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一、科學確立發展思路
全面貫徹落實科學發展觀,把生物質能源建設擺上政府重要工作日程,以加快轉變經濟發展方式為契機,以“纖維乙醇、大中型沼氣、沼氣發電”為突破口,按照“科學規劃、分步實施,因地制宜、突出重點,培育龍頭、創新技術,總結經驗、擴張規模”的基本思路,利用法律、經濟、行政的手段,以河南天冠集團等骨干企業為依托,積極建設南陽國家級生物質能等新能源高技術產業基地,構建世界一流水平的企業研發技術平臺,集中力量突破一批關鍵核心技術和重大工藝設備,完善配套政策,加大政府支持力度,創新支持模式,培育一批具有自主知識產權、核心競爭力強的生物質能源龍頭企業,做大做強河南省生物質能產業。
二、完善法律法規和政策
一是制定《農作物秸稈綜合利用管理辦法》。要從保護自然生態環境的高度,把《農作物秸稈綜合利用管理辦法》上升到省級法律層面,以利于堅決杜絕秸稈焚燒問題,也為生物質能企業收購秸稈時防止農民亂漲價打好基礎。二是制定河南省《生物質能源中長期發展規劃》。根據國家相關法律法規,結合客觀實際,對河南省生物質資源開展調查摸底,確立全省生物質能源建設的指導思想、基本原則、目標、發展重點、配套政策及措施,為下一步科學發展提供依據。三是分別制定秸稈纖維乙醇、生物質沼氣、沼氣發電等政府支持政策。四是支持沼氣發電進入國家大電網,落實好國家投資補貼和稅收減免政策,創新補助資金使用方式,提高財政資金使用效率。
三、加大政府支持力度
一是支持城市公交汽車使用沼氣替代汽油。二是對于生物質能企業給予“零”稅率政策,比如對于秸稈收集、地溝油收集等中介組織給予免稅待遇。三是加大“省可再生能源發展專項資金”數額,其增加幅度應不低于河南省經濟增長速度。四是建立政府引導和大型生物質能源企業參與的投入機制,積極吸引民間、社會等資本向生物質能產業投資,形成多渠道投融資發展格局。五是進一步提高生物質能發電的上網電價,其中包括養殖場沼氣發電、秸稈沼氣發電和秸稈直燃發電等。
四、積極開展對外交流與合作
充分用好國際國內兩個市場、兩種資源。一是積極承接國內外生物質能企業項目和技術轉移,引進世界一流技術設備,進行消化吸收和再創新,提高生物質能企業技術裝備水平。二是加強國際交流與合作。拓寬交流渠道,采取多種方式,加強同世界一流技術水平的生物質能企業交流與合作,建立起相對穩定的交流與合作渠道。三是引進一批具有國際領先水平的學科帶頭人、杰出學者。加強生物質能領域領軍人才、核心技術研發人才培養,加速構建一支高水平的生物質能發展人才隊伍。
五、搭建國內外一流技術研發平臺
一是搭建國內外一流企業技術研發平臺。支持企業與國內外最高水平的大學、科研單位和企業開展聯合與合作,搭建一流水平的企業研發平臺,建立起以企業為主體的技術創新體系。二是設立生物質能重大技術專項。支持生物質能基礎理論研究和應用技術研究,優化生產工藝,引導人才、資金、技術等要素資源向優勢企業積聚,提高能源利用效率和企業經濟效益。三是成立河南省生物質能產業技術創新聯盟。建立由包括纖維乙醇、大中型沼氣、生物質發電、生物柴油等企業、相關大學、科研單位參加的,以企業為主體、市場為導向、產學研緊密結合的河南省生物質產業技術創新聯盟,對生物質能關鍵核心技術進行長期、持續的研究,力爭取得重大突破。
六、實施大企業、大項目帶動戰略
一是重點支持河南天冠集團公司做大做強,引領產業技術升級,著力提高燃料乙醇生產能力、綜合利用能力,在國內率先實現纖維乙醇產業化規模生產。二是積極爭取把生物質能項目列入國家碳減排計劃,特別是農村大型養殖場沼氣發電、城市垃圾沼氣發電等項目。三是結合新型農村建設和村容村貌整治,建設大中型沼氣項目,打造“養殖—沼氣—發電—沼氣渣肥田—農作物—養殖”循環經濟發展模式,降低沼氣企業運行成本,也讓農民用上便宜的沼氣。四是支持生物質能企業開展橫向聯合、兼并與重組,培育大型龍頭企業和國內外知名品牌,形成大中小生物質能企業和原料收購中介緊密結合、相互配套、協調發展的格局。
七、加強人才隊伍建設
一、多能互補的必要性
數據顯示,我國60%左右農村人口仍然靠傳統的秸桿和薪材等解決能源問題。全國農村每年直接消耗的各種能源相當于5.6億噸標準煤,占全國總能耗的一半左右。發展新能源已成為改變農村能源使用結構,減少環境污染以及促進農村社會和諧發展的重要手段。然而,農村新能源到底該向何發展,發展中要解決哪些問題?
農村新能源主要包括沼氣、太陽能、風力發電、微小水電、生物質能這幾個方面。現階段農村能源應該多種形式并存,不同的地區應根據自身的特點,確定適合當地經濟發展水平的發展方向和發展重點。
在談到農村新能源利用時,國務院發展研究中心研究員周宏春教授提出了“四位一體”和“五配套”的概念。“四位一體”,就是以太陽能為動力,以沼氣為紐帶,將種植業和養殖業結合起來,在全封閉條件下將沼氣池、豬禽舍、廁所和日光溫室等一體化。
“這樣既解決農村的能源供應,改善農民衛生和生活環境,又可以減少農作物和蔬菜生長中農藥化肥的使用量,提高食品品質和食品安全。”“五配套”模式,是建一個沼氣池、一個果園、一個暖圈、一個蓄水窖和一個看營房,實行人廁、沼氣、豬圈三結合的立體養殖和多種經營系統。
農村新能源代表著未來能源利用的方向,發展前景是很好的。但是,一些地區受技術水平制約,影響了農村新能源技術的推廣使用。此外,隨著農村養殖戶的減少,沼氣的替代能源問題也是需要考慮的。拿沼氣發展來說,要跳出為沼氣而建沼氣池的單純觀念,將推廣沼氣與養殖、種植相結合,打造“養殖一沼氣一種植”的模式,促進經濟增長方式的轉變,達到“三沼(氣、渣、液)”綜合利用,增加農民收入的目標。
總之,農村能源的發展應堅持“因地制宜,多能互補,綜合利用,講求效益”。“特別是要重視發展生物質能技術及其產業。”農村能源行業協會會長朱明強調說。具體來說,就是大力發展以秸稈、稻草等這些原料豐富、取材容易的生物質能,以及清潔的太陽能、風能、微水電等可再生能源,同時通過改革爐具等措施提高能源利用效率,以實現農村地區社會經濟的可持續發展。
國家發展改革委副主任解振華表示,未來我國將有序推進以秸稈為主要原料的生物質能源。為緩解資源能源約束,發展循環經濟,保護環境,應對氣候變化,我國將大力推動農作物秸稈在農業領域的循環利用,積極發展以秸稈為原料的加工業,有序發展以秸稈為原料的生物質能源。
二、生物質產業和技術在各國的發展概況
生物質產業已受到了國際社會的廣泛關注,許多國家制定了促進生物質產業發展的相關政策,并投入了大量的資金用于研究開發和推廣應用。由于生物質能作為可再生能源僅次于煤炭、石油、天然氣之后第四大能源,因此它在整個能源系統中占有重要的地位。近些年來,開發利用生物質能成為當前國內外廣泛關注的重大課題,既涉及農業和農村經濟發展,又關系到國家的能源安全。作為經濟快速發展的中國,大力開發新型可再生能源已經是國家發展的重要戰略,因此開發利用生物質能這一課題,有利于中國開拓新能源,并且能夠緩解能源供需矛盾,也是解決“三農”問題,保證社會經濟持續性發展的重要任務。
生物質能的利用分為兩種:直接用作燃料的有農作物的秸稈、薪柴等;間接作為燃料的有農林廢棄物及藻類等,它們通過微生物作用生成沼氣,或采用熱解法制造液體和氣體燃料,也可制造生物炭。生物質能是世界上最為廣泛的可再生能源。據估計,每年地球上僅通過光合作用生成的生物質總量就達1440~1800億噸(干重),其能量約相當于20世紀90年代初全世界總能耗的3~8倍。但是尚未被人們合理利用,多半直接當薪柴使用,效率低。影響生態環境。
現代生物質產業是利用農作物及其殘體、畜禽糞便、有機廢棄物等可再生或循環的有機物質為原料,通過TA性加工轉化生產化工產品、生物質燃料和生物能源以及生物質產品的一個格外引人關注的新興產業。生物質既是可再生能源,也能生產出上千種的化工產品,且因其主要成分為碳水化合物,在生產及使用過程中與環境友好、又勝石油能源一籌。
目前我國的秸稈產出量已超過7億噸,折合成標煤約為3.5億噸,相當于7個神東煤田,全部利用可以減排8.5億噸二氧化碳,相當于2007年全國二氧化碳排放量的1/8。隨著國家明確提出到2015年秸稈綜合利用率在80%的行動目標,我國秸稈資源化駛入快車道。以“秸稈能源”為代表的生物質能利用,在大力發展低碳經濟的背景下,進入人們的視野。
目前。世界上較為成熟、可規模化開發利用的生物質技術主要集中在發電、固化成型燃料、沼氣和液體燃料等方面。其中,生物質發電在發達國家已受到廣泛重視,2005年全世界生物質發電的裝機容量約達5000萬千瓦,主要集中在北歐和美國。
生物質固化成型燃料在發達國家通常用來替代煤、燃氣等作為民用燃料進行炊事、取暖,或用于區域供熱和發電等。美國和歐洲一些國家的生物質成型燃料產品已進入商業化階段,并相應開發了專用爐具;泰國、印度、越南、菲律賓等國也建成了一些生物質成型燃料生產廠,逐漸進入了規模化生產階段。
沼氣技術已經在有些國家普遍應用,歐洲和印度等地已建設了大量的戶用沼氣和大中型沼氣工程。截至到2003年底,德國的大中型沼氣工程總數已超過3000個,大多采用以畜禽糞便和秸稈為主要原料的厭氧消化工藝,機械化和自動化程度很高,生產出來的沼氣主要用于發電。
生物液體燃料已實現規模化生產和應用。2005年,全世界生物燃料乙醇的總產量約為3000萬噸,主要集中在巴西和美國;生物柴油總產量約220萬噸,主要集中在德國。巴西以甘蔗為原料生產燃料乙醇,2005年的消費量為1200萬噸,替代了當年汽油消費量的45%;美國主要利用耕地多、產量大的玉米為原料,同時積極發展纖維素制取燃料乙醇技術。歐盟對生物燃料也很重視。主要以大豆、油菜籽和回收的動植物廢油等為原料生產柴油,2005年原歐盟15個成員國年產量約200萬噸,占世界總產量的90%,其中德國年產量約為150萬噸。
