农业与畜牧业残余物厌氧消化产沼气的区域潜力评估：以马达加斯加分散式户用系统为例

《Sustainability》：Exploring the Role of Monetary Policy, Environmental Sustainability, and Digital Banking in Promoting SME Growth in Nigeria Amid Economic and Geopolitical Uncertainty

　　

马达加斯加面临严峻的能源挑战，同时每年产生大量农业与畜牧业残余物，这些残余物目前管理不善或被露天焚烧。本研究评估了马达加斯加农业区通过分散式农场级厌氧消化（AD）利用可回收农业残余物生产沼气用于家庭能源的潜力，并识别了沼气生产潜力最高的区域。研究将24个区域的有机底物生产数据与残余物-产品比（RPR）、总固体（TS）与挥发性固体（VS）含量以及畜禽粪便特性相结合。结果表明，马达加斯加全境理论沼气潜力约为2389 Mm3?y?1，可用能源约为129,319 TJ?y?1。Sofia区域沼气潜力最高，其次是Atsimo-Andrefana和Atsinanana区域。研究还通过处理2.5 m3消化器中的牛粪，评估了农场级分散式AD的可持续性，估算通过沼气燃烧每人每天可节省约5.65 kg木材，并在能源安全改善和森林砍伐减少方面具有显著的附带效益。初步反应器设计考虑采用10% TS浆料浓度和30天水力停留时间（HRT）。尽管分散式AD具有清洁可再生能源生产、减少森林砍伐和高效废物管理等重要优势，但其推广部署的关键制约因素涉及成本和反应器维护，后者需要技术人员，同时还需与当地利益相关者（农民和居民）进行知识共享以强调农场级沼气生产优势。此外，政府可能需提供专项财政激励以推动马达加斯加分散式AD的推广。这些初步发现证明了马达加斯加通过分散式AD利用农业和畜牧业残余物进行可再生能源生产的显著理论潜力，同时强调了在实际AD开发中需谨慎处理原料收集、物流、水资源可用性、基础设施和制度约束等问题。

论文解读：马达加斯加农业与畜牧业残余物厌氧消化产沼气的区域潜力与分散式应用评估

一、研究背景与问题

能源是现代社会经济发展的核心驱动力，支撑医疗、农业、教育、工业等广泛领域。随着人口增长、城市化和工业发展，全球能源需求持续攀升，预计2050年全球能源消费将比2022年高出34%。这一增长趋势加剧了对化石燃料的依赖，引发能源安全、环境影响和气候变化等重大关切。因此，各国正加速向可再生清洁能源转型，这与联合国2030年可持续发展议程中的可持续发展目标7高度契合，该目标旨在确保人人获得负担得起、可靠、可持续的现代能源。

在可再生能源中，生物质因其分布广泛和能源生产潜力巨大而备受关注。农业和畜牧业有机残余物的资源化利用既能贡献可再生能源生产，又能减少废物及其环境影响。厌氧消化（AD）作为一种成熟的生物转化技术，可在无氧条件下将农业残余物、食物垃圾、污水污泥和畜禽粪便等可生物降解有机物料转化为以甲烷（CH₄）和二氧化碳（CO₂）为主要成分的沼气，同时产生富含营养的消化液，可作为有机肥料回用于农业。AD技术灵活，可适用于从家庭小型系统到大型集中式工厂的不同规模，尤其适合发展中国家的分散式能源生产需求。

马达加斯加农业是国民经济主要部门，贡献约25%的国内生产总值（GDP），雇佣约70%的活跃人口。然而，农业扩张导致农业残余物大量产生且管理不善，每年超过一百万吨作物残余物被遗弃在路边或稻田附近并被焚烧，严重危害公共健康并导致环境退化和温室气体排放。与此同时，马达加斯加电力普及率极低，2024年仅42.5%的人口获得电力，城乡差距显著：城市电气化率约75.9%，而农村仅26.5%，约67%的人口居住在农村。尽管电力普及有限，马达加斯加拥有丰富的可再生能源资源，生物质约占国家一次能源供应的80%，但仍以传统低效方式管理，可持续性和环境影响令人担忧。

