中国沼气行业的双碳贡献

沼气工程处理生物废弃物、生产清洁能源和农用有机肥、改善耕地质量和增加土壤碳汇，并最大程度实现温室气体减排尤其是甲烷减排，对国家落实双碳战略和甲烷减排，具有举足轻重的作用。本书围绕农业、城市以及工业三个领域的生物废弃物的厌氧消化处理，对我国沼气行业建设成效、发展现状、问题经验等进行系统梳理，对沼气行业先进技术与典型模式进行凝练总结。综合考虑未来经济社会发展、人民生活质量提升以及人口变化规律对农业生产和废弃物管理的影响，提出了基于沼气工程的畜禽粪便管理、水稻生产稻秸离田以及废弃物处理理念，展望“十四五”、2030年和2060年三个时间节点中国沼气产气潜力、基于沼气能源的温室气体减排贡献以及甲烷减排贡献。最后，提出了推动中国沼气行业发展、提高双碳贡献的政策建议，以期为相关部门制定双碳战略和甲烷减排目标提供清晰的技术与政策依据。

本书力求围绕碳中和与甲烷减排战略需求，基于基础理论、典型案例及翔实数据，为教学科研提供参考，为从业人员提供指导，为管理决策提供依据。

王凯军，清华大学环境学院教授，中国沼气学会理事长，国家环境保护部科学技术委员会委员，一直致力于城市污水与工业废水处理、城市与农业废弃物资源能源化的研究。相继开拓了国内城市污水“水解-好氧”工艺、厌氧高效反应器开发、污泥处理和处置、畜禽粪便处理和农村环境保护等研究领域。发表中英文论文数百篇，编著出版《UASB工艺的理论与工程实践》、《厌氧生物技术Ⅰ—理论与实践》、《厌氧生物技术Ⅱ—工程与实践》等厌氧领域专著，在城市污水处理、资源回收等方向开展了大量战略性、前瞻性和原创性研究。

　　中国沼气使用的悠久历史可以追溯到宋朝。在20世纪20年代后期， 国瑞瓦斯灯商行（罗国瑞沼气商号）本着能源救国的理念，开始了沼气商业化的最初尝试。中华人民共和国成立后，党和国家始终高度重视沼气事业的发展。1958年毛泽东主席在武汉、安徽等地视察农村沼气使用情况时指出，沼气又能点灯，又能做饭，又能作肥料，要大力发展，要好好推广。

　　针对大规模畜禽养殖场粪污处理和资源化问题，2016年12月，习近平总书记在中央财经领导小组第十四次会议上提出“以沼气和生物天然气为主要处理方向，以就地就近用于农村能源和农用有机肥为主要使用方向”，将沼气事业提高到农村能源、农用有机肥和环境治理的高度。

　　我国沼气事业的发展经历了初始发展、技术成熟、快速发展、建管并重、转型升级五个阶段。国家投入专项资金用于户用沼气池和各种类型沼气工程建设，推动农村沼气转型升级，发展大型沼气工程和生物天然气工程。截至2020年，中国户用沼气从最高4200万口逐渐回落到3200万口，各类沼气工程超过11万处，形成年产沼气200多亿m3的规模。经过长期的探索与发展，中国拥有从家庭沼气池到大型、超大型沼气工程的各种发展水平的沼气技术，推广规模全球第一，应用领域实现了农业农村、城市和工业领域的全覆盖。

　　2020年9月，习近平总书记在第七十五届联合国大会一般性辩论上郑重向全世界宣布： 中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。2021年年初，中央一号文件明确提出将全面推进乡村振兴，加快农业农村现代化。这些都为中国沼气行业的持续发展，沼气产业的不断壮大，沼气事业的再次辉煌指明了方向，确定了目标。

　　我国“碳中和” 历程

　　1997年，各国签订了《联合国气候变化框架公约的京都议定书》（简称《京都议定书》），这是首份具有法律约束力的全面气候变化协议，在国家层面首次设定强制性减排目标。由于世界上最大的排放国——美国未通过该议定书，《京都议定书》搁浅。

　　2009年，哥本哈根气候大会，第一次统一设定温室气体排放限额，但未达成具有法律约束力的条约。

　　2015年12月12日，《巴黎协定》签订，标志着哥本哈根会议之后“减排裸奔时代”的终结。

　　2020年9月22日，在联合国大会上习主席明确提出： 中国二氧化碳排放力争2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。