三、中國生物質產業的發展情況
中國農業生物質資源主要有農作物秸稈、畜禽糞便、農產品加工業副產品和能源作物等,資源豐富,產業發展潛力巨大。農業生物質具有資源種類多,分布范圍廣的特點,可轉化為電力、燃氣和液體燃料等多種商品位能源。
一直致力于生物質能研究的中國農業大學石元春院士認為,以秸稈為原料的現代能源是一個新興產業。在當今發展清潔能源應對全球氣候變暖的大形勢下,秸稈迎來了 一個發展現代能源產業的重大機遇。
根據最新資料和有關專家預測,我國秸稈目前的用途是:還田15%,飼料16%,工業原料3%,薪柴50%和露地焚燒16%。也就是說,目前秸稈中的66%,約6_7億噸是用于能源的,具有替代2.4億噸標煤和減排5.8億噸二氧化碳的能力。
秸稈還田、秸稈飼料、工業原料和薪柴的利用屬于傳統產業提升,而以秸稈為原料的現代能源是一個新興產業。據了解,秸稈能源在歐洲發展已經有30多年,特別是北歐的丹麥和瑞典,秸稈發電和顆粒燃料的技術成熟度和商業化程度最高。
1、農作物秸稈
2004年我國小麥、玉米、稻谷、棉花、大豆、薯類、油料等主要農作物產量達4.69億噸,秸稈產量約為5.96億噸。預計到2020年我國主要作物的秸稈總量將達到8億噸左右。其中,約有50%左右農作物秸稈用作農村居民生活用能,由于采用傳統的燃燒方式,效率低下;我國以甘蔗渣及稻殼發電為應用方式的生物質燃燒發電已得到初步應用,總裝機容量達800兆瓦;固化成型燃料技術已初步形成了研究、開發和應用同步推進的良好勢頭;以秸稈過腹還田、粉碎還田和生產有機肥還田的技術已形成一定應用規模;以秸稈為主要原料生產生物質材料的技術研究已經起步。
目前我國秸稈能源化主要有直接作為農村生活燃料、秸稈氣化、壓塊替代煤炭燃料以及秸稈發電這幾個途徑。其中秸稈氣化、壓塊替代煤炭燃料和秸稈發電已經在不少地方進行了探索和推廣。
發展秸稈顆料燃料產業前景廣闊。中國現年消費煤炭26億噸,其中中小鍋爐用約10億噸,是溫室氣體排放大戶,如果采用秸稈顆粒燃料替代,減排效益不可低估。
在中國,截至2007年底,核準的生物質直燃發電項目約百個,裝機容量2500兆瓦,建成投交并網發電的項目總裝機容量400兆瓦以上。截至2008年底,中國國能生物質發電集團已有10個30兆瓦和7個12兆瓦的生物質電站正在運營,其中單縣電站裝機容量30兆瓦,年發電2.2億千瓦時,可替代8.7萬噸標煤的燃煤,減排18萬噸二氧化碳,農民年新增收入6000萬元和獲得1000多個工作崗位。秸稈直燃發電的技術和設備已經可以全部自主與國產。
秸稈能源產業還將為農民帶來增收的機會。以每噸秸稈農民可獲250至300元算,全國4億噸能源用秸稈就能獲得1000億至1200億元。計劃2012年達40億元。此外,農村的能源中,由煙熏火燎燒薪柴到燒顆粒燃料,能效可以提高2~3倍,能源消費質量也將顯著提高。
2、能源作物
能源作物指經專門種植,用以作為能源原料的草本和木本植物,如甜高粱、甘蔗、木薯以及油菜等。全國未利用土地總面積為24508.79萬公頃,其中有6020.56萬公頃土地資源可供能源作物的開發種植。另外,每年還有約900萬公頃不同類型的季節性農閑地,可以種植能源作物。
3、生物液體燃料
我國已建設了以陳化糧為原料生產燃料乙醇的示范工程,分別在6省市進行示范,燃料乙醇年生產能力已達102萬噸。在非糧食作物生產燃料乙醇方面也取得了一定進展,已培育出適應鹽堿地種植的“醇甜系列”雜交甜高粱品種,并建成了產業化示范基地;培育并引進了多個優良木薯品種,平均畝產超過3噸;育成了一批能源甘蔗新品系和能、糖兼用型甘蔗品種,并篩選出了適合甘蔗清汁發酵的菌株和活性干酵母菌株。
此外,我國已對利用菜籽油、棉籽油、烏桕油、木油、茶油和地溝油等原料生產生物柴油的技術開展了研究,目前已有年產10萬噸生物柴油的生產能力。我國在雙低油菜與雜種優勢利用的結合上已達到國際先進水平:在油菜、油葵等主要作物上已開發出高含油量品種,含油量高達51.6%;為了不與食用油和工業用油爭原料,還開發了利用麻瘋樹果實、黃連木籽等能源作物生產生物柴油的技術,初步具備了商業化發展的條件;在利用季節性農閑地種植油菜生產生物柴油方面具有很大潛力。
四、生物質產業在中國未來的前景
以生物質為原料生產綠色能源和環境友好產品是人類實現可持續發展的必由之路,已成為世界科技領域的前沿。隨著經濟的發展和社會的進步,世界各國將會更加重視環境保護和全球氣候變化問題,通過制定新的能源發展戰略、法規和政策,進一步加快生物質產業的發展。
從目前生物質的資源狀況和技術發展水平看,今后發展的主要趨勢是發電、供熱、生產液體燃料和生物質材料等。最近20多年來,生物質技術發展很快,產業規模、經濟性和市場化程度逐年提高,預計在2010~2020年間,大多數生物質技術可形成較強的市場競爭力,在2020年以后將會有更快的發展,并逐步成為主導產業。
生物質產業正成為朝陽產業。在中國發展生物質產業具有深遠的意義,不僅有利于解決資源、能源短缺和環境污染問題,更是解決好“三農問題”、加快社會主義新農村建設的戰略舉措。中國政府高度重視生物質產業的發展。已經研究制定了一系列促進生物質產業發展的相關政策。
加強生物質技術研究與工程集成,在固化成型、燃燒、沼氣、燃料乙醇、生物質材料等方面的關鍵技術研究和裝備開發方面取得突破性進展,創新一批具有自主知識產權的技術和產品;推廣一批先進的生物質工程技術;建成一批生物質產業化示范工程;開展我國農業生物質資源現狀調查,初步查清我國生物質資源的擁有量和分布情況,建立生物質資源數據庫,促進我國農業生物質產業的形成與發展。
全面推進生物質工程科技創新,在生物質能源轉化和材料利用等方面達到國際先進水平,部分技術達到國際領先水平,增強我國農業生物質產業的國際競爭力。提高生物質能和產品在能源消費中的比重,通過生物質利用解決農村生活燃料短缺問題;基本實現農業廢棄物的資源化利用,促進我國生態環境保護和社會經濟的可持續發展。
以科學發展觀為統領,以國家目標和市場需求為導向,針對我國生物質產業發展的關鍵環節,選擇秸稈綜合利用、農業有機廢棄物資源化和能源作物開發為切入點,通過技術研究、集成和重點突破,創新生物質工程技術,加快生物質科研成果轉化,促進生物質產業化進程,為建設社會主義新農村、為提高國家能源保障能力、為全面實現資源節約型和環境友好型社會建設目標提供重要的科技和產業支撐。
我國政府及有關部門已連續在四個國家五年計劃將生物質能利用技術的研究與應用列為重點科技攻關項目,開展了生物質能利用技術的研究與開發,如戶用沼氣池、節柴炕灶、薪炭林、大中型沼氣工程、生物質壓塊成型、氣化與氣化發電、生物質液體燃料等,取得了多項優秀成果。《可再生能源法》的和實施表明中國政府已在法律上明確了可再生能源包括生物質能在現代能源中的地位,并在政策上給予了巨大優惠支持,“農林生物質工程”也已經成為“十一五”國家科技支撐計劃重大項目。
對國際上生物質產業發展趨勢和中國生物質產業發展現狀,以及需要解決的緊迫問題與薄弱環節,選擇秸稈綜合利用、農業有機廢棄物資源化和能源作物開發,增強我國農業生物質產業的競爭力,提高生物質能和在能源消費中的比重,通過生物質利用解決農村生活燃料短缺問題,基本實現農業廢棄物的資源化利用,促進我國生態環境保護和社會經濟的可持續發展。雖說生物質產業是世界發展和新興的朝陽產業。但其當前成本與價格尚難與石油基產品競爭。
利用取之不盡,用之不竭的農林生物質生產材料和石油化工產品是綠色化學的重要研究方向。
【關鍵詞】二次能源;生物質能;開發戰略
1 生物質能源的應用現狀
目前,國內外對生物質能發展主要集中在尋找生物質資源、研發生物質轉化技術、探討生物質能的生態環境效益3個方面,生物能技術主要應用于生物乙醇燃料、生物質氣體燃料、生物制氫、生物柴油四方面。
1.1 生物乙醇燃料
生物乙醇研究的重點主要集中于能源轉化效率和溫室氣體排放兩個方面。 以秸稈為原料生產燃料酒精的工藝中存在若干亟待解決的技術難題, 纖維素酶的生產是其中難點之一。目前提倡固體發醇, 但固體發酵不可能像液體發酵那樣隨著規模的擴大而大幅度下降成本。故從長遠發展角度來看, 應選用液體發酵技術[1]。
1.2 生物質氣體燃料
生物質氣化技術是一種熱化學處理技術,通過氣化爐將固態生物質轉換為使用方便而且清潔的可燃氣體,用作燃料或生產動力。
德國沼氣工程普遍采用產氣率高專用的青貯玉米作為主要發酵原料,產氣率是雞糞的2.5倍,豬糞的3.4倍,牛糞4.5倍。[2]
我國生物燃料可持續發展的外部機遇較好,內部因素中環保指標及可再生性優勢明顯,所以要依靠內部優勢抓住外部發展機遇在最優SWOT戰略組合選擇上,應側重SO戰略( 即增長型戰略),同時兼顧ST戰略( 即特色經營戰略),突出生物燃料的特色,努力打造我國生物燃料種植生產和銷售的產業集群。
1.3 生物制氫
生物制氫過程可以在常溫常壓下進行, 且不需要消耗很多能量。生物制氫過程不僅對環境友好, 而且開辟了一條利用可再生資源的新道路。此外, 生物制氫過程可以和廢物回收利用過程耦合。
生物制氫過程可以分為 5 類:
1)利用藻類或者青藍菌的生物光解水法;
2)有 機 化 合 物 的 光 合 細 菌 ( P SB ) 光 分解法;
3)有機化合物的發酵制氫;
4)光合細菌和發酵細菌的耦合法;
5)酶法制氫。[3]
1.4 生物柴油
所謂生物柴油,是指利用各類動植物油脂為原料,與甲醇或乙醇等醇類物質經過交脂化反應改性,使其最終變成可供內燃機使用的一種燃料。生物柴油來自于植物油 ( 玉米、棉籽、海甘藍、花生、油菜籽、大豆、向日葵) 或動物脂肪。