已有研究对马达加斯加特定区域的有机资源能源潜力进行了评估，但全国范围内可回收作物和畜牧业残余物的综合区域评估及其沼气与能源潜力仍属空白，对分散式规模实际应用、沼气替代薪柴的潜力以及户用级消化器的可持续性关注不足。

二、研究目的与意义

本研究旨在量化马达加斯加全国24个行政区域内四类牲畜（牛、家禽、猪、山羊/绵羊）和五种主要农作物（水稻、玉米、甘薯、甘蔗、木薯）的可回收残余物，评估其通过农场级分散式AD进行沼气生产和相应能源含量的潜力。研究进一步构建户用级消化器情景，以牛粪为参考底物估算小型农场可安装的消化器尺寸，并评估沼气替代典型小型农场薪柴的潜在量及其环境效益。研究结果预期为马达加斯加沼气潜力提供区域概览，支持识别分散式农场级沼气生产的适宜机会。

三、主要技术方法

研究采用基于FAOSTAT数据库2015–2024年期间作物和牲畜生产数据的理论估算方法。关键输入参数包括残余物-产品比（RPR）、总固体（TS）和挥发性固体（VS）含量、每日挥发性固体产生量、低位热值（LHV）和单位挥发性固体沼气产量。作物残余物量通过产量乘以RPR计算，可回收量乘以可回收质量分数，沼气潜力通过可回收量乘以TS、VS和沼气产量计算，能源潜力通过可回收量乘以LHV估算。牲畜粪便量通过每日TS产生量乘以牲畜数量和可回收分数计算，沼气潜力通过粪便量乘以VS和沼气产量估算。户用消化器设计基于每日沼气需求（按4小时烹饪时间和0.4 m³?h^?1消耗率计算为1.6 m³），通过沼气产量反推每日VS需求、TS需求、新鲜原料需求、浆料质量、加水量和浆料流量，最终以10% TS浆料浓度和30天水力停留时间（HRT）计算消化器体积。研究选取Atsimo-Andrefana区域进行户用消化器情景分析，因其牛粪产生量最高。

四、研究结果

农业与畜牧业部门的重要性：基于FAOSTAT数据，马达加斯加年农业产量以水稻（4284 kt?y^?1）、甘蔗（3127 kt?y^?1）和木薯（2601 kt?y^?1）为主，其次为甘薯（1184 kt?y^?1）和玉米（262 kt?y^?1）。牲畜方面，牛年均约840万头，家禽约4000万羽，猪和山羊/绵羊分别约180万头和250万头。水稻和牛生产的优势地位与马达加斯加农业系统和国家粮食体系的核心特征一致。

可回收农业残余物的可获得性：马达加斯加每年产生约6814 kt可回收作物残余物和3245 kt牲畜粪便，作物残余物占67.74%，牲畜残余物占32.26%。作物残余物中，木薯皮和水稻秸秆占比最大，分别为50.38%和41.5%，甘薯藤、玉米秸秆和甘蔗残余物贡献有限。牲畜粪便中牛粪占75.58%，其次为家禽粪（15.40%）、猪粪（5.62%）和山羊/绵羊粪（3.40%）。部分残余物已有竞争性用途，如水稻秸秆用作牲畜饲料、粪便用作有机肥料，需逐案评估可持续分流至沼气生产的数量。

区域可回收生物质残余物分布：Atsimo-Andrefana区域可回收生物质总量最高，约881 kt?y^?1，其次为Sofia（749 kt?y^?1）和Atsinanana（539 kt?y^?1）区域，而Ambatosoa、Ihorombe和Betsiboka区域最低。Atsimo-Andrefana区域的高潜力与其大量木薯生产、木薯皮高RPR值及牛养殖的重要贡献相关。区域间作物残余物和牲畜粪便比例相近，但Boeny和Sofia区域牛粪量可观，可直接通过AD或与当地作物残余物共消化利用。

