陳春琳，王明明，賈吉秀，李嘉銘，曹茂炅，宋曉樂，段 娜，劉志丹

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第三方運(yùn)營下規(guī)?；笄菡託夤こ踢\(yùn)行與管理

陳春琳1,3，王明明2，賈吉秀1,3，李嘉銘1,3，曹茂炅1,3，宋曉樂2，段 娜1,3，劉志丹1,3※

（1. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院環(huán)境增值能源實驗室，北京 100083；2. 北京盈和瑞環(huán)境科技有限公司，北京 102412； 3. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點實驗室，北京 100083）

沼氣工程是畜禽養(yǎng)殖業(yè)糞污末端處理與資源再利用并重的全量化資源利用模式，長期以來養(yǎng)殖場自運(yùn)營模式下沼氣工程運(yùn)行效率、穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)效益低。該研究提出引入第三方運(yùn)營模式，以一大型沼氣工程（總有效發(fā)酵容積為10 800 m3）為例，在20 a案例期內(nèi)進(jìn)行兩種運(yùn)營模式下該沼氣工程的物質(zhì)流、能量流分析、碳排放以及經(jīng)濟(jì)性評估等多視角分析，并采用基因表達(dá)式編程進(jìn)行產(chǎn)氣擬合，為優(yōu)化發(fā)酵工藝提供了策略。結(jié)果表明，第三方運(yùn)營模式能夠提高工程效率和經(jīng)濟(jì)效益：物料處理量、沼渣墊料產(chǎn)量、沼氣產(chǎn)量及沼氣發(fā)電量分別提高52.00%、23.00%、51.94%、79.58%；熱電聯(lián)產(chǎn)總產(chǎn)能提高，但能耗比和能量回收率分別降低14.74%、12.73%，這主要是未進(jìn)行余熱回收造成的。財務(wù)分析表明，第三方運(yùn)營模式項目稅后財務(wù)內(nèi)部收益率提高10.20個百分點，財務(wù)凈現(xiàn)值提高3 566萬元，投資回收期縮短10.42 a；財務(wù)敏感性分析指出提高下游產(chǎn)品的附加值是提高該沼氣工程經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵因素。該研究為沼氣工程乃至其他規(guī)模化廢棄物處理的第三方運(yùn)營模式推廣應(yīng)用提供了有價值的工程參考。

糞污；沼氣；工程管理; 物質(zhì)能量流；經(jīng)濟(jì)分析

0 引 言

中國畜禽糞污資源豐富，《中國沼氣行業(yè)“雙碳”發(fā)展報告》指出，預(yù)計到2025年中國畜禽糞污年產(chǎn)量將達(dá)39.8億t[1]。為保障畜牧業(yè)綠色發(fā)展，2022年修訂的《中華人民共和國畜牧法》中特別指出畜禽糞污無害化處理和資源化利用，推行畜禽糞污養(yǎng)分平衡管理，促進(jìn)農(nóng)用有機(jī)肥利用和種養(yǎng)結(jié)合發(fā)展。沼氣技術(shù)具備環(huán)境污染治理和清潔能源生產(chǎn)的雙重功能,是畜禽糞污無害化處理和資源化利用的主推技術(shù)之一，并具有碳減排功能屬性[2]。以2025年中國畜禽糞污產(chǎn)量計，若全部投入沼氣高效生產(chǎn)，預(yù)計產(chǎn)沼氣191.6億m3[1]，按沼氣產(chǎn)電效率2 kW·h/m3計算，可產(chǎn)電383.2億kW·h，使用沼氣發(fā)電可減排溫室氣體0.188～1.193 kg/(kW·h)（CO2當(dāng)量）[3]，可實現(xiàn)溫室氣體減排0.072～0.46億t（CO2當(dāng)量）。未來，在2030年碳達(dá)峰和2060年碳中和背景下，中國的沼氣行業(yè)將會發(fā)揮更大的作用。因此，為促進(jìn)沼氣工程可持續(xù)發(fā)展，有必要優(yōu)化傳統(tǒng)沼氣工程管理模式。