生物柴油的主要優點在于其環境友好性, 大氣污染小, 尤其是硫含量低, 是一種優良的清潔可再生燃料。
生物柴油的制造方法有以下 4 種:
(1)直接使用和混合;(2)微乳法;(3)熱解;(4)酯交換。[4]
生物柴油的生產在技術上已經基本成熟, 主要生產工藝分為化學法、生物酶法和超臨界法化。生物柴油生產的主要問題是成本高, 制備成本的 75 % 是原料成本。降低成本是生物柴油能否實用化的關鍵, 目前仍處于試驗研究及小規模生產與應用階段。
1.5 其他典型技術的例子
奶牛-沼氣-牧草0循環型農業生產模式, 即: 奶牛場排出的糞水經沼氣池發酵, 產生的沼氣用于牧場鍋爐燃燒, 沼液、 沼渣用于澆灌狼尾草草地, 收獲的牧草為奶牛提供青飼料。以期通過該循環利用模式, 增強系統的自凈化能力, 實現資源的高效、 持續利用[5]。
DPSIR模型是由歐洲環境局( EEA) 提出的,內容涵蓋資源 環境與經濟社會等多個領域,可以較為準確地描述系統的復雜性和相互之間的因果關系,廣泛用于資源可持續利用評價 城市化與資源環境相互關系分析水資源承載力評價等研究中,其科學性、應用性已得到學術界普遍認可[6]。
在能值理論的這一特點,Brown和Ulgiati 提出了能值可持續指標ESI,將其定義為系統能值產出率與環境負載率之比[7]。
生物質直燃發電作為 CDM 項目, 引入發達國家資金和關鍵技術,不僅可有效增大系統的能值產出率,降低環境負荷,使生物質直燃發電系統更具有競爭力,還能使系統能值可持續指標提高,使之富有活力和發展潛力,可維持較長時間內的可持續發展[8]。
2 面向未來的生物能源開發戰略
2.1 可持續發展
實行清潔生產, 實現綜合利用、循環利用、盡量減少排放和能耗; 將能源開發與廢物處理結合起來, 在整體、協調、再生、循環的前提下合理建設以生物能源為紐帶的生態產業園, 如沼氣工程。
2.2 因地制宜
開發生物能源一定要因地制宜, 不可盲目上馬。除了上述的 3 種有前景的生物能源產品, 沼氣、生物質氣化技 術等都值得好好推廣應用。
2.3 前瞻性
開發中國的生物能源需要做到以下的政策和軟件支持:(1)加大宣傳。有必要通過輿論宣傳加強人們對生物能源的認識。(2)加大政府投資和扶持。在新的生物能源初始商業化階段要進行減免稅等優惠政策。(3)借鑒國外經驗, 充分調動地方和工業界的積極性。(4)加強高校對于生物能源的教育及研究。[9]
2.4 以生物質能高效利用為核心構建農村循環經濟系統
(1)對農林生物質能開發利用應充分考慮資源的有限性和利用方式的平衡。
(2)堅持以沼氣為主以太陽能和風能等新能源綜合利用系統構建能滿足農村基本用能需求的供應體系。
(3)高度關注農村能源加大政策扶持力度。
(4)創新機制推動農村新能源市場發展。
(5)創建示范工程為生物質資源有效利用不斷探索新的途徑。[10]
3 結語
開發利用生物質能, 既是我國緩解能源供需矛盾的戰略措施, 保證社會經濟持續發展的重要任務。隨著國際原油價格的持續攀升和資源的日漸趨緊, 石油供給壓力增大, 生物能源產業、生物質材料產業的經濟性和環保意義日漸顯現, 生物質能源在不遠的將來一定會得到大力推廣。
【參考文獻】
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【關鍵詞】沼氣技術養殖場污染治理 應用
中圖分類號: S216.4 文獻標識碼: A
沼氣是一種很好的清潔燃料。沼氣技術的應用對推進農村節能減排、生態環境改變、生產生活條件改善、能源消費結構優化等發揮了重要作用。近年來,我國政府不斷加大對農村沼氣建設的投入,綜合效益日益顯著,在推進社會主義新農村建設中發揮了越來越重要的作用。
一、沼氣性質
沼氣是有機物質在厭氧條件下經過微生物的發酵作用而生成的可燃氣體。沼氣由50. 0% ~ 80. 0% 甲烷( C) 、20. 0% ~ 40. 0% 二氧化碳( C) 、0 ~ 5. 0% 氮氣() 、小于1. 0%的氫氣() 、小于0. 4%的氧氣() 、0. 1% ~ 3. 0%硫化氫(S) 等氣體組成。其主要成分是甲烷,甲烷是一種理想的氣體燃料,它無色、無味,與適量空氣混合后即可燃燒。由于沼氣含有少量硫化氫,所以略帶臭味。其特性與天然氣相似。空氣中如含有8. 6% ~ 20. 8%( 按體積計算) 的沼氣時,就會形成爆炸性的混合氣體。甲烷的發熱量為34 000kJ /,沼氣的發熱量為20 800 ~ 23 600 kJ /。
沼氣技術的作用
節能減排作用
沼氣能源在中國分布廣泛,是一種取之不盡、用之不竭的再生清潔能源,既可替代秸稈、薪柴等傳統生物質能源,也可替代煤炭等商品能源。煤炭、秸稈、薪柴直接燃燒的熱能利用率極低,傳統薪柴爐灶熱效率僅為8% ~ 15%,煤爐熱效率也只有20%,而氣化后產生沼氣,按照GB/T 3606-2001《家用沼氣灶》技術要求,在額定熱流量時的熱效率應大于55%,產生明顯的能源利用效率,又降低了因直接燃燒薪柴、煤炭等所帶來的環境污染。因此,推廣沼氣是節能減排的重要組成部分和關鍵環節,也是多方面應對環境問題的有效途徑之一。
生態環境效益
目前我國廣大地區,尤其是中西部地區,生活用能仍以林木、柴草、秸稈等生物質能源為主,且傳統的柴灶燃燒不完全,熱效率低,C產生量大,造成大量的能源浪費和大氣污染; 薪柴的大量砍伐也使我國為數不多的森林資源逐年減少,既破壞了生態環境,又加劇了水土流失現象。另外,隨著能源消費結構的變化,煤炭作為最主要的商品能源類型其消費量增加較快,由于缺少必要的污染排放控制技術,煤炭燃燒排放的S、C、N、煙塵等直接排入大氣,也給區域環境空氣質量帶來顯著不利影響。沼氣屬于生物能源的范疇,沼氣的能量來自太陽的光和熱。植物在生長過程中吸收太陽能貯藏在體內; 植物死亡后在微生物的作用下,有機質發酵分解產生蘊藏著大量能量的沼氣。當沼氣燃燒時,這種能量就轉變為光和熱而被利用。產生沼氣的原料為有機物,在自然界中來源豐富,如人畜糞便、雜草、秸稈、樹葉、垃圾等。沼氣燃燒后的產物是二氧化碳和水,屬清潔能源類。利用沼氣能源,秸稈資源可得到有效利用,糞便得到無害化處理,也因此減少了秸稈及薪柴燃燒所產生的廢氣,減少了砍伐薪柴燃燒所產生的二氧化碳排放量,同時使森林資源恢復其吸收二氧化碳的生態功能。
3、改善農產品品質
沼肥包括沼液和沼渣,是生物質經過厭氧發酵后的殘余物。沼肥與化學肥料最明顯的區別就在于它具有的環保性能。尿素、碳銨等化學肥料的長期使用會改變土壤性狀,降低肥力,造成土壤板結,影響農產品的品質; 在施用期間短時間內還會釋放大量氮、磷元素,隨地表徑流排入地表水或下滲進入地下水。沼氣發酵過程中,作物生長所需的氮、磷、鉀等營養元素基本上都保持下來,因此,沼肥是很好的有機肥料,也有植物生長所需的抗生素,其中沼渣還是一種緩速兼備的優質有機肥。由于沼肥是厭氧發酵后的殘留物,寄生蟲卵數量顯著減少,沼肥中大量的抗生素和維生素也可有效抑制和殺滅植物病原菌和害蟲,減少病蟲害的發生,因而施用沼肥的植物可減少農藥施用量或不施農藥,有利于無公害農產品生產,從而改善農產品的品質,提高產量和附加值,增強市場競爭力。
沼氣技術在養殖場污染治理中的應用
實例
某養殖場年存欄生豬5000頭,每天排放大量的污水和糞便,由于未作有效處理,糞水通過污水渠直接流向附近河流,不僅嚴重污染地表水域,而且產生惡臭,污染周圍環境與空氣。該企業為使污染物達標排放,經過充分調研,采用USR升流式厭氧發酵工藝有效處理廢水和糞便進而產生沼氣,同時副產沼液和沼渣,不僅減輕了環境污染,而且所產沼氣作為燃料供居民使用,沼液和沼渣作為肥料施于農田,取得了較好的環境效益、社會效益、經濟效益。
2、養殖場污染物排放情況
養豬場采用干清糞工藝,污染物主要為糞便和廢水,其中糞便量為10t/d,廢水主要來自豬尿、沖洗糞水、夏季豬舍降溫用水等,廢水排放量為75t/d,廢水中含有大量的COD、懸浮物、氨氮、病菌等。
3、糞污治理對策
對養豬場廢水治理,應改變過去的末端治理模式,采用以厭氧發酵為核心的農業生態模式,該養殖場就采用了USR升流式固體厭氧發酵工藝。原料從底部進入消化器內,與消化器內的活性污泥接觸,使原料得到快速消化。未消化的生物質固體顆粒和沼氣發酵微生物靠自然沉降滯留于消化器內,上清液從消化器上部溢出,這樣可以得到比水力滯留期(HRT)高得多的固體滯留期(SRT)和微生物滯留期(MRT),從而提高了有機物的分解率和消化器的效率。發酵溫度30℃左右,在pH=6.8~7.4條件下,加上適量的水,產甲烷細菌群將有機物消化生成甲烷(C)、二氧化碳(C)、硫化氫(S)等物質。這種發酵工藝,水力滯留期為10d,整個流程比較穩定。沼氣生產工藝流程如圖1。高濃度養殖污水經過厭氧發酵處理,有機物含量如COD可降解85% ~90% ,產生的沼液、沼渣是適合于農作物的優質無公害肥料,將沼肥用于農業生產,可一舉多得,即實現污水的“零排放”,降低養豬場的治污成本,又可為種植業提供優質有機肥源,促進無公害農產品的生產。本項目建成后,沼氣供居民使用,沼液作為優質有機肥用于蔬菜種植,解決了沼液的出路,同時使廢水實現了零排放,對水環境質量起到改善作用。
圖1 養豬場沼氣凈化處理工藝流程
總結
該養殖場污染物經沼氣發酵處理后,較好地解決了糞便污水的污染問題,每年可以降解COD在50t以上,為企業的可持續發展奠定了良好的基礎,也為同類型企業污染物處理提供了有益的借鑒,具有較好的環境效益和社會效益。
參考文獻