沼气与能源理论值：全国理论沼气潜力为2388 hm³?y^?1，理论能源潜力为129,318 TJ?y^?1，相当于马达加斯加2023年一次能源供应总量（约185,446 TJ）的69.7%。区域沼气潜力分布并不线性跟随生物质总量分布：Sofia区域理论沼气潜力最高（约150 hm³?y^?1），其次为Atsimo-Andrefana（149 hm³?y^?1）和Atsinanana（115 hm³?y^?1），Ambatosoa、Ihorombe和Betsiboka区域最低。这一差异源于残余物类型、TS和VS含量及比沼气产量的变化，生物质数量本身并不直接决定能源产量。

户用级消化器尺寸与运行参数：以Atsimo-Andrefana区域每户5头牛为基准，目标浆料浓度10% TS和30天HRT条件下，浆料流量约0.08 m³?d^?1，理论消化器总体积约2.5 m³，有机负荷率（OLR）约3.05 kg VS?m^?3?d^?1，处于文献报道的3–5 kg VS?m^?3?d^?1合理运行范围内。沼气燃烧效率（60%）显著高于薪柴（17%），每户每天可节省约5.65 kg薪柴，同时提升能源安全和自给自足能力，并带来减少森林砍伐、恢复自然区域和保护生态系统等附带环境效益。

分散式AD发展的限制与建议：农业残余物仍普遍通过露天焚烧或传统处置方式管理，专门的收集、处理和资源化系统有限。废弃物管理法规虽存在，但针对农业和畜牧业残余物收集与能源化利用的明确监管和制度框架不足。经济成本是主要制约因素，农村地区运输基础设施有限，分散的小规模农场使原料收集困难。原料物流和技术能力构成额外限制，作物残余物需要收集、储存、尺寸缩减和适当混合，季节性供应使连续进料困难。水资源可用性是另一重要约束，马达加斯加多个区域特别是南部地区面临水资源短缺。研究建议制定国家层面可再生能源战略，将生物质能源纳入国家能源体系，建立适当的法律和制度框架，开展能力建设和培训项目，提高农民对残余物收集和可持续利用的意识，在水资源短缺区域探索使用处理后的废水制备浆料，并加强政府机构、大学、私人投资者和地方社区之间的合作。

五、讨论与结论

研究讨论部分强调，尽管马达加斯加农业和畜牧业残余物具有显著的沼气生产潜力，但全规模AD和共消化（AcoD）发展面临多重制约。残余物竞争性用途、季节性供应、收集运输限制、水资源需求、基础设施成本和有限技术能力可能显著降低实际可回收原料量。研究同时指出，向当地利益相关者宣传沼气作为家庭能源安全资源的价值至关重要，AD可通过生产稳定消化液作为有机肥料，帮助闭合农业养分循环。作物残余物与牛粪的共消化，如水稻秸秆-牛粪和木薯残余物-牛粪混合物，可能进一步改善原料管理。

研究结论部分指出，本研究评估了马达加斯加24个区域农业和畜牧业残余物通过AD生产沼气的理论能源潜力。所选残余物代表了显著的沼气生产可再生能源资源，作物残余物贡献最大份额，牲畜粪便作为补充原料。全国理论沼气潜力约2389 Mm³?y^?1，对应129,319 TJ?y^?1理论能源。区域结果表明，生物质数量本身不足以识别最适合沼气生产的区域。Atsimo-Andrefana区域生物质总量最高，而Sofia区域理论沼气潜力最高，其次为Atsimo-Andrefana和Atsinanana区域。这一差异反映了残余物类型、TS和VS含量及比沼气产量对总能源生产潜力的影响。以牛粪为处理底物、Atsimo-Andrefana区域为最高生物质可获得性区域，初步设计了2.5 m³户用消化器，证明沼气可替代每户每天约5.65 kg薪柴用于烹饪能源生产，带来能源安全改善、可再生能源生产和减少森林砍伐等额外效益。然而，这些数值仍属理论值，实际可能因季节性供应、残余物竞争性用途、收集运输限制、水资源需求、基础设施成本和有限技术能力而降低。未来研究应通过实验室和试点规模实验获取更具体的原料数据，并更详细评估选定小型分散式AD项目的技术经济可行性。总体而言，当前发现为识别优先区域和支持马达加斯加以农业和畜牧业残余物为基础的AD发展提供了基础，有助于农业和分散式区域的可再生能源转型和安全能源供应。