2020年07月09日
首頁 豐年雜誌 封面故事 厭氧消化與共消化 開啟農業循環經濟大門 化畜牧廢棄物為沼氣能源的綠能技術

厭氧消化與共消化 開啟農業循環經濟大門 化畜牧廢棄物為沼氣能源的綠能技術

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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