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[關鍵詞]鄱陽湖生態經濟區;沼氣工程;發展模式
[中圖分類號]X382.1 [文獻標識碼]A [文章編號]1674-6848(2012)04-0068-06
[作者簡介]李雪寒(1985—),女,廣西南寧人,江西農業大學工學院碩士研究生,主要從事農業生物環境與能源工程研究;溫春云(1988—),男,江西贛州人,江西農業大學國土院碩士研究生,主要從事污染防治與生態修復研究;張廬陵(1964—),男,江西南康人,江西農業大學工學院副教授,主要從事材料科學與工程、生物質及復合材料、材料熱行為、非線性科學及數學形態學研究。(江西南昌 330045)
在全球要求發展低碳經濟、推動節能減排的驅動下,生物質能源以其含量巨大、可再生、具有普遍性、易取性、燃燒過程對環境污染小、可儲存和運輸、碳活性高、易燃的優點,①在近20年來得到迅速發展,我國的生物質能源成為國家重要的戰略資源。特別是在廣大農村,探索新的農村生物質能源發展模式,不僅可以產生巨大的經濟效益、社會效益、生態效益,還能為農民提供潔凈能源,改善農村環境。鄱陽湖生態經濟區已經上升為國家戰略,要發展以生態為特色的經濟區,大力開發該地區的生物質能源成為關鍵。但是,在鄱陽湖生態經濟區內,生物質能源的利用率還很低。據調查,鄱陽湖生態經濟區每年有7000萬噸畜禽糞便及大量工業有機廢棄物成為水體的污染源,這些任意排放的廢棄物對生態經濟區內的地面土壤 / 湖區、濕地及地下水體造成嚴重的污染。①同時,農村地區的秸稈50%被直接燒掉或拋棄,這種粗放式的使用,導致大量秸稈能源利用效率低,浪費嚴重,產生的大量顆粒物和煙霧污染空氣,因此,現階段急需運用一定的技術和管理手段,尋求適合生態經濟區的能源發展模式,特別是沼氣工程的應用生態發展模式,恰當地利用秸稈、畜禽糞便等生物質能來發展沼氣,這是鄱陽湖生態經濟區利用清潔的可再生能源改善農村生態環境,實施新農村建設最有效的方法。
一、鄱陽湖生態經濟區發展沼氣工程的必要性及能源利用中存在的問題
(一)鄱陽湖生態經濟區發展沼氣工程的必要性
國務院正式批復的《鄱陽湖生態經濟區規劃》已經明確了生態經濟區的范圍:包括南昌、景德鎮、鷹潭3市,以及新余、九江、上饒、撫州、宜春、吉安的部分縣(市、區),共38個縣(市、區),國土面積為5.12平方公里。該區域占江西省國土面積的30%,承載了全省總人口的近50%。②生態經濟區面積廣,人口眾多,資源少,人均資源少,能源總量和資源的短缺必將成為發展的瓶頸,要擔負起科學發展、綠色崛起的神圣責任,發展適合該區的沼氣工程模式變得非常有必要性。
1.是鄱陽湖生態經濟區建設的要求
鄱陽湖生態經濟區建設的本質內涵是:特色是生態,核心是發展,關鍵是轉變發展方式,目標是實現科學發展,綠色崛起;③目標是:保護生態環境,爭取創建全國一流的生態示范區;主要的措施是:通過以水污染治理為重點,推進污水達標排放工程,嚴禁非法采砂工程,治理農業面源污染工程,提出節能降耗減排工程,加強自然保護區、森林公園及濕地保護工作等建設,實現“綠色生態江西工程”。要使污水達標排放,治理農業面源污染防治工程,現階段可行又有效的生態環保措施是進行厭氧消化處理技術,即通過發展沼氣工程的厭氧處理降低水污染程度,特別是濃度高的畜禽養殖場的糞便都需要采用沼氣工程處理,才能達到國家排放標準。
2.是緩解能源緊張、自然資源緊缺的需要
根據南昌市第一次農業污染源普查,種植業方面,僅南昌市耕地面積314萬畝,農作物秸稈年產量242.65萬噸,秸稈主要為家庭燃燒,直接還田和田間焚燒。養殖業方面,截至2008年底,全市生豬存欄213.43萬頭,生豬出欄343.09萬頭,家禽出籠4643.48萬羽,家禽存籠3324.31萬羽,全市共有畜禽場16027個,各類畜牧養殖小區191個,全市畜禽糞便年產量49.28萬噸,尿液年產量81.79萬噸。④如果這些污染源能夠充分利用為厭氧發酵原料,將緩解當地農民及養殖戶能源緊張的問題,同時能夠防治農業面源污染。
3.是保護生態環境、減低碳排放量的需要
我國現階段的能源嚴重緊缺、消費結構不合理,主要以煤炭、石油、天然氣為主,而且絕大部分都依賴進口,這些能源的開發利用又是造成當今地球溫室效應的主要元兇,給人類的生存環境帶來嚴重的污染和危機。想要改善這個狀況,需要向能源多元化和可再生能源時代過渡,其中最佳選擇是開發生物質能。生物質能利用的碳循環零排放對解決溫室氣體排放問題有重要貢獻;同時,采用先進的生物質能利用技術可以消除農村傳統低效的利用技術以及秸稈就地焚燒引起的環境污染問題。
4.是改善農村能源結構生態環境、建設新農村的需要
沼氣工程是處理畜禽糞便的一種有效方法,它通過厭氧消化技術對畜禽糞便進行處理,產生沼氣、沼渣、沼液,實現畜禽糞便的無害化、減量化、資源化。沼氣為高品質的清潔能源,可用于農村炊事、發電、為大棚種植提供暖氣,如果充分利用起來,能改善我國的農村能源結構,解決因燃燒秸稈和薪柴等造成的森林覆蓋率低,土壤肥力下降,水土流失等問題。沼渣和沼液是優質有機肥料,不僅可以減少化肥和農藥的使用量,還可以改良土壤,提高作物產量品質和抗寒抗病能力。自沼氣工程推廣以來,極大地促進了我國種植業和養殖業的發展,提高了農民收入,改善了農村能源結構和生態環境,也有力促進了我國的社會主義新農村建設。①
關鍵詞:生物質 生物質能發電 技術狀況
中圖分類號:TP273 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3791(2014)05(b)-0120-01
1 生物質概述
生物質,從廣義上講,是指通過光合作用而形成的各種有機體,包括了所有的動植物和微生物。生物質所蘊含的能量稱為生物質能,是一種可再生能源,它直接或間接地來源于綠色植物的光合作用。
生物質能是地球上最古老的能源,一直以來是人類賴以生存的重要能源之一。在目前世界能源消耗中,生物質能占總能耗的14%,僅次于石油、煤和天然氣,是世界第四大能源。在生物質能的利用過程中產生的二氧化碳可被等量的植物通過光合作用所吸收,從而實現二氧化碳的零排放和生物質能的循環利用,同時生物質能也是一種含硫量低的可再生能源,可以轉化得到氣態、液態和固態燃料,從而補充和替代化石燃料,減少對礦物能源的依賴。
目前,世界各國,尤其是發達國家,都在致力于開發高效、無污染的生物質能利用技術,以達到保護礦產資源,保障國家能源安全,實現二氧化碳減排,保持國家經濟可持續發展的目的。
2 生物質能的利用轉化方式
目前,我們對生物質能的利用主要有生物質直接燃燒、氣化、液化、固化和沼氣技術等方式。
生物質直接燃燒是通過燃燒將化學能轉化為熱能,從而獲取熱量。直接燃燒可分為鍋爐燃燒、爐灶燃燒、爐窯燃燒和炕連灶燃燒。
生物質氣化是在一定的熱力學條件下,將組成生物質的碳氫化合物轉化為含一氧化碳和氫氣等可燃氣體的過程。氣化過程不同于燃燒過程,一方面,燃燒過程中需供給充足的氧氣,使原料充分燃燒,從而獲取熱量,而氣化過程希望盡可能多地將能量保留在反應后得到的可燃氣體中,所以只供給較少的氧氣以滿足熱化學反應的需要;另一方面,燃燒后產生的是水蒸氣和二氧化碳等不可再燃燒的煙氣,而氣化后的產物是含氫、一氧化碳和低分子烴類的可燃氣體。
生物質液化是生物質熱裂解技術的一部分。生物質熱裂解是生物質在完全無氧供給的條件下熱降解為可燃氣體、液體生物油和固體生物質炭三種成分的過程。其中,反應產生的生物油可進一步分離,制成燃料油和化工原料。
在生物質能轉化利用的各種途徑中,利用生物質能轉化后的熱能來發電具有高效、環保等優勢,在丹麥、瑞典、芬蘭、荷蘭以及巴西和印度等國家已得到廣泛應用。近年來,隨著能源和環保壓力的增大,我國生物質能發電得到快速發展。
3 生物質能發電技術
生物質發電的主要形式有:生物質直接燃燒發電、生物質混合燃燒發電、生物質氣化發電、沼氣發電和垃圾發電。
生物質直接燃燒發電與燃煤火力發電在原理上沒有本質區別,主要區別體現在原料上,火力發電的原料是煤,而直接燃燒發電的原料主要是農林廢棄物和秸稈。直接燃燒發電是把生物質原料送入適合生物質燃燒的特定蒸汽鍋爐中,產生蒸汽,驅動蒸汽機轉動從而帶動發電機發電。直接燃燒發電對原料預處理技術、蒸汽鍋爐的多種原料適用性、蒸汽鍋爐的高效燃燒、蒸汽輪機的效率等方面都有較高要求。
生物質混合燃燒發電,顧名思義,即為生物質與煤混合作為燃料發電。混合燃燒的方式主要有兩種:一種是將生物質原料直接送入燃煤鍋爐,與煤共同燃燒;另一種是先將生物質原料在氣化爐中氣化生成可燃氣體,再通入燃煤鍋爐與煤共同燃燒,最后發電。可見,在混合燃燒方式中,對生物質原料的預處理過程顯得尤為重要。一般情況下,通過改造現有的燃煤電廠就可以實現混合燃燒發電,只需在廠內增加儲存和加工生物質燃料的設備和系統,同時對原有燃煤鍋爐燃燒系統進行適當改造就可以了。
生物質氣化發電是利用生物質氣化技術產生的氣體燃料,經凈化后直接進入燃氣機中燃燒發電或者直接進入燃料電池發電的過程,可以分為內燃機發電、燃氣輪機發電、燃氣―蒸汽聯合循環發電和燃料電池發電。生物質氣化發電是生物質能最有效、最潔凈的利用方式之一,它不僅能解決生物質難于燃用、分布分散等缺點,還能充分發揮燃氣發電設備緊湊和污染小的優點。
沼氣發電是一種新型的發電方式,也是沼氣能量利用的一種有效形式。在沼氣發電中,驅動發電機組發電的是沼氣而非蒸汽。
垃圾發電包括垃圾焚燒發電和垃圾氣化發電,簡而言之,垃圾發電就是將垃圾直接作為燃料或者將垃圾制成可燃氣體作為燃料來進行發電的方式。垃圾發電不僅能夠回收利用垃圾中的能量,達到節約資源的目的,同時還解決了垃圾的處理問題。
我國的生物質能資源及其發電的狀況