長期以來，中國沼氣工程存在技術(shù)支撐弱、管理滯后、工程收益低等問題[4]，急需進(jìn)行運(yùn)營升級。自十八屆三中全會起，國家提出吸引社會資本投入環(huán)境污染第三方治理，先后出臺《關(guān)于推進(jìn)環(huán)境污染第三方治理的實施意見》、《關(guān)于構(gòu)建現(xiàn)代環(huán)境治理體系的指導(dǎo)意見》等多項政策意見[5]，推進(jìn)農(nóng)業(yè)廢棄物第三方治理，先后形成了PPP（public-private partnership，政府與社會資本合作模式）模式[6]企業(yè)主導(dǎo)的第三方管理模式（包括第三方運(yùn)行、第三方租賃運(yùn)營、第三方治理模式）[5,7-8]，為污染物治理提供了新導(dǎo)向。以市場化、專業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化為導(dǎo)向的企業(yè)主導(dǎo)的第三方治理模式近年來發(fā)展迅速，在工業(yè)污水治理[5,7]、農(nóng)村環(huán)境整治[9-10]、燃煤電廠改造[11]等多領(lǐng)域推廣。例如，福建南平市生豬養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)引入第三方糞污治理企業(yè)，降低了單位生豬糞污處理成本（400元/頭降至35元/頭）、改善了養(yǎng)殖區(qū)域周邊水質(zhì)（化學(xué)需氧量、氨氮、總磷等大大降低）、推動了種養(yǎng)結(jié)合產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展[12]；四川邛崍引入第三方運(yùn)行沼肥還田項目后，成功解決當(dāng)?shù)?6萬m3沼肥還田超5 300萬m2，化肥減量施用10%以上，并創(chuàng)造了一批就業(yè)崗位，項目總體約創(chuàng)收400萬元[13]。實踐表明，第三方治理可優(yōu)化資源配置和提升末端治理效率，還能促進(jìn)環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展[10]。此外，沼氣工程是一種典型的循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式，在循環(huán)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域，物質(zhì)流和能量流分析能夠量化評估物質(zhì)和能量的投入、流動和產(chǎn)出，幫助區(qū)域?qū)崿F(xiàn)宏觀管理、資源優(yōu)化配置和節(jié)能減排[14-15]。

本文以山東某大型奶牛場沼氣工程為例，在養(yǎng)殖場自運(yùn)營和第三方運(yùn)營模式下進(jìn)行物質(zhì)流、能量流和經(jīng)濟(jì)效益等多角度分析，并采用基因表達(dá)式編程（gene expression programming，GEP）進(jìn)行容積產(chǎn)氣率的擬合預(yù)測，為大型沼氣工程乃至其他污染物處理的第三方運(yùn)營模式推廣應(yīng)用提供了有價值的理論支撐和工程依據(jù)。

1 工程概況與數(shù)據(jù)采集

1.1 工程概況

本研究涉及的業(yè)務(wù)主體為嘉立荷（山東）牧業(yè)有限公司，于2015年5月建成，經(jīng)調(diào)試后移交牧場自運(yùn)營管理，并于2016年底擴(kuò)大養(yǎng)殖規(guī)模后委托北京盈和瑞子公司樂陵嘉盈華環(huán)境科技有限公司運(yùn)營。該牧場當(dāng)時日均產(chǎn)糞污約760 m3，干物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%～6%。該沼氣工程采用全混式厭氧反應(yīng)器（continuous stirred tank reactor, CSTR）兩級厭氧發(fā)酵工藝，包含3座CSTR產(chǎn)氣儲氣一體化厭氧反應(yīng)器，總有效發(fā)酵容積為10 800 m3，設(shè)計進(jìn)料量800 t/d，產(chǎn)出產(chǎn)品包括沼氣、牛糞再生墊料和沼液。

1.2 工藝流程

該沼氣工程工藝流程如圖1，主要包括糞污收集、厭氧發(fā)酵、沼氣凈化利用及沼液沼渣再利用4個部分。奶牛糞污首先被收集至接收池，預(yù)濃縮后高濃度糞污進(jìn)入進(jìn)料池均質(zhì)加熱處理，低濃度糞污進(jìn)入回沖池，用于牛舍沖洗。圖1a為養(yǎng)殖場自運(yùn)營模型，采用間歇進(jìn)料，隨后進(jìn)行兩級高溫發(fā)酵（38～42 ℃），發(fā)酵后物料進(jìn)行固液分離，沼渣干燥后作牛床再生墊料，沼液則進(jìn)入沼液儲存池用于還田消納和回沖牛舍，沼氣則用于廠區(qū)供熱、熱電聯(lián)產(chǎn)，多余的沼氣進(jìn)行火炬燃燒。圖1b為第三方運(yùn)營模式，采用連續(xù)進(jìn)料，并升高兩級厭氧發(fā)酵溫度（42～46 ℃），發(fā)酵后物料經(jīng)固液分離后產(chǎn)出的沼渣仍然經(jīng)干燥后用作牛床墊料，沼液則不再進(jìn)行儲存而是全量還田，此外，第三方運(yùn)營模式除將沼氣用于廠區(qū)供熱、供電外，提出了沼氣發(fā)電并網(wǎng)，不再進(jìn)行火炬燃燒，有效減少能源浪費和利于環(huán)境保護(hù)。

1.3 數(shù)據(jù)采集

本文所使用的沼氣產(chǎn)量數(shù)據(jù)以及相關(guān)的財務(wù)數(shù)據(jù)由山東嘉立荷企業(yè)生產(chǎn)統(tǒng)計部門及樂陵嘉盈華環(huán)境科技有限公司提供,進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時剔除了其中的異常值及缺失值。其中，養(yǎng)殖場自運(yùn)營模式數(shù)據(jù)采集于2016年，包括進(jìn)料量、發(fā)酵罐溫度及產(chǎn)氣量；第三方運(yùn)營模式于2017年采集，包括進(jìn)料量、發(fā)酵罐溫度、總固體含量（total solids, TS）、可揮發(fā)性固體（volatile solids，VS）、產(chǎn)氣量等數(shù)據(jù)。財務(wù)數(shù)據(jù)根據(jù)財務(wù)盈利模型輸出。

