猪粪浆、草原与谷物黑麦生产可再生天然气的实验与技术经济评估

《Biomass and Bioenergy》：Experimental and techno-economic assessment of renewable natural gas production from swine slurry, prairie, and cereal rye

　　

本研究采用响应面法（Response Surface Methodology, RSM）对猪粪浆与草本生物质（包括多年生草原植被与一年生谷物黑麦）共消化的甲烷产率进行建模与优化，并在技术经济评估（Techno-Economic Analysis, TEA）框架下，系统评估了可再生天然气（Renewable Natural Gas, RNG）生产的经济可行性。研究人员构建了半连续式厌氧消化（Anaerobic Digestion, AD）实验系统，考察了两种固体滞留时间（Solids Retention Time, SRT）（15天与30天）及两种消化配置（单独消化（Single Digestion, SD）与消化后液体消化物甲烷回收（Methane Recovery, MR））对甲烷产量的影响。实验数据用于校准响应面模型，并嵌入基于BioSTEAM库开发的技术经济模拟流程中。研究评估了农场内（on-farm）与集中式（centralized）两种设施规模的经济表现，以最低燃料销售价格（Minimum Fuel Selling Price, MFSP）作为经济优化指标。结果表明，30天SRT条件下甲烷产量显著高于15天SRT，且在15天SRT下MR配置可显著提升总甲烷产量，而在30天SRT下MR增益有限；集中式设施在各场景下均呈现更低的MFSP。敏感性分析显示，甲烷产量是影响经济性能的首要因素，其次为总资本支出（CAPEX）。蒙特卡洛不确定性分析表明，集中式场景的平均MFSP（45.3 $·GJ^?1）显著低于农场内场景（53.3 $·GJ^?1）（p < 0.001）。生物质采购价格分析指出，当草原与黑麦生物质价格分别降至29.8 $·Mg^?1与35.3 $·Mg^?1以下时，农场内场景的MFSP可与集中式场景相竞争。研究结论认为，仅依靠当前RNG市场价格，草-气（grass-to-gas）系统尚难以实现经济可行，需依赖政策支持或生态系统服务的货币化以抵消高昂的原料成本。

**研究背景与问题**

全球能源需求持续增长，同时为减缓温室气体排放，厌氧消化（Anaerobic Digestion, AD）制取可再生天然气（Renewable Natural Gas, RNG）受到日益关注。AD是在无氧条件下将有机物质生物分解为富甲烷沼气和营养丰富消化物的过程。猪粪浆因其甲烷潜力高且可获得性强，被认为是AD的理想原料。然而，自1990年以来，粪污管理产生的甲烷排放量增加了68%，其中大部分来自液态猪粪管理系统。在爱荷华州这一集中养猪区，猪粪浆的单一消化面临诸多挑战：其低碳氮比（C/N ratio）导致铵积累，可能部分或完全抑制产甲烷过程；此外，中西部猪场规模通常为4000至8000头，产生的粪浆量远低于已成熟应用AD的奶牛场，存在规模瓶颈。将这些草本生物质与猪粪浆共消化，是协调保护目标与经济激励的可行路径，也是本研究的主要动因。

已有文献证明草原-粪浆共消化在技术上是可行的，且原料组成可显著影响经济结果。然而，猪粪浆与草原生物质及谷物黑麦的组合尚未经过实验或经济层面的评估。这一空白至关重要，因为这些原料在组成和可消化性上存在差异，可能以不同方式影响消化性能。此外，多原料与参数优化在AD系统中极少进行，且此前从未与技术经济框架整合。为填补这一空白，本研究首次对猪粪浆与草原生物质及谷物黑麦的共消化进行了实验校准的技术经济优化。

**研究内容与结论**

研究人员将实验获得的响应面模型嵌入过程模拟中，以优化原料组成、滞留时间和设施规模。实验采用中心复合设计（Central Composite Design, CCD），评估草料占比（grass fraction）与多年生占比（perennial fraction）两个因素对甲烷产量的影响。半连续式AD实验在15天和30天两种固体滞留时间（Solids Retention Time, SRT）下运行，并评估了单独消化（SD）与液体消化物甲烷回收（MR）两种配置。技术经济模型基于BioSTEAM库在Python中开发，模拟了农场内（6000头猪）与集中式（18000头猪）两种设施规模下的RNG生产全过程，以最低燃料销售价格（MFSP）作为经济优化指标。研究还进行了单向敏感性分析和蒙特卡洛不确定性分析，并评估了生物质采购价格对盈利性的影响。

实验结果显示，在15天SRT下，所有原料组合的甲烷产量均低于200 mL CH₄·g^?1 VS，黑麦主导的混合物在中等草料占比（约50% VS）时产量最高。添加MR后总甲烷产量显著提高至约220–240 mL CH₄·g^?1 VS，表明初级消化后仍有大量可溶性草本生物质和粪浆成分未被完全转化。在30天SRT下，最大甲烷产量超过350 mL CH₄·g^?1 VS，且更高的多年生占比与更高甲烷产量相关，这可能表明黑麦生物质中易降解养分较多，可在15天内被利用，而草原生物质更顽固但含有更多可生物降解底物总量。