我國作為傳統的農業大國,生物質資源非常豐富。我國農作物秸稈年產量約為6.5億噸,2010年達到7.26億噸;薪柴和林業廢棄物資源中,可開發量每年達到6億噸以上。近年來,高產的能源作物如甘薯、甜高粱、巨藻、綠玉樹、木薯、芭蕉芋等,作為現代生物質能源已受到廣泛關注,越來越多的科研機構、科技企業也不斷參與到研究和發展生物質能資源的隊伍中來,為生物質能源產業提供了可靠的資源保障。
我國的生物質發電以直接燃燒和氣化發電為主要方式,原料主要采用農業、林業和工業廢棄物等。我國生物質發電起步較晚,但也有近30年的歷史,2006年我國生物質發電總裝機容量約為2000 MW,其中蔗渣發電約為1700 MW;從2006年12月,我國第一個生物質直燃發電項目―― 國能單縣生物發電廠正式投產開始,截止2008年8月,我國累計核準農林生物質發電項目130多個,總裝機容量約3000 MW,已有25個生物質直燃發電項目并網發電;2009年我國6 MW及以上火電設備中生物質發電共占到0.37%,預計到2020年將建成總裝機容量為20000 MW的生物質發電項目,這樣每年就可以節約7500萬噸煤,而且減少大量的污染排放,此外,秸稈銷售還可以給農民增加200~300億元的收入。
4 結語
從總體上看,我國生物質發電產業尚處于起步階段,商業化程度較低,效益也不高,市場競爭力較弱。但是,近年來,國家對生物質能的開發利用逐漸重視,已連續在4個“五年計劃”中將生物質能利用技術的研究與應用列為重點科技攻關項目,并先后制定了《可再生能源法》《可再生能源中長期發展規劃》《可再生能源發展“十一五”規劃》《可再生能源產業發展指導目錄》和《生物產業發展“十一五”規劃》,提出了生物質能發展的目標和任務,明確了相關扶持政策。有了這些政策和技術支持,相信生物質能的未來必定會生機勃勃。
參考文獻
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一、城市垃圾產生量、主要成分及危害
1、城市垃圾產生量
根據中國環境科學研究院的統計分析,大中城市人均生活垃圾產生量為0.8~1.1kg/(人·d)。目前,全球每年產生的垃圾量在激增,達到5億噸,中國約1.5億t,這就需要更多的土地堆放垃圾,需要更多的資金來處理垃圾。
2、城市垃圾主要成分
城市生活垃圾中有機成份占總量的60%,無機物約占40%,其中,廢紙、塑料、玻璃、金屬、織物等可回收物約占總量的20%。
3、城市垃圾危害
城市垃圾對人類生活和環境的主要危害是:第一、破壞農田。越來越多的城市的垃圾,不但侵占了城郊的大量農田,也影響了農田質量。第二、污染空氣。在運輸和露天堆放過程中,有機物分解產生惡臭,并向大氣釋放出大量的氨、硫化物、甲烷等污染物,其中含有機揮發氣體達100多種,這些釋放物中含有許多對人體有毒、有害的物質,污染了空氣;第三、污染水體。垃圾中的有害成份易經雨水沖入地面水體,在垃圾堆放或填坑過程中還會產生大量的酸性和堿性有機污染物,同時將垃圾中的重金屬溶解出來。垃圾直接棄入河流、湖泊或海洋,則會引起更嚴重的污染;第四、有害生物的巢穴。垃圾不但含有病原微生物,而且能為老鼠、鳥類及蚊蠅提供食物、棲息和繁殖的場所,也是傳染疾病的根源。第五、影響城市形象。城市垃圾到處堆放,不但給空氣、水源帶來污染,而且還直接影響了城市的美觀,影響了城市的形象。
二、城市垃圾處理現狀
目前城市垃圾處理主要采取衛生填埋、焚燒、堆肥、發電等方式,但衛生填埋占地大、投資量大,很多沒有做防滲處理,其滲出液對地下水污染很大;焚燒雖然占地小,但會產生二惡英有毒氣體污染空氣,而且玻璃、金屬不能燃燒;堆肥則由于混雜有害、有毒物質,作為肥料會帶來食品污染,目前也很少用;垃圾發電,雖然是比較理想的,但由于投資大,技術及設備要求高,目前全國推廣的僅有幾個。總之,對城市垃圾目前的幾種處理方法比較,雖然各有一定的優缺點,但總體上說目前沒有很理想的辦法。
三、利用戶用沼氣技術處理城市垃圾優點及關鍵技術
1、沼氣發酵原理
沼氣發酵又稱厭氧消化,是指各種有機物在厭氧條件下,被各類沼氣微生物分解轉化,最終生成沼氣的過程。沼氣發酵的原料包括所有光合作用的產物以及其他有機廢物,這些原料中的碳水化合物、氨基酸和長鏈脂肪等,在一定的條件下經過一系列沼氣微生物的共同作用下分解、合成轉化為以甲烷(CH4)為主的可燃混合氣體以及富含活性微生物和營養物質的分解產物(沼液)。
2、利用戶用沼氣處理城市垃圾的優點
我們在農村戶用沼氣建設的實踐中,掌握了戶用沼氣對處理畜禽糞便的技術和作用,各地已非常普及,其成熟的技術和效果已被大家所認可。但利用戶用沼氣技術在處理城市垃圾方面應用的還很少。城市家庭中生活垃圾主要來源于日常生活產生的瓜果蔬菜的不可食部分(如果皮、菜皮等)及剩菜、剩飯,約占家庭垃圾總量的60%以上,為此我們開展了以戶用沼氣技術處理這類家庭生活垃圾的相關試驗和一些技術改進,并取得了很好的處理和應用效果,這對減少城市垃圾的排放量,特別是對處理城市垃圾中容易變質發臭的有機廢棄物,使城市的垃圾更容易處理,既可減少城市垃圾處理費用,同時又可產生沼氣和沼肥,沼氣供居民生活用能,沼肥經過厭氧發酵后變成一種腐熟、無害的優質有機肥,使城市垃圾變廢為寶,是一種處理城市垃圾“減量化、無害化、資源化”的很好辦法,成本低廉、技術成熟、容易推廣、綜合效益很好。
3、技術要點
(1)垃圾分類
利用沼氣技術只能處理城市垃圾中的有機物成分,所以要求城市垃圾首先必須進行分類。在城市垃圾中,按分類可分為可降解的有機廢棄物和不可降解的其他廢棄物。可降解的有機廢棄物包括剩菜、剩飯、果皮、爛水果、爛蔬菜,少數家庭里的庭院雜草等,這些都是光合作用的產物,也都是有機物。在進行垃圾發酵前須把這些有機物分開。
(2)沼氣池改進
與處理畜禽糞便沼氣池不同的是在戶用沼氣池(戶用沼氣池池容8m3)的基礎上,在沼氣池的邊上增加一個體積約為1.5m3左右的預處理池(或稱酸化池),預處理池底部比沼氣池的進料口高些即可,在預處理池底部留一個出口,出口直徑約7~8cm,并用PVC管道聯結到沼氣池的進料口,在離進料口的20cm處設置一個開關,以便控制浸出液的進料。預處理池頂部要有蓋板,蓋板下面用塑料薄膜把預處理池上口密封住。預處理池可以是圓形也可以是方形,用磚砌好,內外用水泥抹面,以防滲漏。
(3)試驗地點及操作要點
試驗地點設在明溪縣城關湯柏清家里,建池時間2004年6月,開始啟動使用時間2004年7月。第一次投料時,投入約1200斤的新鮮牛糞,之后就沒有再另外加畜禽糞便或人糞尿。每天把已分離好的容易腐爛的有機物垃圾如剩菜、剩飯、果皮、爛水果、爛蔬菜,直接從沼氣池進料口倒入沼氣池,比較難腐爛的如花生殼、堅果核、貝殼等放入預處理池,加入一些水,并把開關關閉。預處理池內的有機物垃圾經過一段時間的預處理,在微生物的作用下會變質腐爛,產生一定量的浸出液,浸出液視沼氣池的需要決定是否打開開關通過沼氣池進料口流入沼氣池。浸出液在沼氣池內部進一步進行發酵產生沼氣,沼氣通過管道供家庭使用,沼肥供作物施肥。預處理池內的有機垃圾通過堆漚,大部分可以轉變成腐爛物質并隨著浸出液流入沼氣池產生沼氣,少數渣可定期打澇并作有機肥使用。
在將近9年的使用中從來沒有出現異常現象,也沒有出現過沼渣沉淀嚴重事項,在平時的使用中只是不定期用抽渣器從沼氣池中抽一些渣;預處理池內也從未清理過。
四、成效
1、使用效果
自2004年建池使用以來,經過將近九年來的使用至今還在正常使用,原來一家三口每月用液化氣1罐左右,一年用12罐,自使用沼氣后一年平均用5罐,節約7罐,節約用氣接近60%,年節約燃料費約800元。
2、垃圾處理效果
通過生活垃圾的沼氣處理,家庭中的生活垃圾特別是可降解的生活有機物垃圾基本得到利用,大大地減少了生活垃圾的排放,是一項很好的處理方法。
五、結論
1、本試驗雖然只是一個單獨的試驗,但由于戶用沼氣技術是一個成熟的技術,垃圾分類也是一個簡單的過程,而且本試驗經過這么多年的使用到現在還是正常的,說明此試驗完全是成功的,也是值得推廣的。
2、此技術的應用對城市垃圾的減量化排放、資源化利用有很好的借鑒作用,對探索城鄉垃圾處理辦法具有積極的意義。
3、一個三口之家的城市居民,其正常的有機生活垃圾日排放量約2~3kg,全部用于沼氣池發酵產生的沼氣供家庭使用,年可節約60%左右的家庭生活用能。
20世紀70年代,國際上第一次石油危機使發達國家和貧油國家重視石油替代,開始大規模發展生物質能源。生物質能源是以農林等有機廢棄物以及利用邊際土地種植的能源植物為主要原料進行能源生產的一種新興能源。生物質能源按照生物質的特點及轉化方式可分為固體生物質燃料、液體生物質燃料、氣體生物質燃料。中國生物質能源的發展一直是在“改善農村能源”的觀念和框架下運作,較早地起步于農村戶用沼氣,以后在秸稈氣化上部署了試點。近兩年,生物質能源在中國受到越來越多的關注,生物質能源利用取得了很大的成績。沼氣工程建設初見成效。截至2005年底,全國共建成3764座大中型沼氣池,形成了每年約3.4l億立方米沼氣的生產能力,年處理有機廢棄物和污水1.2億噸,沼氣利用量達到80億立方米。到2006年底,建設農村戶用沼氣池的農戶達2260萬戶,占總農戶的9.2%,占適宜農戶的15.3%,年產沼氣87.0億立方米,使7500多萬農民受益,直接為農民增收約180億元。生物質能源發電邁出了重要步伐,發電裝機容量達到200萬千瓦。液體生物質燃料生產取得明顯進展,全國燃料乙醇生產能力達到:102萬噸,已在河南等9個省的車用燃料中推廣使用乙醇汽油。
(一)固體生物質燃料