圖1　養(yǎng)殖場自運(yùn)營模式和第三方運(yùn)營模式下嘉立荷沼氣工程技術(shù)模式圖

2 研究方法

2.1 物質(zhì)流和能量流分析

本研究中，沼氣工程物質(zhì)流和能量流的計算以系統(tǒng)投入的糞污、能源，和系統(tǒng)產(chǎn)出的沼氣、沼液、沼渣進(jìn)行。其中，能量流按照對應(yīng)折算系數(shù)及公式折算為統(tǒng)一能量單位吉焦（GJ）；本研究未進(jìn)行余熱回收，故熱電聯(lián)產(chǎn)熱量不計入系統(tǒng)。沼氣工程的能量利用效率以有效利用的能量與輸入總能量的比值表示。此外，沼液散失的能量按下式計算：

式中為能量，GJ；為比熱容（近似取水的比熱容，4.2 kJ/(kg·℃)）；為物料質(zhì)量，kg；Δ沼液出水溫度與環(huán)境溫度的溫差，取平均值25℃，其中，養(yǎng)殖場自運(yùn)營模式沼液出料取平均溫度40℃，第三方運(yùn)營模式沼液出料取平均溫度44℃。

2.2 生命周期評價

LCA是用于評估與產(chǎn)品、過程或服務(wù)的整個生命周期（life cycle assessment, LCA）相關(guān)的環(huán)境影響的標(biāo)準(zhǔn)化方法[16]。本文采用ReCiPe 2016 Midpoint (E) V1.03 / World (2010) E對該厭氧發(fā)酵系統(tǒng)進(jìn)行評價，主要考慮厭氧發(fā)酵環(huán)節(jié)的污染物排放及其對環(huán)境的影響。具體來講，以糞污輸入為起點，從生命周期角度綜合考慮系統(tǒng)邊界內(nèi)物質(zhì)和能量的輸入和輸出，針對產(chǎn)出的沼氣發(fā)電量進(jìn)行減排計算，以對比該沼氣工程在兩種運(yùn)營模式下的環(huán)境影響。受數(shù)據(jù)獲取等因素的影響，為了更簡便地分析該沼氣工程各階段產(chǎn)生的環(huán)境影響，本文暫不考慮沼液和沼渣的排放。

2.3 經(jīng)濟(jì)效益分析

經(jīng)濟(jì)效益分析通過收支核算、財務(wù)內(nèi)部收益率、財務(wù)凈現(xiàn)值、動態(tài)投資回收期、總投資收益率考察項目的盈利水平[17-19]，通過財務(wù)敏感性分析考察項目不確定性。

該沼氣工程初期總投資包括固定資產(chǎn)（土建投資1 404.22萬元，設(shè)備投資2 652.33萬元）和公用工程投資（給排水工程10萬元，電氣工程9萬元，暖通工程10萬元，消防工程11萬元）共4 096.55萬元。運(yùn)營成本包括人工、原材料、能源、維修等，成本估算根據(jù)當(dāng)?shù)貙嶋H均價確定；沼氣工程產(chǎn)品包括沼氣、沼液和沼渣，沼渣為牛場墊料提供的替代效益按350元/t計；第三方運(yùn)營商得到當(dāng)?shù)毓╇娋?0 kV的電網(wǎng)并網(wǎng)計劃可行，按當(dāng)?shù)仉妰r0.59元/kW·h折算發(fā)電收益；沼液的還田消納費用在自運(yùn)營、第三方運(yùn)營模式下分別按4.5、5.0元/t計算。項目建設(shè)期和運(yùn)營期分別為1和20 a，行業(yè)基準(zhǔn)收益率8%。此外，選取建設(shè)投資、經(jīng)營成本及銷售收入3個主要參數(shù)對項目經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行敏感性分析，通過計算3個主要參數(shù)在±3%和±1%變化幅度下的內(nèi)部收益率（%）和敏感度系數(shù)等指標(biāo)變化，評估影響沼氣工程經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵因素[8]。

2.4 基于GEP的優(yōu)化策略

基因表達(dá)式編程是在遺傳算法和遺傳編程基礎(chǔ)上，自適應(yīng)演化的優(yōu)秀算法，有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法一樣強(qiáng)大的泛函學(xué)習(xí)能力，而且可以得到顯式數(shù)學(xué)模型，對于復(fù)雜多變、多輸入的非線性問題具有非常好的映射能力。

