中,可有效減緩溫室效應,沼液、沼渣也回歸農地循環利用。他強調,對比容易受氣候、環境、日照影響的太陽光電,沼氣發電除了不產生廢棄物之外,還可24 小時發電。

依蘇忠楨於〈畜牧業沼氣生物脫硫系統開發及世界沼氣工廠市場評估〉指出,臺灣養豬場經厭氧發酵處理後所產生的甲烷濃度可高達60.06%~ 76.95%,並能進行沼氣發電。陳征宇補充,每頭豬平均每天可產生約0.1 ~ 0.15 立方公尺沼氣,原本1公噸豬糞尿可產生約30立方公尺沼氣,但養豬業者使用大量水清洗豬舍,導致5公斤豬糞尿稀釋為30公斤,1公噸豬糞尿只可產生約5立方公尺沼氣。

褒忠鄉潮厝區養豬廢水共同處理場沼氣發電系統於2017年11月8日~2018年11月8日期間發電量總計約66萬度電,有效再利用低濃度豬糞尿,每日處理豬糞尿廢水量約450公噸。其中,沼氣發電機採用德國引擎,可達近40%變電效率,另有40%熱效率可加熱發酵池,每1立方公尺沼氣可產生2度電;與一般渦輪機26%變電效率相比,每1立方公尺沼氣產生1.5度電。

尋找區域型廢水處理最適分潤模式

沼氣發電的豬糞尿廢水來源須含10%以上固體濃度,大規模養豬場較容易控制水量、水質,且有資本投入高床式飼養,可減少用水量,因此豬糞尿廢水濃度較高,但對比養豬廢水共同處理場聯合處理豬糞尿廢水來說則相當不易。

潮厝村20場養豬場之一,也是養豬廢水共同處理場管理人林頌舜說:「很難協調20戶養豬場,且各家排放水量、水質皆不相同,因此僅能在處理場內集中控制、調整。」多數養豬業者沒有沼氣發電相關知識,早期養豬廢水共同處理場沼氣發電室曾設置3臺發電機,運作2年節省約20多萬元電費,維修費卻高達60多萬元,養豬業者其實很難相信征宇科技股份有限公司設置的沼氣發電機組可24小時發電。他坦言,每人各有專精領域,沼氣發電應交由專業人員或公司開發管理。

陳征宇認為,若要與養豬業者合作,一開始不要讓養豬業者負擔太大,也無須費心調整機器。他提出4類可行分潤方案,一為養豬業者購買發電設備,設備商進行運轉維護,分潤比例各為70%、30%;二為雙方各自支付50%費用投資發電設備,分潤比例各為一半;三為養豬業者不購買發電設備,但自建發酵設備且沼氣足夠,分潤比例各為30%、70%;四為養豬業者不出資,僅提供土地,分潤比例各為5%、95%。養豬廢水共同處理場沼氣發電系統設備皆為征宇科技股份有限公司設置,投資報酬率約10%,並回饋3%給養豬業者。

豬糞尿廢水之外,進擊轉化廚餘

陳征宇下一步預計於臺南市、雲林縣建置厭氧發酵生質能循環利用中心,將引進德國利普罐技術(Lipp Tank)模組化設備,其桶槽可處理廚餘、稻稈、豆渣、酒糟等物料,且不須花費過多搭建時間,4個月即可完工,可耐颱風及7級地震。

沼氣發電循環流程

豬糞尿經收集、利用後,經發酵產生的沼氣產生電、熱,使甲烷成為全球暖化潛勢較低的二氧化碳,循環回歸大氣中供植物吸收,而處理過程產生的沼液、沼渣亦能回歸農地循環使用。

物料於進廠當日即進行密閉儲存,利用篩檢機先篩選無機物,剩餘有機物須經絞碎、加水稀釋至10%固體濃度,加熱、消毒後送至大型密閉式暫存槽,接著每天定量送至前處理槽調整含水量、鹽分、油質等等,最後進入全密閉厭氧發酵槽,發酵產生沼氣、電能、熱能,而剩餘水分繼續循環稀釋,沼液、沼渣則可重回農地作為有機肥料。

陳征宇表示,此技術約20天即可降解80%~90%有機質,且不耗能、友善環境、建設速度快,可緊急處理全面禁止廚餘養豬後的廚餘問題或其他農業廢棄物,將與廚餘回收、堆肥等相關業者積極合作,以達成循環經濟的目標。

養豬場常出現在人們心中「不要在我家後院」的事業名單之一,總擔心其產生的氣味、廢水影響居住環境,但對臺灣超過半數的小型養豬業者而言,做好水汙染防治措施已耗費許多氣力,更別說投入心力研究沼氣發電。

區域型沼氣發電中心無異是一種跨域合作型態,養豬業者可安心養豬,再生能源業者發揮專業投入設備研究以獲取效益,社區居民也能藉此享有良好居住品質,環境亦能獲得更友善的對待,在各族群與生態平衡中,達到循環農業與永續發展的目標。

●本文摘錄自《豐年雜誌》2019年4月號。《豐年雜誌》電子書平台:udn讀書吧TAAZE 讀冊生活HyReadZinio華藝線上圖書館Kono

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