固體生物質燃料分生物質直接燃燒或壓縮成型燃料及生物質與煤混合燃燒為原料的燃料。生物質燃燒技術是傳統的能源轉化形式,截止到2004年底,中國農村地區已累計推廣省柴節煤爐灶1.89億戶,普及率達到70%以上。省柴節煤爐灶比普通爐灶的熱效率提高一倍以上,極大緩解了農村能源短缺的局面。生物質成型燃料是把生物質固化成型后采用略加改進后的傳統設備燃用,這種燃料可提高能源密度,但由于壓縮技術環節的問題,成型燃料的壓縮成本較高。目前,中國(清華大學、河南省能源研究所、北京美農達科技有限公司)和意大利(比薩大學)兩國分別開發出生物質直接成型技術,降低了生物質成型燃料的成本,為生物質成型燃料的廣泛應用奠定了基礎。此外,中國生物質燃料發電也具有了一定的規模,主要集中在南方地區的許多糖廠利用甘蔗渣發電。廣東和廣西兩省(區)共有小型發電機組300余臺,總裝機容量800兆瓦,云南也有一些甘蔗渣電廠。中國第一批農作物秸稈燃燒發電廠將在河北石家莊晉州市和山東菏澤市單縣建設,裝機容量分別為2×12兆瓦和25兆瓦,發電量分別為1.2億千瓦時和1.56億千瓦時,年消耗秸稈20萬噸。
(二)氣體生物質燃料
氣體生物質燃料包括沼氣、生物質氣化制氣等。中國沼氣開發歷史悠久,但大中型沼氣工程發展較慢,還停留在幾十年前的個體小厭氧消化池的水平,2004年,中國農戶用沼氣池年末累計1500萬戶,北方能源生態模式應用農戶達43.42萬戶,南方能源生態模式應用農戶達391.27萬戶,總產氣量45.80億立方米,相當于300多萬噸標準煤。到2004年底,中國共建成2500座工業廢水和畜禽糞便沼氣池,總池容達到了88.29萬立方米,形成了每年約1.84億立方米沼氣的生產能力,年處理有機廢物污水5801萬噸,年發電量63萬千瓦時,可向13.09萬戶供氣。
在生物質氣化技術開發方面,中國對農林業廢棄物等生物質資源的氣化技術的深入研究始于20世紀70年代末、80年代初。截至2006年底,中國生物質氣化集中供氣系統的秸稈氣化站保有量539處,年產生物質燃氣1.5億立方米;年發電量160千瓦時稻殼氣化發電系統已進入產業化階段。
(三)液體生物質燃料
液體生物質燃料是指通過生物質資源生產的燃料乙醇和生物柴油,可以替代由石油制取的汽油和柴油,是可再生能源開發利用的重要方向。近年來,中國的生物質燃料發展取得了很大的成績,特別是以糧食為原料的燃料乙醇生產已初步形成規模。“十五”期間,在河南、安徽、吉林和黑龍江分別建設了以陳化糧為原料的燃料乙醇生產廠,總產能達到每年102萬噸,現已在9個省(5個省全部,4個省的27個地(市))開展車用乙醇汽油銷售。到2005年,這些地方除軍隊特需和國家特種儲備外實現了車用乙醇汽油替代汽油。
但是,受糧食產量和生產成本制約,以糧食作物為原料生產生物質燃料大規模替代石油燃料時,也會產生如同當今面臨的石油問題一樣的原料短缺,因此,中國近期不再擴大以糧食為原料的燃料乙醇生產,轉而開發非糧食原料乙醇生產技術。目前開發的以木薯為代表的非食用薯類、甜高粱、木質纖維素等為原料的生物質燃料,既不與糧油競爭,又能降低乙醇成本。廣西是木薯的主要產地,種植面積和總產量均占全國總量的80%,2005年,木薯乙醇產量30萬噸。從生產潛力看,目前,木薯是替代糧食生產乙醇最現實可行的原料,全國具有年產500萬噸燃料乙醇的潛力。
此外,為了擴大生物質燃料來源,中國已自主開發了以甜高粱莖稈為原料生產燃料乙醇的技術(稱為甜高粱乙醇),目前,已經達到年產5000噸燃料乙醇的生產規模。國內已經在黑龍江、內蒙古、新疆、遼寧和山東等地,建立了甜高粱種植、甜高梁莖稈制取燃料乙醇的基地。生產1噸燃料乙醇所需原料--甜高粱莖稈收購成本2000元,加上加工費,燃料乙醇生產成本低于3500元,噸。由于現階段國家對燃料乙醇實行定點生產,這些甜高粱乙醇無法進入交通燃料市場,大多數摻入了低質白酒中。另外,中國也在開展纖維素制取燃料乙醇技術的研究開發,現已在安徽豐原生化股份有限公司等企業形成年產600噸的試驗生產能力。目前,中國燃料乙醇使用量已居世界第三位。生物柴油是燃料乙醇以外的另一種液體生物質燃料。生物柴油的原料來源既可以是各種廢棄或回收的動植物油,也可以是含油量高的油料植物,例如麻風樹(學名小桐子)、黃連木等。中國生物柴油產業的發展率先在民營企業實現,海南正和生物能源公司、四川古杉油脂化工公司、福建卓越新能源發展公司等都建成了年生產能力l萬~2萬噸的生產裝置,主要以餐飲業廢油和皂化油下腳料為原料。此外,國外公司也進軍中國,奧地利一家公司在山東威海市建設年生產能力25萬噸的生物柴油廠,意大利一家公司在黑龍江佳木斯市建設年生產能力20萬噸的生物柴油廠。預計中國生物柴油產量2010年前約可達每年100萬噸。
二、中國生物質能源發展政策
為了確保生物質能源產業的穩步發展,中國政府出臺了一系列法律法規和政策措施,積極推動了生物質能源的開發和利用。
(一)行業標準規范生產,法律法規提供保障
本世紀初,為解決大量庫存糧積壓帶來的財政重負和發展石化替代能源,中國開始生產以陳化糧為主要原料的燃料乙醇。2001年,國家計劃委員會了示范推行車用汽油中添加燃料乙醇的通告。隨后,相關部委聯合出臺了試點方案與工作實施細則。2002年3月,國家經濟貿易委員會等8部委聯合制定頒布了《車用乙醇汽油使用試點方案》和《車用乙醇汽油使用試點工作實施細則》,明確試點范圍和方式,并制定試點期間的財政、稅收、價格等方面的相關方針政策和基本原則,對燃料乙醇的生產及使用實行優惠和補貼的財政及價格政策。在初步試點的基礎上,2004年2月,國家發展和改革委員會等8部委聯合《車用乙醇汽油擴大試點方案》和《車用乙醇汽油擴大試點工作實施細則》,在中國部分地區開展車用乙醇汽油擴大試點工作。同時,為了規范燃料乙醇的生產,國家質量技術監督局于2001年4月和2004.年4月,分別GBl8350-2001《變性燃料乙醇》和GBl8351-2001《車用乙醇汽油》兩個國家標準及新車用乙醇汽油強制性國家標準(GBl835l一2004)。在國家出臺相關政策措施的同時,試點區域的省份均制定和頒布了地方性法規,地方各級政府機構依照有關規定,加強組織領導和協調,嚴格市場準入,加大市場監管力度,對中國生物質燃料乙醇產業發展和車用生物乙醇汽油推廣使用起到了重大作用。
此外,國家相關的法律法規也為生物質能源的發展提供保障。2005年,《中華人民共和國可再生能源法》提出,“國家鼓勵清潔、高效地開發利用生物質燃料、鼓勵發展能源作物,將符合國家標準的生物液體燃料納入其燃料銷售體系”。國家“十一五”規劃綱要也提出,“加快開發生物質能源,支持發展秸稈、垃圾焚燒和垃圾填埋發電,建設一批秸稈發電站和林木質發電站,擴大生物質固體成型燃料、燃料乙醇和生物柴油生產能力”。
(二)運用經濟手段和財政扶持政策推動產業發展
除制定相應法律法規和標準外,2002年以來,中央財政也積極支持燃料乙醇的試點及推廣工作,主要措施包括投入國債資金、實施稅收優惠政策、建立并優化財政補貼機制等。一是投入國債資金4.8億元用于河南、安徽、吉林3省燃料乙醇企業建設;二是對國家批準的黑龍江華潤酒精有限公司、吉林燃料乙醇有限公司、河南天冠燃料乙醇有限公司、安徽豐原生化股份有限公司4家試點單位,免征燃料乙醇5%的消費稅,對生產燃料乙醇實現的增值稅實行先征后返;三是在試點初期,對生產企業按保本微利的原則據實補貼,在擴大試點規模階段,為促進企業降低生產成本,改為按照平均先進的原則定額補貼,補貼逐年遞減。
為進一步推動生物質能源的穩步發展,2006年9月,財政部、國家發展和改革委員會、農業部、國家稅務總局、國家林業局聯合出臺了《關于發展生物質能源和生物化工財稅扶持政策的實施意見》,在風險規避與補償、原料基地補助、示范補助、稅收減免等方面對于發展生物質能源和生物化工制定了具體的財稅扶持政策。此外,自2006年1月1日《可再生能源法》正式生效后,醞釀中與之配套的各項行政法規和規章也開始陸續出臺。財政部2006年10月4日出臺了《可再生能源發展專項資金管理暫行辦法》,該辦法對專項資金的扶持重點、申報及審批、財務管理、考核監督等方面做出全面規定。該《辦法》規定:發展專項資金由國務院財政部門依法設立,發展專項資金的使用方式包括無償資助和貸款貼息,通過中央財政預算安排。
三、中國生物質能源發展中存在的主要問題
盡管中國在生物質能源等可再生能源的開發利用方面取得了一些成效,但由于中國生物質能源發展還處于起步階段,面臨許多困難和問題,歸納起來主要有以下幾個方面。
(一)原料資源短缺限制了生物質能源的大規模生產
由于糧食資源不足的制約,目前,以糧食為原料的生物質燃料生產已不具備再擴大規模的資源條件。今后,生物質燃料乙醇生產應轉為以甜高粱、木薯、紅薯等為原料,特別是以適宜在鹽堿地、荒地等劣質地和氣候干旱地區種植的甜高粱為主要原料。雖然中國有大量的鹽堿地、荒地等劣質土地可種植甜高粱,有大量荒山、荒坡可以種植麻風樹和黃連木等油料植物,但目前缺乏對這些土地利用的合理評價和科學規劃。目前,雖然在西南地區已種植了一定數量的麻風樹等油料植物,但不足以支撐生物柴油的規模化生產。因此,生物質燃料資源不落實是制約生物質燃料規模化發展的重要因素。
(二)還沒有建立起完備的生物質能源工業體系,研究開發能力弱,技術產業化基礎薄弱
雖然中國已實現以糧食為原料的燃料乙醇的產業化生產,但以其他能源作物為原料生產生物質燃料尚處于技術試驗階段,要實現大規模生產,還需要在生產工藝和產業組織等方面做大量工作。以廢動植物油生產生物柴油的技術較為成熟,但發展潛力有限。后備資源潛力大的纖維素生物質燃料乙醇和生物合成柴油的生產技術還處于研究階段,一些相對成熟的技術尚缺乏標準體系和服務體系的保障,產業化程度低,大規模生物質能源生產產業化的格局尚未形成。