GEP算法流程包括：1）種群初始化；2）評價種群個體適應(yīng)度；3）判斷是否符合終止條件，如果已達(dá)到最大適應(yīng)度或最大迭代次數(shù)則終止運(yùn)行并輸出最優(yōu)解，否則繼續(xù)；4）遺傳進(jìn)化操作（主要包括復(fù)制、變異、插串、重組等）得到新種群；5）跳轉(zhuǎn)至第2）步。GEP通過迭代演化的方式，最終得到關(guān)于目標(biāo)函數(shù)的顯性表達(dá)[20]。

本研究將進(jìn)料量、溫度因素、TS、VS作為輸入的環(huán)境自變量，將沼氣工程的容積產(chǎn)氣率作為因變量，來建立產(chǎn)氣預(yù)測模型。其他相關(guān)參數(shù)的設(shè)置：函數(shù)集{+,-,*,/,sin, cos, tan}，基因頭部長度為7，尾部長度為8，每個染色體基因數(shù)為2，共進(jìn)行1 000次迭代。

3　結(jié)果與分析

3.1 第三方運(yùn)營模式提高工程效率

如表1所示，第三方運(yùn)營模式在項目運(yùn)行和產(chǎn)出方面均具有優(yōu)勢，提高了畜禽糞污無害化處理和資源化利用效率。在前端投入階段，第三方運(yùn)營下可處理的物料量提高了52.00%、能源投入降低8.64%；在過程控制階段，第三方運(yùn)營下發(fā)酵溫度升高、有機(jī)負(fù)荷提高48.06%、人員投入減少33.33%；產(chǎn)品產(chǎn)出對比顯示第三方運(yùn)營下沼氣、沼液、沼渣產(chǎn)量分別提高了51.94%、55.32%、23.00%；產(chǎn)物利用方面第三方也展現(xiàn)出明顯優(yōu)勢，發(fā)電量提高79.58%、沼液還田量提高64.53%、沼渣墊料轉(zhuǎn)化量提高53.00%。這主要是由于第三方運(yùn)營進(jìn)行了如下優(yōu)化。

3.1.1 工藝優(yōu)化

1）優(yōu)化進(jìn)料方式。養(yǎng)殖場自運(yùn)營時采用大批量間歇進(jìn)料，酸化頻發(fā)，系統(tǒng)穩(wěn)定性較差。而第三方運(yùn)營商采用小批量連續(xù)進(jìn)料，物料攪拌充分（高效的攪拌能促進(jìn)微生物與物料的充分反應(yīng)，并有效避免上部浮渣層、底部沉淀層形成[21-22]），系統(tǒng)穩(wěn)定性提升；2）及時調(diào)整反應(yīng)器負(fù)荷。第三方運(yùn)營商通過實驗室監(jiān)測分析干物質(zhì)含量、揮發(fā)性脂肪酸（volatile fatty acids, VFA）、總堿度（total alkalinity, TA）等指標(biāo)，通過判斷VFA/TA值及時調(diào)整反應(yīng)器負(fù)荷（VFA/TA<0.3，反應(yīng)器負(fù)荷較低，增加進(jìn)料量，減小二級反應(yīng)器回流量，當(dāng)VFA/TA介于0.3～0.4，保持穩(wěn)定的進(jìn)料負(fù)荷，VFA/TA>0.4，負(fù)荷較高，則降低進(jìn)料量，增加二級反應(yīng)器回流量），并通過自動化監(jiān)測和控制系統(tǒng)，實時監(jiān)測和及時調(diào)整，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。3）第三方運(yùn)營商調(diào)整了鍋爐進(jìn)水和回水溫差及進(jìn)行季節(jié)差異性供熱，降低系統(tǒng)能耗[23]；4）優(yōu)化反應(yīng)器污泥回流程序。該沼氣工程基于“微生物倍增”理論[24]，優(yōu)化了二級反應(yīng)器污泥回流程序，縮短了水力停留時間提高了系統(tǒng)處理效率，同時有效延長了污泥停留時間，促進(jìn)代謝周期長的產(chǎn)甲烷菌繁殖倍增[24]，并有助于富集多種牛糞降解功能微生物，提高了系統(tǒng)厭氧消化性能，提高了反應(yīng)器效率、系統(tǒng)產(chǎn)氣率和穩(wěn)定性[22,25]。5）改造供熱系統(tǒng)。第三方運(yùn)營商通過更換發(fā)酵系統(tǒng)加熱盤管、在進(jìn)料池外壁增加保溫層優(yōu)化了系統(tǒng)供熱，提高了系統(tǒng)熱效率。