经济优化结果表明，15天SRT场景下所有条件的MFSP均远离合理售价区间；30天SRT场景的经济可行性大幅改善。最优配置为集中式设施、30天SRT、MR配置，MFSP为47.5 $·GJ^?1。集中式设施在各场景下均优于农场内设施。值得注意的是，生物学最优与经济最优并不总是一致，例如在较短滞留时间和农场内设施条件下，黑麦虽产甲烷量更高，但其较高成本使经济最优向草原主导的混合物偏移。敏感性分析显示，甲烷产量是影响MFSP的首要因素，其次是总资本支出。蒙特卡洛模拟确认集中式场景的平均MFSP（45.3 $·GJ^?1）显著低于农场内场景（53.3 $·GJ^?1）（p < 0.001）。生物质采购价格分析表明，当草原和黑麦价格分别降至29.8 $·Mg^?1和35.3 $·Mg^?1以下时，农场内场景可与集中式场景相竞争。

**意义**

本研究首次提供了实验校准的猪粪浆与草原生物质及谷物黑麦共消化的技术经济优化评估，揭示了生物与经济效益之间的复杂关系。研究结果对RNG产业具有重要参考价值：集中式设施在经济上具有优势；甲烷产量是经济性能的首要驱动因素；降低生物质采购成本对实现经济可行性至关重要。研究还指出，在当前的RNG市场条件下，草-气系统尚不具备经济可行性，需要额外的政策支持或生态系统服务货币化来抵消高原料成本。该研究为AD系统的一体化生物-经济优化提供了方法论框架，也为中西部农业景观中整合保护实践与能源生产提供了科学依据。论文发表在《Biomass and Bioenergy》。

**主要技术方法**

本研究采用了如下关键技术方法：使用中心复合设计（Central Composite Design, CCD）安排半连续式厌氧消化实验，构建响应面模型（Response Surface Methodology, RSM）关联原料组成与甲烷产量；基于BioSTEAM库在Python中开发技术经济模型，模拟质量流、能量平衡与经济性能；采用蒙特卡洛模拟（Monte Carlo Simulation）评估MFSP的不确定性，每种场景进行10,000次迭代；使用单向敏感性分析评估关键参数对MFSP的影响幅度；运用Welch's t检验和Cohen's d量化场景间MFSP差异的统计显著性与效应量。此外，研究还评估了不同生物质采购价格情景下MFSP的变化。实验原料中猪粪浆采自爱荷华州一家母猪至育肥猪农场，草原生物质来自爱荷华州立大学生物质作物系统比较研究样地及东爱荷华州一处农场，谷物黑麦由新鲜与一年龄黑麦青贮按干物质1:1混合而成。

**研究结果**

**实验研究结果**

研究构建了响应面模型以可视化原料组成和SRT对甲烷产量的影响。15天SRT下，SD配置中所有原料组合的甲烷产量均低于200 mL CH₄·g^?1 VS，黑麦主导且中等草料占比（~50% VS）的混合物产量最高，草料占比（F = 26.7, p = 0.007）及其二次项（F = 10.4, p = 0.03）显著，模型显著（p = 0.02, R2 = 0.92）。添加MR使总甲烷产量提高至约220–240 mL CH₄·g^?1 VS。30天SRT下最大甲烷产量超过350 mL CH₄·g^?1 VS，且草原占比更高的混合物产量更高，模型显著性边缘（p = 0.054）。MR在30天SRT下增益有限，且即便添加MR，15天SRT场景的甲烷产量仍低于30天SRT无MR配置。

**厌氧消化运行参数的经济优化**

研究评估了草料占比与多年生占比对MFSP的影响。15天SRT下所有条件均无法达到合理售价，农场内SD与MR配置的最低MFSP分别为89.3和72.1 $·GJ^?1，集中式设施分别为76.4和60.2 $·GJ^?1。30天SRT下经济可行性大幅改善，农场内SD与MR配置的MFSP分别为53.6和52.3 $·GJ^?1，最优配置为高草料占比（85% VS）和50% VS多年生占比；集中式设施SD与MR配置的MFSP分别为49.5和47.5 $·GJ^?1，最优配置为较低草料占比（50% VS）和较高多年生占比（80% VS），与其他所有场景显著不同。集中式场景的总甲烷流量为146.4–199.9 kg·h^?1，高于农场内场景的88.6–154.5 kg·h^?1。