(三)生物燃油產品市場競爭力較弱
巴西以甘蔗生產燃料乙醇1980年每噸價格為849美元,1998年降到300美元以下。中國受原料來源、生產技術和產業組織等多方面因素的影響,燃料乙醇的生產成本比較高,目前,以陳化糧為原料生產的燃料乙醇的成本約為每噸3500元左右,以甜高粱、木薯等為原料生產的燃料乙醇的成本約為每噸4000元。按等效熱值與汽油比較,汽油價格達到每升6元以上時,燃料乙醇才可能贏利。目前,國家每年對102萬噸燃料乙醇的財政補貼約為15億元,在目前的技術和市場條件下,擴大燃料乙醇生產需要大量的資金補貼。以甜高粱和麻風樹等非糧食作物為原料的燃料乙醇和生物柴油的生產技術才剛剛開始產業化試點,產業化程度還很低,近期在成本方面的競爭力還比較弱。因此,生物質燃料成本和石油價格是制約生物質燃料發展的重要因素。
(四)政策和市場環境不完善,缺乏足夠的經濟鼓勵政策和激勵機制
生物質能源產業是具有環境效益的弱勢產業。從國外的經驗看,政府支持是生物質能源市場發育初期的原始動力。不論是發達國家還是發展中國家,生物質能源的發展均離不開政府的支持,例如投融資、稅收、補貼、市場開拓等一系列的優惠政策。2000年以來,國家組織了燃料乙醇的試點生產和銷售,建立了包括燃料乙醇的技術標準、生產基地、銷售渠道、財政補貼和稅收優惠等在內的政策體系,積累了生產和推廣燃料乙醇的初步經驗。但是,由于以糧食為原料的燃料乙醇發展潛力有限,為避免對糧食安全造成負面影響,國家對燃料乙醇的生產和銷售采取了嚴格的管制。近年來,雖有許多企業和個人試圖生產或銷售燃料乙醇,但由于受到現行政策的限制,不能普遍享受到財政補貼,也難以進入汽油現有的銷售渠道。對于生物柴油的生產,國家還沒有制定相關的政策,特別是還沒有生物柴油的國家標準,更沒有生物柴油正常的銷售渠道。此外,生物質資源的其它利用項目,例如燃燒發電、氣化發電、規模化畜禽養殖場大中型沼氣工程項目等,初始投資高,需要穩定的投融資渠道給予支持,并通過優惠的投融資政策降低成本。中國缺乏行之有效的投融資機制,在一定程度上制約了生物質資源的開發利用。
四、中國生物質能源未來的發展特點和趨勢
(一)逐步改善現有的能源消費結構,降低石油的進口依存度
中國經濟的高速發展,必須構筑在能源安全和有效供給的基礎之上。目前,中國能源的基本狀況是:資源短缺,消費結構單一,石油的進口依存度高,形勢十分嚴峻。2004年,中國一次能源消費結構中,煤炭占67.7%,石油占22.7%,天然氣占2.6%,水電等占7.0%;一次能源生產總量中,煤炭占75.6%,石油占13.5%,天然氣占3.O%,水電等占7.9%。這種能源結構導致對環境的嚴重污染和不可持續性。中國石油儲量僅占世界總量的2%,消費量卻是世界第二,且需求持續高速增長,1990年的消費量剛突破1億噸,2000年達到2.3億噸,2004年達到3.2億噸。中國自1993年成為石油凈進口國后,2005年進口原油及成品油約1.3億噸,估計2010年將進口石油2.5億噸,進口依存度將超過50%。進口依存度越高,能源安全度就越低。中國進口石油的80%來自中東,且需經馬六甲海峽,受國際形勢影響很大。
因此,今后在厲行能源節約和加強常規能源開發的同時,改變目前的能源消費結構,向能源多元化和可再生清潔能源時代過渡,已是大勢所趨,而在眾多的可再生能源和新能源中,生物質能源的規模化開發無疑是一項現實可行的選擇。
(二)生物質產業的多功能性進一步推動農村經濟發展
生物質產業是以農林產品及其加工生產的有機廢棄物,以及利用邊際土地種植的能源植物為原料進行生物能源和生物基產品生產的產業。中國是農業大國,生物質原料生產是農業生產的一部分,生物質能源的蘊藏量很大,每年可用總量折合約5億噸標準煤,僅農業生產中每年產生的農作物秸稈,就折合1.5億噸標準煤。中國有不宜種植糧食作物、但可以種植能源植物的土地約l億公頃,可人工造林土地有311萬公頃。按這些土地20%的利用率計算,每年約可生產10億噸生物質,再加上木薯、甜高粱等能源作物,據專家測算,每年至少可生產燃料乙醇和生物柴油約5000萬噸,農村可再生能源開發利用潛力巨大。生物基產品和生物能源產品不僅附加值高,而且市場容量幾近無限,這為農民增收提供了一條重要的途徑;生物質能源生產可以使有機廢棄物和污染源無害化和資源化,從而有利于環保和資源的循環利用,可以顯著改善農村能源的消費水平和質量,凈化農村的生產和生活環境。生物質產業的這種多功能性使它在眾多的可再生能源和新能源中脫穎而出和不可替代,這種多功能性對擁有8億農村人口的中國和其他發展中國家具有特殊的重要性。
(三)凈化環境,進一步為環境“減壓”
隨著中國經濟的高速增長,以石化能源為主的能源消費量劇增,在過去的20多年里,中國能源消費總量增長了2.6倍,對環境的壓力越來越大。2003年,中國二氧化碳排放量達到8.23億噸,居世界第二位。2025年前后,中國二氧化碳排放量可能超過美國而居首位。2003年,中國二氧化硫的排放量也超過了2000萬噸,居世界第一位,酸雨區已經占到國土面積的30%以上。中國二氧化碳排放量的70%、二氧化硫排放量的90%、氮氧化物排放量的2/3均來自燃煤。預計到2020年,氧化硫和氮氧化物的排放量將分別超過中國環境容量30%和46%。《京都議定書》已對發達國家分配了2012年前二氧化碳減排8%的指標,中國是《京都議定書》的簽約國,承擔此項任務只是時間早晚的問題。此外,農業生產和廢棄物排放也對生態環境帶來嚴重傷害。因此,發展生物質能源,以生物質燃料直接或成型燃燒發電替代煤炭以減少二氧化碳排放,以生物燃油替代石化燃油以減少碳氫化物、氮氧化物等對大氣的污染,將對于改善能源結構、提高能源利用效率、減輕環境壓力貢獻巨大。
(四)技術逐步完善,產業化空間廣闊
從生物質能源的發展前景看,第一,生物乙醇是可以大規模替代石化液體燃料的最現實選擇;第二,對石油的替代,將由E85(在乙醇中添加15%的汽油)取代E10(汽油中添加10%的乙醇);第三,FFVs(靈活燃料汽車)促進了生物燃油生產和對石化燃料的替代,生物燃油的發展帶動了傳統汽車產業的更新改造;第四,沼氣將規模化生產,用于供熱發電、(經純化壓縮)車用燃料或罐裝管輸;第五,生物質成型燃料的原料充足,技術成熟,投資少、見效快,可廣泛用于替代中小鍋爐用煤,熱電聯產(CHP)能效在90%以上,是生物質能源家族中的重要成員;第六,以木質纖維素生產的液體生物質燃料(Bff。)被認為是第二代生物質燃料,包括纖維素乙醇、氣化后經費托合成生物柴油(FT柴油),以及經熱裂解(TDP)或催化裂解(CDP)得到的生物柴油。此外,通過技術研發還將開拓新的資源空間。工程藻類的生物量巨大,如果能將現代生物技術和傳統育種技術相結合,優化育種條件,就有可能實現大規模養殖高產油藻。一旦高產油藻開發成功并實現產業化,由藻類制取生物柴油的規模可以達到數千萬噸。
據專家預測估計,到2010年,中國年生產生物燃油約為600萬噸,其中,生物乙醇500萬噸、生物柴油100萬噸:到2020年,年生產生物燃油將達到1900萬噸,其中,生物乙醇1000萬噸,生物柴油900萬噸。
一、沼肥的特性
由于參與沼氣發酵的微生物群類很多,有水解性細菌、產氫產乙酸菌、耗氫產乙酸菌、產甲烷菌以及合成功能的細菌等,所以,沼肥中富集了大量養分,主要包括礦物質元素、營養成分和生物活性物質三大類。
1、礦物質元素
在沼氣發酵的代謝過程中,有機廢棄物中的礦物質元素參與微生物的代謝,因此,沼肥中的礦物質元素非常豐富,可分為鈣、鈉、氯、硫、鎂、鉀等常量元素和鐵、鋅、銅、錳、鈷、鉻、釩等微量元素。
2、營養成分
沼肥中有大量的氮、磷、鉀等營養物質,這些元素以簡單的化合物存在,易于被動物、植物吸收利用:例如,有機廢棄物中的有機氮素,一部分被轉化為氨態氮(NH3-N)的形式,相當于速效氮,另一部分則參與代謝或分解為氨基氮——游離氨基酸的形式。氨態氮是理想的氮肥,而氨基酸則是飼料的最佳氮素來源。
3、生物活性物質
在沼氣發酵過程中,參與厭氧消化和代謝的微生物菌群相當復雜。大致分為四大類:①水解性細菌;②產乙酸細菌;③產甲烷菌;④其它具有合成能力的細菌。
沼氣發酵過程是一個多菌群相互交潛作用而又復雜的過程,其代謝產物是極為豐富的。經研究檢測表明,沼肥中含有成分較全的氨基酸、豐富的微量元素、B族維生素、各種水解酶類、有機酸類、植物激素類、抗生素類以及腐植酸等生物活性物質。
(1)各種水解酶類。
研究測試表明,沼肥中含有蛋白質水解酶、脂肪水解酶、纖維素水解酶和淀粉水解酶等酶類物質,這些酶類的存在為沼氣發酵殘留物做畜禽飼料添加劑,促進養殖業發展,降低成本提供了良好的物質基礎。
(2)氨基酸。
沼氣發酵過程實際就是沼氣菌群的不斷繁殖和代謝過程,最后在其殘留物中必然有大量的菌體蛋白。這些菌體蛋白的氨基酸組成非常全面,無論是必需氨基酸,還是非必需氨基酸都可與魚粉相媲美。
(3)B族維生素。
維生素是動植物生產必不可少的物質,它們不能在動植物體內合成,只能通過某些微生物合成。通過檢測證實,經過沼氣發酵,沼肥中的B族維生素不僅比原料中的含量大,而且數量多,這些維生素能促進植物和動物的生長發育,同時能提高動植物抵御病蟲害的抗逆性。
(4)腐植酸。
腐植酸是植物殘體腐解后所形成的一種高分子化合物,包括胡敏酸、富里沃酸和草木糯酸三種。沼氣發酵殘留物中的腐植酸含量在10~20%之間。腐植酸在改良土壤方面,有利于土壤團粒結構的形成;作為飼料添加劑,可抑制脂肪氧化,防治抗菌素和維生素添加劑的失活。沼氣發酵殘留物作為土壤改良劑和飼料添加劑所獲得的效果,均與其腐植酸的作用有著直接的關系。
二、沼肥的綜合利用機理