表1　養(yǎng)殖場自運(yùn)營與第三方運(yùn)營模式下運(yùn)行參數(shù)對比

3.1.2經(jīng)營管理優(yōu)化

1）優(yōu)化產(chǎn)物利用方式。養(yǎng)殖場自運(yùn)營時，沼氣工程價值鏈無法有效鏈接上下游產(chǎn)業(yè)。沼氣僅用于給厭氧系統(tǒng)供熱、發(fā)電自用（2臺500 kW的熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電機(jī)組只能每天按需分時段發(fā)電），多余沼氣以火炬燃燒方式消耗；而第三方運(yùn)營商的發(fā)電并網(wǎng)模式，提高了沼氣利用率及項目收益。第三方運(yùn)營商還通過與種植戶簽訂協(xié)議、科學(xué)指導(dǎo)還田、擴(kuò)大消納土地面積等方式解決了沼液消納問題。2）優(yōu)化人員管理。第三方運(yùn)營商通過建立標(biāo)準(zhǔn)化的運(yùn)行操作流程，實驗室檢測、自控操作及定期巡檢及故障排查等服務(wù)，降低了33.33%人力需求。

3.2 兩種運(yùn)營模式下物質(zhì)能量流分析

綜合表1中的運(yùn)行參數(shù)，兩種模式下，沼氣工程的物質(zhì)和能量流動情況如圖2所示。養(yǎng)殖場自運(yùn)營模式下糞污投入總量分別為18.25萬t（TS=5.7%，VS=75%），能源投入199萬kW·h，以國家統(tǒng)計局每度電折0.404 kg標(biāo)準(zhǔn)煤折算，投入0.08萬t標(biāo)煤；經(jīng)厭氧發(fā)酵后，沼氣輸出360萬m3，以1.221 kg/m3折算，計0.44萬t，沼液輸出15.89萬t（TS=3%），沼渣輸出2萬t（TS=25%）（圖2a），其中，沼氣通過熱電聯(lián)產(chǎn)、鍋爐供熱及火炬燃燒等方式進(jìn)一步發(fā)生流動,56.82%能量用于熱電聯(lián)產(chǎn)。第三方運(yùn)營模式下，糞污與能源投入分別為27.74萬t（TS=5.7%，VS=75%），181.8 kW·h（折算標(biāo)煤0.07萬t），輸出沼氣547萬m3，沼液24.68萬t，沼渣2.46萬t（圖2b），與自運(yùn)營模式相比，第三方運(yùn)營模式下，沼氣產(chǎn)量更高，流向熱電聯(lián)產(chǎn)的能量也越多，65.67%能量用于熱電聯(lián)產(chǎn)。三方運(yùn)營模式下嘉立荷沼氣工程的處理能力和產(chǎn)出效率更具優(yōu)勢。

注：圖c、d中損耗1指沼液散熱損失，損耗2指熱電聯(lián)產(chǎn)的熱量損失。圖a、b中數(shù)值單位為104t·a-1,圖c、d中數(shù)值單位為GJ·a-1。

能量流核算可以明確各單元能量變化情況，評估能量損耗和節(jié)能潛力為系統(tǒng)升級、改造提供支撐[15]。本研究對系統(tǒng)所需原料能量和能源動力計為外部輸入能量，沼氣、沼渣、沼液三產(chǎn)物能量為輸出能量[26]；電能輸入按3.6 MJ/kW·h計算，輸入原料及沼渣按15 MJ/kg干基為標(biāo)準(zhǔn)計算奶牛糞污能量輸入和沼渣能量輸出[27]，沼氣成分按含60%甲烷，40%二氧化碳計，沼氣熱值21.54 MJ/m3[28]，沼液熱量損耗按式（1）計算，沼液能量通過能量守恒原則計算。

如圖2c所示，養(yǎng)殖場自運(yùn)營模式下，原料能量輸入156 038 GJ，能源能量輸入為7 164 GJ；沼氣能量輸出77 544 GJ，沼液、沼渣能量輸出分別為3 627、75 000 GJ；沼氣中22 302 GJ流向熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，46 795 GJ能量流向鍋爐供熱系統(tǒng)，另有沼氣利用過程及沼液散熱分別損耗能量8 717、7 031 GJ。如圖2d所示,第三方運(yùn)營模式下，原料能量輸入237 177 GJ，能源能量輸入為6 545 GJ，沼氣能量輸出117 824 GJ，沼液、沼渣能量輸出分別為13 953、92 250 GJ，沼氣中39 564 GJ能量流向熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，43 399 GJ能量流向鍋爐供熱系統(tǒng)，另有沼氣利用過程及沼液散熱分別損耗能量34 861 GJ（熱電聯(lián)產(chǎn)過程大量散熱）、沼液帶走熱量19 695 GJ。能耗比是各類產(chǎn)物的總能量與原料能量的比值，能量回收率指各類產(chǎn)物的總能量（與總能量輸入的比值，常用于評價系統(tǒng)能耗水平。本研究中，養(yǎng)殖場自運(yùn)營模式和第三方運(yùn)營模式的能耗比分別為94.50%、79.76%；能量回收率分別為90.35%、77.62%。這主要由熱電聯(lián)產(chǎn)環(huán)節(jié)能量損失高，可通過回收熱電聯(lián)產(chǎn)余熱提高能量利用效率[29]。