**资本与运营成本**

消化器与注入管道及压缩机是最大的资本成本组成部分，合计占CAPEX的60–70%。15天SRT场景的总CAPEX高于30天SRT场景，这与最优原料组成差异有关。原料采购与储存是最大的运营成本，占OPEX的72–84%。30天SRT场景中，农场内与集中式设施的原料成本相对接近；15天SRT场景下，集中式设施的原料成本显著更高。研究确定30天SRT+MR配置为最具经济可行性的方案，后续分析集中于该配置。

**敏感性分析**

单向敏感性分析表明，甲烷产量变化±20%时对MFSP的影响最大，产生约8.5至12 $·GJ^?1的波动，凸显了准确甲烷产量估算对可靠TEA的关键作用。总CAPEX是第二大影响因素（约4.7 $·GJ^?1），原料价格、消化器CAPEX和RNG注入成本影响中等，非原料相关的OPEX和劳动力影响较小。这一结果强调了实验工作与模型整合的重要性。

**不确定性分析**

蒙特卡洛模拟显示，农场内场景的平均MFSP为53.3 $·GJ^?1，95%置信区间为46.5–61.2 $·GJ^?1；集中式场景的平均MFSP为45.3 $·GJ^?1，95%置信区间为39.0–52.6 $·GJ^?1。Welch's t检验确认两场景间MFSP差异具有统计学显著性（p < 0.001），效应量Cohen's d表明差异幅度中等偏大。

**生物质采购价格对盈利性的影响**

生物质采购价格分析显示，集中式设施在大多数原料价格水平下MFSP更低，但原料价格对农场内场景的MFSP影响更强。当草原价格≤29.8 $·Mg^?1、黑麦价格≤35.3 $·Mg^?1时，农场内场景的MFSP可与集中式场景相比。从零成本到基线价格的150%，农场内场景的MFSP增加25.6 $·GJ^?1，而集中式场景仅增加约15.2 $·GJ^?1。这一差异可能源于农场内场景更高的草料占比（85% VS vs. 50–80% VS）。此外，集中式场景的最低MFSP出现在实验设计边界（50% VS草料占比），提示更低草料占比可能进一步改善经济性能，未来研究应扩展实验范围。

**讨论**

研究揭示了原料组成、SRT与系统规模之间的交互作用对甲烷产量和经济性能的决定性影响。在15天SRT下，黑麦因含有更多易降解养分而产量更高；而30天SRT下，草原生物质因含有更多木质素（Table 1）而具有更高的总可生物降解底物量，但其顽固性导致需要更长滞留时间。这种差异也解释了15天SRT下MR配置的显著增益：初级消化后液体消化物中仍有大量未转化底物。研究还发现生物与经济最优并不一致，例如在短SRT和农场内设施条件下，黑麦更高成本使经济最优转向草原主导混合物，即使黑麦产甲烷量更高。这表明仅靠实验优化或经济建模均不足以确定最优运行条件。

原料价格分析表明，农场内场景对原料价格更敏感，因其草料占比更高。集中式场景的最优配置落在实验设计边界，提示更低草料占比可能进一步改善经济性能。当前D3 RIN价格约2.45美元，而最低MFSP场景（47.5 $·GJ^?1）需要约4美元的RIN价格才能实现盈亏平衡；当生物质免费时，所需RIN价格降至约3美元，这一水平历史上曾出现过。BCAP、EQIP和CRP等政府计划可部分降低原料成本，BCAP匹配支付可减少原料价格约11–13%，但该项目自2017年未获资金。此外，RNG生产产生的CO₂富集副产物流和富含养分的消化物也具有潜在增值途径。研究局限性包括：响应面模型分辨率有限（十点中心复合设计），集中式场景的物流成本使用固定每吨成本而未随收集半径扩展，以及消化物的最终处置仅截至储存而未考虑土地利用阶段。消化物中的养分变化及排放差异需要完整的生命周期评估才能全面评估。与先前研究（牛肉牛粪浆与草原生物质共消化）相比，本研究在30天SRT下MR增益有限，这归因于原料可消化性的差异。总体而言，草-气系统需政策支持或生态系统服务货币化以改善经济可行性，而草原和黑麦的环境协同效益目前尚未纳入经济模型。

**研究结论**

本研究表明，猪粪浆与谷物黑麦和草原生物质共消化的半连续式AD系统在30天SRT下甲烷产量约为220至超过350 mL·g^?1 VS，15天SRT下黑麦主导混合物占优，而30天SRT下草原主导混合物更优。液体消化物甲烷回收在15天SRT下大幅提升了甲烷产量，但在30天SRT下增益有限。相对于农场内系统，更大规模的集中式设施可改善经济可行性，最优配置的MFSP为47.5 $·GJ^?1，但这一优势在较长滞留时间下缩小，并可能随粪浆和消化物运输安排的不同而变化。值得注意的是，经济上有利的原料组合并不总是与最大化甲烷产量的组合一致。在当前RNG市场条件下，若无额外政策支持或生态系统服务的货币化以抵消高原料成本，草-气系统尚不具备经济可行性。