非洲的许多沼气系统由于项目设计和工程设计不佳而失败：来自马拉维南部的见解

《Environmental Development》：Many Biogas Systems in Africa Fail Due to Poor Project and Engineering Design: Insights from Southern Malawi

基于61个马拉维南部沼气系统的定性评估与参与式观察，研究提出整合工程设计、系统功能、价值创造与用户体验的综合评价框架，揭示设计缺陷、知识碎片化及协调不足是导致系统性能分化（从理想成功到彻底失败）的核心原因，强调需结合本地实际优化设计并加强技术支持。

　　

乔纳森·奥尔拉尔·奥格旺（Jonathan Olal Ogwang）| 约翰·西克斯（Johan Six）| 乔纳森·夸ング莱罗（Jonathan Kwangulero）| 伊丽莎白·蒂利（Elizabeth Tilley）| 马克·卡利纳（Marc Kalina）

瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）环境系统科学系，可持续农业生态系统研究

摘要

厌氧消化（AD）常被视为资源有限环境下废物管理、卫生设施改善、可再生能源生产和养分回收的潜在解决方案。然而，撒哈拉以南非洲地区沼气系统的实际运行效果仍缺乏充分记录，许多AD系统未能达到预期效果。本研究通过定性现场评估、访谈、参与式观察和社会技术分析，对马拉维南部61个中小型沼气系统进行了评估。我们开发并应用了一种综合评估框架，该框架涵盖了工程设计、系统功能、价值创造和用户体验等方面，超越了传统的“成功”或“失败”的二分法。没有一个系统达到了我们定义的“最佳成功”标准，即系统完美实现了所有预期效益。仅有少数系统实现了“情境成功”，即在适应当地条件和用户需求的同时，最大化了效益并最小化了负面环境影响。总体而言，系统表现不佳主要与设计缺陷和实施不当有关，这些问题源于开发者、安装者、用户和政策制定者之间的沟通不畅及知识体系不完善。这些缺陷涉及培训、维护和运营等方面，最终影响了沼气系统的成功与长期可持续性。通过改进设计、开展针对性教育和提供持续的技术支持，对于提升这些系统在适用且可行的地区的可行性和价值至关重要。事实上，在项目设计和初期阶段明确这些系统的适用性和可行性可能是最关键的一步。

引言

厌氧消化（AD）是一种将有机物质转化为富含甲烷气体的生物处理技术，在全球范围内得到广泛应用。作为一种可持续的生物处理方法，AD不仅能产生有价值的能源，还能生成可用作有机肥料的富含养分的消化物（Gerardi, 2003）。特别是在德国和瑞典等高收入国家，AD技术已广泛应用于污水处理厂、城市固体废物处理厂、填埋场气体回收设施和工业生物废物处理设施（Abbasi et al., 2011; Scarlat et al., 2018; World Biogas Association, 2017）。在这些应用场景中，沼气被用于发电或空间供暖，同时也有越来越多的人将其作为车辆燃料，甚至进一步提纯为生物甲烷以替代直接供热和发电（Abbasi et al., 2011; Scarlat et al., 2018）。然而，在低收入和中等收入国家，AD系统通常应用于家庭层面，主要用于处理动物粪便、食物废弃物及部分人类排泄物，产生的沼气主要用于烹饪或照明（Surie, 2017; Pilloni & Hamed, 2021）。

鉴于AD技术的诸多优势，撒哈拉以南非洲地区（SSA）也大量实施了此类项目，旨在缓解该地区普遍存在的废物管理、卫生和能源问题（Dladla et al., 2016; Kalina et al., 2022; Rupf et al., 2015; Tomala et al., 2021）。尽管在这些国家投入了大量资金，但许多项目未能达到预期目标，要么运行效果不佳，要么在投入使用后彻底失败。尽管关于沼气技术的学术研究较多，但针对具体项目成果的个案研究却相对较少（Cheng et al., 2011; Huong et al., 2014; Laramee & Davis, 2013a）。此外，现有研究往往过于简化项目成果，将其简化为“成功”或“失败”两种极端情况（Diouf & Miezan, 2019; Hewitt et al., 2022a; Mukeshimana et al., 2021; Sayuri Chetty, Sofia Gijova, Carola Hantelman Nawa, 2016; Solomon Eghosa Uhunamure et al., 2020; Wachera, 2009; Wassie & Adaramola, 2020）。这种简化的描述未能充分反映项目的复杂性和多样性。鉴于此知识空白，我们如何全面理解并评估系统性能，以促进行业学习并避免重复过去的错误？同时，在非洲特定背景下实施AD系统时，成功的标准又该如何界定？

本文旨在探讨沼气项目实施后的实际表现，并重新审视非洲厌氧消化（AD）项目的成功与失败标准。通过对马拉维南部61个小型沼气系统的案例研究，结合与项目所有者及提供者的访谈、现场社会技术分析和参与式观察，评估了设计选择、运营实践和制度安排对项目成果的影响，涵盖了从项目被废弃到在特定条件下取得成功的各种情况。

文献综述

尽管研究表明AD技术在能源、卫生和废物管理方面具有潜力，但其实际效果仍需进一步研究，尤其是在撒哈拉以南非洲地区。现有文献多关注AD技术的潜在效益（如沼气生产和富含养分的消化物），或不同原料的技术可行性（Jaro et al., 2021; Viancelli et al., 2019），而对项目实际运行情况的分析较少。

研究设计

本研究基于马拉维南部布兰泰尔（Blantyre）地区的61个沼气系统案例（图1）。田野调查于2021年6月至2022年10月进行。作为东南非的内陆国家，马拉维是全球最贫穷和最不发达的国家之一，长期面临治理和发展挑战。尽管如此，该国仍受益于大量外援和投资，包括在废物管理领域的投入。

结果

评估结果显示，61个系统的表现差异显著：有些系统在本地条件下取得了显著效益，而有些系统则从未启动或在安装后不久就被废弃。

讨论

现有文献强调了二元评价方法的局限性，呼吁采用更全面的评估方式，以认识AD项目的复杂性和多样性。我们提出了一个更细致的成果评估体系，涵盖了从理想状态到彻底失败的各种情况。评分最高的两个等级（8分和9分）代表设计优良的系统，这些系统充分考虑了用户需求，未对用户和环境造成负面影响。相反，评分较低的等级（7分及以下）则表明系统存在明显问题。

结论

本研究评估了马拉维南部中小型厌氧消化（AD）项目的表现，旨在识别影响项目成败的因素，包括以往研究中容易被忽视的因素。主要发现是，设计缺陷和实施不当是项目失败的主要原因，这源于知识不足。这种知识缺口导致了设计、实施等方面的问题。

资金支持

本研究由苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）的ETH4D博士奖学金计划资助。

CRediT作者贡献声明

乔纳森·奥尔拉尔·奥格旺（Jonathan Olal Ogwang）： 负责撰写初稿、数据可视化、验证、软件开发、项目管理、方法论设计、资料收集、数据分析、概念构建。 乔纳森·夸ング莱罗（Jonathan Kwangulero）： 数据验证、方法论设计、数据分析。 伊丽莎白·蒂利（Elizabeth Tilley）： 文章审稿与编辑、项目监督、资源协调、资金筹集、概念构建。 马克·卡利纳（Marc Kalina）： 文章审稿与编辑、数据验证、项目监督、方法论设计。

伦理审批

本研究已获得马拉维国家社会科学与人文学科研究委员会（Protocol No. P.03/21/560）的审批。

数据公开

本研究生成的数据集可在Zenodo平台上公开获取：https://doi.org/10.5281/zenodo.8289621

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的财务利益冲突或个人关系。