3.3 LCA結(jié)果分析

LCA結(jié)果如圖3所示，2種運(yùn)營模式下的沼氣工程實現(xiàn)了不同程度的碳減排，通過歸一化比對后發(fā)現(xiàn)，自運(yùn)營模式、第三方運(yùn)營模式每年分別減少了溫室氣體排放10 938.12、19 438.82 kg，以CO2當(dāng)量計，第三方運(yùn)營模式下的碳減排量比自運(yùn)營模式提高了77.71%，顯示出更為積極的環(huán)境效益。

3.4 經(jīng)濟(jì)效益分析

在案例計算期內(nèi)，該沼氣項目在2種運(yùn)營模式下生產(chǎn)成本和項目收入如表2所示。20 a案例計算期內(nèi)，第三方運(yùn)營模式下，生產(chǎn)成本（動力及燃料成本、工資、折舊費、修繕費等）降低11.64%，經(jīng)營、管理及沼液處理成本分別提高3.38%、565.67%、85.89%，同時第三方運(yùn)營模式下平均利潤額增長705.97%，沼氣發(fā)電收入和沼渣墊料收入分別提高71.09%，53.13%。綜上，第三方運(yùn)營模式下保證了該沼氣項目的良好收益，說明其運(yùn)營管理的質(zhì)量和效率更高。

圖3 養(yǎng)殖場自運(yùn)營和第三方運(yùn)營模式下LCA結(jié)果

綜合分析項目利潤、財務(wù)內(nèi)部收益率、財務(wù)凈現(xiàn)值等指標(biāo)，評價過程的經(jīng)濟(jì)敏感性和盈虧平衡點，能夠幫助評價項目的經(jīng)濟(jì)可行性。如表2，養(yǎng)殖場自運(yùn)營模式下，財務(wù)內(nèi)部收益率為2.13%，遠(yuǎn)低于行業(yè)基準(zhǔn)收益率，財務(wù)凈現(xiàn)值?1 976萬元，投資回收期18.65 a，總投資收益率為1.47%，項目資本金凈利潤率1.41%，養(yǎng)殖場自運(yùn)營模式下該沼氣工程盈利性差。在第三方運(yùn)營模式下，財務(wù)內(nèi)部收益率為12.33%（稅后），財務(wù)凈現(xiàn)值1 590萬元（稅后），投資回收期8.23 a（稅后），總投資收益率14.28%，項目資本金凈利潤率9.02%?？梢?，養(yǎng)殖場自運(yùn)營模式下項目基準(zhǔn)收益率遠(yuǎn)低于行業(yè)基準(zhǔn)收益率，投資回收期長，項目盈利能力極差[17]，而第三方運(yùn)營模式具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和市場競爭力。小型沼氣系統(tǒng)內(nèi)部收益率一般為6%～12%，投資回收期3.92～20 a[2,17]，大型沼氣工程內(nèi)部收益率10%～25%，投資回收期2.22～7 a[18,30-32]，這說明嘉立荷沼氣工程的效率和收益率仍可繼續(xù)提高。

沼氣工程是解決農(nóng)業(yè)農(nóng)村污染物的重要手段，也是滿足農(nóng)村清潔能源需求的重要途徑，提高其經(jīng)濟(jì)性和可持續(xù)性十分必要。本文表明第三方運(yùn)營模式是一種具有潛力的大型沼氣工程管理模式，正如在其他行業(yè)的表現(xiàn)一樣，第三方運(yùn)營模式不僅能建立技術(shù)和執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)，整合資源，降低產(chǎn)業(yè)鏈成本[33]；也能減少污染物排放，創(chuàng)造新的就業(yè)機(jī)會，促進(jìn)資本流通[34]。綜上，第三方運(yùn)營模式具有專業(yè)技術(shù)、資金運(yùn)作及產(chǎn)業(yè)整合的能力，是實現(xiàn)沼氣價值鏈的有效手段。

表2 養(yǎng)殖場自運(yùn)營與第三方運(yùn)營模式下經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比

敏感性分析可確定影響項目經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵因素。敏感性系數(shù)絕對值越大，則項目經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對該因素的敏感性越高[35]。如表3，在2種經(jīng)營模式下，銷售收入、經(jīng)營成本、建設(shè)投資的敏感性都遵循由大到小的順序，產(chǎn)品的銷售輸入是影響該沼氣工程收益的主導(dǎo)因素，且養(yǎng)殖場自運(yùn)營模式下的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對各不確定因素變化更敏感。綜上，該沼氣工程持續(xù)可行的關(guān)鍵是將沼氣工程下游產(chǎn)品（沼氣、沼液、沼渣）高值化以增加項目利潤。

3.5 GEP擬合結(jié)果分析

選取養(yǎng)殖場自運(yùn)營模式和第三方運(yùn)營模式下的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，對容積產(chǎn)氣率進(jìn)行擬合。其中養(yǎng)殖自運(yùn)營訓(xùn)練樣本181組，測試樣本28組，第三方運(yùn)營模式訓(xùn)練樣本據(jù)148組，測試樣本26組。擬合結(jié)果如下：