　　2021年3月15日，中央财经委员会第九次会议习近平主席强调： 把碳达峰、碳中和纳入生态文明建设整体布局。

　　2021年4月，国家主席习近平在全球领导人气候峰会上宣布决定接受《〈蒙特利尔议定书〉基加利修正案》，加强非二氧化碳温室气体管控。

　　2021年11月，中美两国联合发布《中美关于在21世纪20年代强化气候行动的格拉斯哥联合宣言》，明确加大行动控制和减少甲烷排放。

　　国家第二次污染普查表明，水土主要污染物有大约75%来自农业农村，而农业农村的主要污染物是生物废弃物。为落实“双碳”战略，国家“十四五”规划和2035远景纲要指出，以减污降碳协同增效为总抓手，污染治理向农村、乡镇延伸。

　　沼气工程利用厌氧发酵微生物处理各种生物废弃物、生产清洁能源和农用有机肥，一直在为中国环境保护、能源安全、减排固碳发挥着默默无闻但极为重要的作用。国家“双碳”战略的实施为中国沼气事业开辟了一条快速高质量发展之路，创造了更多新的增长空间和新的盈利模式。

　　2021年4月，国家主席习近平在全球领导人气候峰会上宣布决定接受《〈蒙特利尔议定书〉基加利修正案》，加强非二氧化碳温室气体管控； 同年11月，中美两国联合发布《中美关于在21世纪20年代强化气候行动的格拉斯哥联合宣言》，明确加大行动控制和减少甲烷排放。甲烷是一种短生命周期温室气体，100年周期内温室效应是二氧化碳的28倍，20年周期内则是二氧化碳的81倍。作为人类活动排放的第二大温室气体，未来30年如果甲烷减排50%将使全球温升降低0.18℃。甲烷减排是短期内应对气候变化的有效手段。

　　气候与清洁空气联盟和联合国环境规划署2021年5月联合发布的《全球甲烷评估： 减少甲烷排放的收益和成本》报告指出，农牧业和城乡生物废弃物产生的甲烷量占全球人类活动甲烷排放总量的60％（约32%来自牲畜的排泄物和肠道发酵，20%来自废物处理，8%来自水稻种植），剩余40%来自能源和其他领域。在《中华人民共和国气候变化第二次两年更新报告》中，2014年我国农业活动和废弃物处理甲烷排放占全国排放总量的52.1%（约23.5%来自动物粪便管理和肠道发酵，16.1%来自水稻种植，11.9%来自废弃物处理，0.6%来自农业废弃物田间燃烧），其余44.8%来自能源活动，3.1%来自土地利用与林业。可见，城乡生物废弃物处理是甲烷减排的最大战场。

　　来自生物废弃物处理的甲烷减排不外乎三种途径，即消除生物废弃物、创造有氧环境、收集甲烷。沼气工程完美地创造了厌氧环境并收集甲烷，实现了生物废弃物处理的多重效益，是除能源和反刍动物肠道甲烷之外的最重要、最有效、最可行和最经济的甲烷减排技术手段。

　　沼气工程处理生物废弃物、生产清洁能源和农用有机肥、改善耕地质量和增加土壤碳汇，并最大限度地实现温室气体减排，尤其是甲烷减排。中国沼气行业一直为中国减排固碳、循环利用、绿色发展、环境保护、能源安全做着应有的贡献。我们相信，在“双碳”和乡村振兴战略目标下，中国沼气行业将会为中国的节能减排和生态文明建设以及高质量发展发挥更大的作用，同时也会为中国沼气行业健康持续发展创造更多新的增长空间和更多新的盈利模式。本书由清华大学、中国农业大学等国内22个单位50余名多领域资深专家学者经过长达一年半时间，围绕农业农村、城市以及工业三个领域的生物废弃物的厌氧消化处理，对我国沼气行业建设成效、发展现状、问题与经验等进行反复研讨、系统梳理，对沼气行业先进技术与典型模式进行凝练总结。综合考虑未来经济社会发展、人民生活质量提升以及人口变化规律对农业生产和废弃物管理的影响，提出了基于沼气工程的畜禽粪便管理、水稻生产和稻秸离田以及废弃物处理理念，展望2025年、2030年和2060年三个时间节点中国沼气产气潜力、基于沼气能源的温室气体减排贡献以及甲烷减排贡献。最后，提出推动中国沼气行业发展、提高双碳贡献的政策建议，以期为相关部门制定双碳战略和甲烷减排目标提供清晰的技术与政策依据。