1、沼氣發酵原料本身是開展沼肥綜合利用的物質基礎
發酵原料經過一段時間發酵后,原料中的一部份固形物雖然被沼氣微生物分解,但尚未消化形成沼氣,這些固形物殘留在沼渣中可以作為動物飼料或植物的肥料使用。
2、沼氣發酵產物是沼氣綜合利用物質
沼氣發酵產物除沼氣與料液自動分離外,其它物質都保存在發酵料液中,這些物質可分為礦物質元素、營養物質和生物活性物質三大類。
礦物質元素存在于發酵原料中,通過沼氣發酵變成離子形式,它們的濃度不高,其中含量最高的是鈣,可達到萬分之二;其次是磷,可達到萬分之一;此外鐵可達到萬分之零點一;其它銅、鋅、錳、鉬等只能達到萬分之零點零一以下。它們可滲透到中子細胞內,能夠刺激種子發芽和生長。
營養物質是由發酵原料中的大分子物質被沼氣微生物分解形成的,由于其結構相對較分解前簡單,因此能夠被作物直接吸收,向作物提供氮、磷、鉀等主要營養元素。
沼肥中的生物活性物質包括氨基酸、生長素、赤酶素、激動素、單糖、腐殖酸、不飽和脂肪酸、維生素及某些抗菌素類物質。它們對作物生長發育具有刺激作用,參與了作物從種子萌發、植株長大、開花、結實的整過程。例如赤霉素可以刺激種子提早發芽,生長素能促進種子發芽,提高發芽率。在作物生長階段,赤霉素可促進作物莖、葉快速生長,而生長素可使作物根深葉茂。干旱時,某些核酸、單糖可增強作物抗旱能力。在低溫時游離氨基酸、不飽和脂肪酸可使作物免受凍傷。某些維生素能增強作物抗病能力。在作物生殖期,赤霉素等能誘發作物抽苔、開花,生長素則能有效防止落花、落果,提高座果率。激動素對于防止作物衰老,防止棉花落鈴、落果效果顯著。
3、沼氣微生物菌體本身也是沼氣綜合利用的物質基礎
沼氣微生物菌體的蛋白質含量極高,是很好的飼料蛋白。沼氣發酵后的微生物菌體,一部分來自原料中的可溶性組分,另一部分來自原料中的固形物。這些菌體在分解原料有機物的過程中也在不斷增長,使沼氣發酵料液中蛋白質含量較之發酵前增加。
三、沼肥的綜合利用途徑
在農業生產中,沼液及沼渣常用于浸種、葉面施肥、防蟲、喂豬、盆栽、種梨、種西瓜、種蔬菜、旱土育秧、種水稻、種花生、養魚、栽培蘑菇、養殖蚯蚓等。
1、沼液浸種
(1)技術要點。
1)曬種:除雜、翻曬1~2天。
2)裝袋:選擇編織袋或布袋,將種子裝入,留出袋內四分之一空間。
3)浸種:將編織袋或布袋浸于裝有沼液的容器中。
4)清洗:浸種結束后,應將種子用清水洗凈,然后晾干、催芽或播種。洗凈,可將種子倒入盛有清水的容器中或將盛有種子的袋直接放入水中清洗。
5)浸種方式與時間。
常規水稻:一次性或間歇式。早稻48h,中稻36h,晚稻36h,粳稻、糯稻應適當延長。
雜交水稻:一般為間歇式。早稻浸14h,晾6h,浸4h,晾6h,再浸14h,浸種不少于42h,清水洗凈,然后催芽。中稻浸12h,晾6h,浸12h,晾6h,再浸12h。浸種不少于36h,清水洗凈,然后催芽。晚稻浸8h,晾6h,三浸三晾,破胸為止,清水洗凈,然后催芽。
小麥:適用于土壤墑情較好時采用,播前一天進行,浸種12h。清水洗凈,瀝干水分即可播種。
玉米:一次浸種12~16h,清水洗凈,晾干后即可播種。
棉花:非包衣種子一次浸14~18h。浸時注意袋內加石塊,以防種子袋浮起。
甘薯與馬鈴薯:一次4h,也可盛入缸、桶容器中,取正常沼液浸泡。浸種結束后,清水洗凈,然后催芽或播種。
花生:一次浸4~6h,清水洗凈晾干后即可播種。
瓜類與豆類種子:一次浸2~4h,清水洗凈,然后催芽或播種。
(2)注意事項。
用于浸種的沼液要充分發酵1個月以上。
浸種時間以種子吸足水分為宜。
沼液浸過的種子,都應用清水淘凈,然后催芽或播種。
由于地區、墑情、溫度、農作物品種不同,浸種時間各地可先進行一些簡單的對比試驗后確定。
2、沼液葉面噴肥
(1)技術要點。
方式:可單施,也可與化肥、農藥、生長劑等混合施。
沼液:采自正常發酵1個月以上的沼氣池,澄清、紗布過濾。
施肥時期:農作物萌動抽梢期(分蘗期),花期(孕穗期、始果期),果實膨大期(灌漿結實期),病蟲害暴發期。每隔10天噴施1次。
施肥時間:上午露水干后(10:00左右)進行,夏季傍晚為宜,中午高溫及暴雨前不施。
濃度:幼苗、嫩葉期,1份沼液加1~2份清水;夏季高溫,1份沼液加1份清水;氣溫較低,老葉(苗)時,不加水。
用量:視農作物品種和長勢而定,一般每畝40~100kg。
(2)注意事項。
沼液采自正常發酵1個月以上的沼氣池。
以噴施葉背面為主,以利養分吸收。
3、沼液防蟲
沼液經厭氧發酵后,殺滅了有害病菌,因此它本身具有無菌和抑制病菌生長的作用。沼液中還含有吲哚乙酸、赤霉素和較高溶量的氨和銨鹽,通常含量可達0.2~0.3%。因此沼液有抑制大多數病菌生長功能。
(1)技術要點。
玉米螟:沼液50kg,加入2.5%敵殺死乳油10ml,攪勻,灌玉米心葉。
水稻螟:取沼液1份加清水1份混合均勻,潑澆。
蔬菜、小麥蚜蟲:準備兩只洗凈糞桶,噴霧器一個,煤油、洗衣粉各0.05kg。將0.05kg洗衣粉充分溶于0.5kg水中,取0.05kg洗衣粉水和0.0025kg煤油倒入噴霧器中,再取過濾沼液14kg裝入噴霧器中,充分攪拌后,就成了沼氣復方治蟲劑,將此劑均勻地噴在被蚜蟲危害的農作物上,一畝田噴35kg。如遇蚜蟲危害嚴重時,第二天再噴一次,注意選擇晴天治蟲,效果更佳。
使用效果:對小麥、黃豆、豇豆、蓮花白、大芹菜、白菜、蒿筍、厚皮菜、等不同農作物治蚜蟲效果好,與樂果治蚜蟲一樣,其死亡率在90%以上,并且對作物增產效果顯著。同時還能減少農業投資,減輕環境污染和補充農作物葉面追肥。實踐證明,以畝增產計,小麥畝可達10%,田埂豇豆、田埂黃豆和厚皮菜均達30%,每年可節省農藥開支10元以上,增加產值90多元。
4、沼液沼渣種蔬菜
(1)技術要點。
沼渣作基肥:采用移栽秧苗的蔬菜,基肥以穴施方法進行。秧苗移栽時,每畝用腐熟沼渣2000kg施入定植穴內,與開穴挖出的園土混合后進行定植。對采用點播或大面積種植的蔬菜,基肥一般采用條施條播方法進行。對于瓜菜類,例如南瓜、冬瓜、黃瓜、西紅柿等,一般采用大穴大肥方法,每畝用沼渣3000kg、過磷酸鈣35kg、草木灰100kg和適量生活垃圾混合后施入穴內,蓋上一層厚約5~10cm的園土。定植后立即澆透水分,及時蓋上稻草或麥稈。
沼液作追肥:一般采用根部淋澆和葉面噴施2種方式。根部淋澆沼液量可視蔬菜品種而定,一般每畝用量為500~3000kg。施肥時間以晴天或傍晚為好。雨天或土壤過濕時不宜施肥。葉面噴施的沼液需經紗布過濾后方可使用。在蔬菜嫩葉期,沼液應兌水l倍稀釋,用量在40~50kg之間,噴施時以葉背面為主,以布滿液珠而不滴水為宜。噴施時間,上午露水干后進行,夏季以傍晚為好,中午、下雨時不噴施。葉菜類可在蔬菜的任何生長季節施肥,也可結合防病滅蟲時噴施沼液。瓜菜類可在現蕾期、花期、果實膨大期進行,并在沼液中加入3%的磷酸二氫鉀。
(2)注意事項。
沼渣作基肥時,沼渣一定要堆漚腐熟。
沼液葉面追肥時,應觀察沼液濃度。如沼液呈深褐色,有一定稠度時,應兌水稀釋后使用。
沼液葉面追肥,沼液一般要在沼氣池外停置半天。
蔬菜上市前7天,一般不追施沼肥。
5、沼液沼渣養魚
(1)技術要點。
原理:將沼肥施入魚塘,系為水中浮游動、植物提供營養,增加魚塘中浮游動、植物產量,豐富濾食魚類餌料的一種飼料轉換技術。
基肥:春季清塘、消毒后進行。每畝水面用沼渣150kg或沼液300kg均勻施肥。沼渣,可在未放水前運至大塘均勻撒開,并及時放水入塘。
追肥:4~6月,每周每畝水面施沼渣100kg或沼液200kg;7~8月,每周每畝水面施沼液150kg;9~10月,每周每畝水面施沼渣100kg或沼液150kg。
施肥時間:晴天8:00~10:00施沼液最好;陰天可不施;有風天氣,順風潑撒;悶熱天氣、雷雨來臨之前不施。
(2)注意事項。
魚類以花白鰱為主,混養優質魚(底層魚)比例不超過40%。
水體透明度大于30cm時每2天施1次沼液,每次每畝水面施沼液100~150kg,直到透明度回到25~30cm后,轉入正常投肥。
6、沼渣栽培蘑菇
準備沼渣:播種前,將沼渣瀝干,趁天晴攤薄曝曬,去除未腐熟好的長殘渣。曝曬時間以手緊捏沼渣,指縫有水而不下滴為宜。處理后的沼渣,按其重量加入1%熟石膏粉、1%過磷酸鈣及0.5%尿素備用。
準備菇房及床架:菇房一般可選用有對開門窗的空房。菇床可用竹、木、鐵搭成多層床架,第一層距地不低于25cm,以上各層相距60cm,以秸稈、樹枝鋪平。菇房用20倍福爾馬林溶液熏蒸或50倍液噴灑,也可用50倍石硫合劑全面噴灑墻壁、地面和菇床,關閉菇房1~2天。將沼渣平鋪在菇床上,俅持自然疏松,厚度1~14cm。
播種:選擇純潔菌種,按10cm×10cm的間距,用手指均勻打2cm深的播種穴,將菌種掏出按每穴拇指大小一塊放入,隨手蓋一薄層培養料,以利菌絲生長。播種后,把料面整平稍拍一下,讓培養料和菌種接觸緊密,但不能用力拍實,以免密不透氣。用清水浸濕的干凈報紙覆蓋,關好門窗。保持房內溫度30℃以下,空氣濕度60%~70%,以利菌絲早日定植。
覆土前的管理:從播種到覆土約需20天,這段時間主要是促菌絲生長,管理重點是防高溫,盡量使室溫維持在22℃~25℃,濕度65%。播種后的10天內,每天需揭動報紙1~2次。以通風換氣。10天后可揭去報紙,早晚開門窗,并逐步增加通風次數,注意防雜菌。
覆土:覆土就是在長滿菌絲的料面上覆蓋一層土粒。覆土的土質最好選用水田犁底層以下略帶砂性的土壤或池塘底層泥土。覆土時先覆大粒(直徑2~3cm),做到料面不外露,土粒不重疊。然后覆蓋小粒(如蠶豆大小)。土粒含水量20%左右,pH7.0~8.0為宜,如過酸,可用0.5%石灰水噴霧調節。