巴西的沼气提纯为生物甲烷：网络、技术和工业路径

《Sustainable Futures》：Biogas upgrading to biomethane in Brazil: Networks, technologies, and industrial pathways

巴西生物天然气行业从2003年的2家工厂发展到2023年的800余家，年产量达290亿立方米。研究通过文献计量和专利分析，揭示巴西生物天然气技术以PSA和膜分离为主，国际合作集中在美、中、德等国，但存在技术转化和废物管理短板。

　　### 生物天然气产业的全球发展与巴西的创新实践

随着全球对可持续发展的重视程度不断提升，废物管理已成为一个关键议题。传统的线性经济模式正逐步被循环经济理念所取代，其中生物天然气的生产与利用为解决废物处理与能源需求提供了新的可能性。生物天然气是一种通过厌氧消化技术从有机废弃物中提取的可再生能源，其升级后的形式——生物甲烷，具有更高的能量密度和更广泛的应用前景。巴西作为全球重要的生物能源生产国之一，在这一领域展现出了独特的潜力和发展路径。本文将探讨巴西生物天然气行业的演变过程，分析其在全球知识网络中的位置，以及相关技术的发展趋势。

#### 巴西生物天然气行业的快速发展

巴西的生物天然气产业在过去二十年间经历了显著的增长。2003年时，该国仅有2座生物天然气设施，而到2021年，这一数字已增至755座，年产量从108万立方米增长至23亿立方米。2023年的数据进一步表明，年产量达到了约29亿立方米。这一增长趋势不仅反映了巴西在生物能源领域的技术进步，也体现了国家对可再生能源发展的政策支持和市场需求的推动。

生物天然气的生产通常依托于垃圾填埋场、工业区和农业综合体，这种布局有助于实现废物的本地化处理和能源的就地生成。通过这种方式，巴西能够有效降低物流成本，同时促进区域经济的发展。生物甲烷的生产则是在生物天然气基础上进一步处理，去除主要杂质，提升其热值。目前，巴西已有17座生物甲烷生产设施，其中7座已获得国家石油局（ANP）的授权，预计2024年的日处理能力将达到约547,481立方米。这些设施的建立和运营，不仅提升了巴西在可再生能源领域的地位，也为工业和城市能源供应提供了新的选择。

#### 全球生物天然气知识网络中的巴西角色

为了更好地理解巴西在全球生物天然气知识网络中的位置，研究者们采用了文献计量学方法，分析了3289篇同行评审的学术论文和248项专利文献。研究结果显示，巴西在生物天然气领域的学术合作网络中占据重要地位，与多个国家建立了紧密的联系，包括美国、哥伦比亚、中国、瑞典、古巴和法国等。这些合作主要集中在以下几个方面：废物作为原料、反应器系统、环境影响、预处理技术、生物天然气升级和生物燃料生产。

从国际科学合作的角度来看，巴西的研究成果在全球范围内具有一定的影响力，但相较于中国、德国和意大利等国家，其学术产出仍然相对较少。然而，巴西在生物天然气技术领域的专利数量和质量也在逐步提升，特别是在膜分离、生物反应器设计和废物处理技术方面。这些专利不仅反映了巴西在该领域的技术创新，也为其在全球竞争中提供了有力的支持。

#### 生物天然气技术的发展与应用

生物天然气的生产涉及多种技术，包括厌氧消化、膜分离、压力变化吸附（PSA）等。其中，膜分离技术因其操作简便、能耗低而受到广泛关注，尤其是在中小型生物天然气设施中。PSA技术则被用于去除二氧化碳和其他杂质，以提高生物天然气的纯度。巴西的一些企业，如Cocal Energia，已经采用了这些技术，并将其应用于生物甲烷的生产。

此外，巴西的生物天然气设施还注重多产品模式，即在生产能源的同时，也生产生物肥料、热能等副产品。这种模式不仅提高了资源利用效率，还增强了设施的经济可行性。通过将生物天然气设施与废物来源紧密结合，巴西能够实现“零物流”配置，即废物直接输送到设施进行处理，无需长距离运输，从而降低运营成本并提高生产效率。

#### 技术创新与知识转化

尽管巴西在生物天然气领域取得了显著进展，但仍面临一些挑战。其中，一个主要问题是如何将本地产生的科学知识转化为实际应用的技术创新。虽然巴西在一些前沿技术领域拥有专利，但这些技术在工业应用中的扩散仍然受到一定限制。此外，巴西在市政固体废物管理方面仍存在较大问题，2023年仍有31.9%的市镇使用露天垃圾场作为最终处置地点，这在一定程度上影响了废物的循环利用。

为了解决这些问题，巴西需要进一步加强科学研究与工业应用之间的联系。通过推动高校与企业之间的合作，可以加速新技术的转化和应用。同时，政府也需要制定更加完善的政策和法规，以支持生物天然气技术的发展，并确保废物处理的可持续性。此外，巴西还应关注不同地区的废物特征，开发适合当地条件的处理技术，以实现生物天然气的高效利用。

#### 生物天然气在巴西的未来发展

未来，巴西的生物天然气产业有望进一步扩大，特别是在生物甲烷生产方面。随着技术的不断进步和政策的支持，预计到2030年，巴西的生物甲烷生产设施将利用约94%的现有产能。然而，要实现这一目标，还需要解决一些关键问题，如提高技术的经济可行性、优化废物处理流程、加强废物回收和再利用等。

为了推动生物天然气产业的发展，巴西需要采取一系列措施，包括建立可靠的市场退出机制、确保稳定的气体质量和接入标准、提供针对特定废物流的开发资金支持，以及促进大学研究成果向工业应用的转化。这些措施不仅有助于提升生物天然气的生产效率，还能增强其在能源市场中的竞争力。

#### 结论

巴西的生物天然气产业在过去二十年间经历了快速的发展，成为国家能源战略的重要组成部分。通过将生物天然气设施与废物来源紧密结合，巴西实现了资源的本地化利用和能源的就地生产，为解决废物处理和能源供应问题提供了新的思路。尽管在技术转化和废物管理方面仍面临挑战，但通过加强国际合作、推动技术创新和优化政策环境，巴西有望在生物天然气领域取得更大的成就。未来的研究应进一步关注生物天然气设施的性能和成本，以及如何在不同废物流和规模下实现技术的高效应用。