　　本书力求围绕碳中和与甲烷减排战略需求，基于基础理论、典型案例及翔实数据，为教学科研提供参考，为从业人员提供指导，为管理决策提供依据。由于行业特点，读者阅读习惯，书中某些单位延用非法定单位表示形式，特此说明。

　　本书沼气工程篇中农业农村领域由李秀金、柳珊、邓良伟、董保成、赵立欣、周宇光、乔玮、袁海荣、徐文勇、罗娟、郑丹、杨红男、鞠鑫鑫撰写，城市领域由任连海、王攀、徐海云、郭含文、聂小琴、孟星尧、鲁嘉欣、张进锋、阎中、 李彩斌、甘海南、金慧宁、孙荣、彭光霞、李伟、林雨佳撰写，工业领域由李兵、周俊、孙晓峰、刘云洲、张自强、程言君、张永刚、薛鹏丽、段冠军、孙晓东、王瑞撰写； 甲烷减排篇第4章由郭建斌、鞠鑫鑫、孙辉、吴根义、柳王荣撰写，第5章由郭建斌、孙辉、鞠鑫鑫、冯永忠、王兴撰写，第6章由徐海云、聂小琴撰写，第7章由董欣、刘艳臣、刘建国撰写，第8章由鞠鑫鑫汇总； 结论与展望由王凯军、董仁杰撰写； 全书统稿由罗娟负责，刘秋琳、石川、刘越、吴厚凯参与统稿。来自沼气工程界的同行为本书提供了大量宝贵的研究案例和资料文献，在此表示衷心的感谢。

　　限于时间、资料和作者水平，不足之处在所难免，欢迎社会各界朋友提出宝贵意见和建议，共同为我国顺利实现双碳战略和甲烷减排目标，为沼气工程事业的健康发展而努力！

著者

2023年5月

第0章绪论

沼气工程篇

第1章沼气行业发展现状

1.1农村沼气工程现状

1.2城市有机固体废弃物沼气工程现状

1.3工业有机废水沼气工程现状

1.4沼气行业综合利用模式

第2章有机废弃物资源量分析

2.1农业农村有机废弃物

2.2城市有机固体废弃物

2.3工业有机废水

第3章资源量、沼气潜能及能源替代潜力预测

3.1资源量的预测

3.2沼气潜能及能源替代潜力预测

甲烷减排篇

第4章动物粪便管理甲烷排放与减排

4.1粪便管理的甲烷排放

4.2我国畜禽粪便管理甲烷排放现状

4.3粪便管理甲烷减排的技术路径和潜力分析

第5章稻田生产的甲烷排放与减排

5.1稻田生产的甲烷排放

5.2我国稻田甲烷排放现状

5.3秸秆离田循环利用甲烷减排潜力分析

第6章城乡垃圾处理甲烷排放与减排

6.1城乡垃圾处理的甲烷排放

6.2城乡垃圾处理甲烷排放现状

6.3城乡垃圾处理甲烷减排的技术路径和潜力分析

第7章城市污水处理甲烷排放与减排

7.1城市污水系统的甲烷排放

7.2我国城市污水系统甲烷排放现状

7.3城市污水系统甲烷减排的技术路径和潜力分析

第8章沼气工程温室气体减排

8.1基于项目的沼气工程温室气体减排

8.2沼气工程助力城乡废弃物处理甲烷减排

8.3沼气回收利用能源替代减排分析及预测

8.4沼液沼渣还田化肥替代减排分析及预测

8.5沼气工程助力温室气体减排

结论与展望

第9章沼气行业发展机遇

第10章沼气行业发展挑战

第11章我国城乡废弃物甲烷减排挑战

参考文献

附录A温室气体减排潜力核算方法

附录B沼气或生物天然气案例统计表

附录C沼气或生物天然气标准统计表

附录D“十三五”“十四五”国家层面沼气和生物天然气相关政策

附录E畜禽粪污沼气气化利用温室气体减排量核算