式中表示容積產(chǎn)氣率，m3/(m3·d);下標(biāo)1和2分別表示養(yǎng)殖場自運(yùn)營模式和第三方運(yùn)營模式；表示進(jìn)料量，m3；表示發(fā)酵罐溫度，℃；表示糞污中總的干物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，mg/kg。

表3 2種運(yùn)營模式下案例沼氣工程財務(wù)敏感性分析

為驗證所建立的GEP模型的預(yù)測效果，利用測試樣進(jìn)行預(yù)測，采用平均絕對誤差（mean average error, MAE）、均方誤差（mean square error, MSE）和均方根誤差（root mean square error, RMSE）作為模型預(yù)測結(jié)果的評價指標(biāo)。將預(yù)測輸出值與試驗觀測值進(jìn)行對比，結(jié)果如表4所示。

表4 GEP預(yù)測效果評價

從表4的結(jié)果中可知，GEP算法預(yù)測結(jié)果與實際觀測值相近，具有一定的實用性和可靠性，不僅為沼氣工程的投入-產(chǎn)出提供了參考，也為工程過程的優(yōu)化提供策略。

4 SWOT分析及建議

農(nóng)業(yè)面源污染治理市場化、專業(yè)化是環(huán)境污染治理的主要有效措施。第三方運(yùn)營模式一是能夠引入社會資本、激發(fā)社會資本的活力，緩解政府資金投入壓力；二是能夠引入社會專業(yè)的技術(shù)和能力，并采取后期運(yùn)營回收成本及盈利的激勵機(jī)制，可促進(jìn)技術(shù)發(fā)展、提高效率。

4.1 第三方運(yùn)營模式SWOT分析

基于SWOT（strengths weakness opportunity threats，SWOT）分析，結(jié)合本案例結(jié)果，第三方運(yùn)營模式具備以下優(yōu)勢因素[5,36]：1）專業(yè)的知識和人才儲備提升了系統(tǒng)運(yùn)行效率和廢棄物資源化利用率；2）商業(yè)化運(yùn)作模式提高了企業(yè)利潤，實現(xiàn)共贏；3）在環(huán)保要求和雙碳背景下，第三方運(yùn)營模式有利于構(gòu)建農(nóng)牧循環(huán)、協(xié)同發(fā)展的生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈。

同時，第三方運(yùn)營也存在以下劣勢[37]：1）行業(yè)起步晚，第三方運(yùn)營模式接受程度仍較低；2）引起排污主體與污染治理主體間的權(quán)責(zé)不明，第三方運(yùn)營模式將治污行為轉(zhuǎn)移至第三方運(yùn)營商，并未轉(zhuǎn)移法律責(zé)任；3）第三方治理產(chǎn)業(yè)發(fā)展沒有明確的市場信號，沒有建立起強(qiáng)制性的市場保障政策，無法形成穩(wěn)定的市場需求[3]。

此外，第三方治理模式還具有以下機(jī)會因素：1）中國農(nóng)村生活垃圾體量大，轉(zhuǎn)化潛力大，沼氣工程是處理農(nóng)業(yè)農(nóng)村廢棄物的重要技術(shù)[38]，將極大推動廢棄物末端治理需求，專業(yè)的第三方運(yùn)營商具備合作機(jī)會；2）人工智能、大數(shù)據(jù)處理、云計算等技術(shù)將不斷被引入，行業(yè)智能化建設(shè)的突破將給該模式帶來新的發(fā)展動力。

4.2 政策建議

政府、種植和養(yǎng)殖方、第三方運(yùn)營企業(yè)是農(nóng)業(yè)面源污染治理的參與主體。為推進(jìn)畜禽糞污源頭治理與綜合利用，以“政府支持、市場運(yùn)作、社會參與、因地制宜”為原則，提出以下建議：1）有力的政府監(jiān)管和激勵措施。適度的政府補(bǔ)貼是降低沼氣工程成本、促進(jìn)沼氣工程可持續(xù)發(fā)展的必要條件，建議擴(kuò)大和落實設(shè)備購買、有機(jī)肥生產(chǎn)、稅收優(yōu)惠或其他技術(shù)支持的補(bǔ)貼。2）政府牽頭農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園區(qū)整體規(guī)劃，各責(zé)任相關(guān)方積極參與，建立和維護(hù)一條暢通的糞污產(chǎn)業(yè)鏈，逐步構(gòu)建長效合作機(jī)制。3）營造良好的企業(yè)參與的市場環(huán)境，發(fā)揮市場資源配置能力，撬動金融和社會資本投入，引導(dǎo)養(yǎng)殖場和第三方經(jīng)營主體主動參與。4）堅持生產(chǎn)環(huán)保統(tǒng)籌兼顧、種植養(yǎng)殖協(xié)調(diào)發(fā)展、分區(qū)分類精準(zhǔn)施策、市場政府兩手發(fā)力，全面推進(jìn)畜禽糞污資源化利用。5）第三方運(yùn)營企業(yè)應(yīng)提高專業(yè)水平、分析客戶需求、提高設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化和可操作性。

5 結(jié) 論

1）在本案例中，第三方運(yùn)營模式提高了該沼氣工程的穩(wěn)定運(yùn)行能力、物質(zhì)和能量產(chǎn)出，提高了環(huán)境效益；

2）進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)余熱回收有提高沼氣工程能量利用效率的潛力；

3）20 a案例計算期內(nèi)，第三方運(yùn)營模式提升了稅后財務(wù)內(nèi)部收益率提高10.20個百分點，財務(wù)凈現(xiàn)值提高3 566萬元，投資回收期縮短10.42 a，項目整體收益和市場競爭，該模式市場潛力巨大，但尚不成熟；

4）建議按照“政府支持、企業(yè)主體、市場化運(yùn)作”原則，鼓勵推廣廢棄物第三方治理服務(wù)，推進(jìn)和完善第三方治理體系，實現(xiàn)廢棄物治理方式的綠色轉(zhuǎn)型。

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Operation and management analysis of large-scale biogas projects under third-party mode

CHEN Chunlin1,3, WANG Mingming2, JIA Jixiu1,3, LI Jiaming1,3, CAO Maojiong1,3, SONG Xiaole2, DUAN Na1,3, LIU Zhidan1,3※

(1.(2),,100083,; 2..,,102412,; 3.,,100083,)

A large amount of waste has been produced in the intensive livestock industry in recent years. A series of threats can be found in the natural ecological system. The end treatment is essential to promote the sustainable development of animal husbandry, particularly for the pollutant reduction, resource valorization, and harmless treatment of livestock waste. The biogas project has been the most economical and effective mode to convert the organic matter of manure into the renewable energy. There are over 100 thousand biogas projects in different scales in China nowadays. A great contribution has been made to promote the resource recovery efficiency for the reduction of the fecal loss, malodorous gas escape, and greenhouse gas production. Nevertheless, the complicated system has posed a great challenge on to the construction, operation, and management of biogas projects for the livestock manure in recent years. It is necessary to fully realize the systematical technology via the engineering management in the biogas industry. The innovative third-party operation mode has been introduced to the large-scale biogas project at present. The management strategy has been also utilized to fully realize the eco-friendly and high-efficient manure treatment. Therefore, it is necessary to explore the resource valorization and benefit evaluation of manure treatment projects in large-scale farms. In this study, the third-party operation of the biogas project was proposed to carry out the multi-perspective analysis of material flow, energy flow, environmental and economic evaluation. A case study was taken as the cow manure biogas plant (total available fermentation volume 10 800 m3) over the a 20-year period. Besides, an optimization strategy of the fermentation process was provided to analyze the biogas output using gene expression programming. The results show that the third-party operation was improved both engineering efficiency and economic benefits. The handling capacity of biogas projects, biogas output, and biogas power generation under the third-party operating mode increased by 52.00%, 23.00%, and 79.58%, respectively, compared with the self-operation mode. The total capacity of cogeneration is improved under the third-party operation. However, the energy consumption ratio and the energy recovery rate reduced by 14.74% and 12.73% respectively, which was mainly caused by the lack of waste heat recovery. The financial analysis showed that the financial internal rate of return in the third-party operation mode increased by 10.20 percentage points, while the after-tax financial net present value increased by 35.66 million CNY, and the payback period was shortened by 10.42 years. In addition, the financial sensitivity analysis demonstrated that the ever-increasing added value of downstream products (biogas, slurry, and residue) was the key factor to improve the economic benefits of the biogas project. And, the carbon emission reduction was 77.71% higher under the third-party operation mode than that under the self-operation one, indicating more positive environmental benefits. This finding can provide an engineering reference and process optimization strategy for the popularization of third-party operation mode in large-scale biogas projects and waste treatments.

manure;biogas; project management; material and energy flow; economic analysis

10.11975/j.issn.1002-6819.202211011

X713

A

1002-6819(2023)-05-0256-09

陳春琳，王明明，賈吉秀，等. 第三方運(yùn)營下規(guī)?；笄菡託夤こ踢\(yùn)行與管理[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2023，39(5)：256-264.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202211011 http://www.tcsae.org

CHEN Chunlin, WANG Mingming, CAO Maojiong, et al. Operation and management analysis of large-scale biogas projects under third-party mode[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2023, 39(5): 256-264. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202211011 http://www.tcsae.org

2022-06-16

2023-02-15

國家自然科學(xué)基金國際合作與交流項目“農(nóng)業(yè)畜禽和農(nóng)村廁所廢水多污染物快速消減機(jī)制與節(jié)能增效”（52261145701）

陳春琳，研究助理，研究方向為生物質(zhì)資源化利用。Email：clchen@cau.edu.cn

劉志丹，博士，教授，研究方向為環(huán)境增值能源、生物質(zhì)能源技術(shù)。Email：zdliu@cau.edu.cn.

中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會高級會員：劉志丹（E041200655S）