典型戶用沼氣綜合利用模式的環(huán)境效益評價

典型戶用沼氣綜合利用模式的環(huán)境效益評價

作為一種清潔的能源原料，沼氣可以替代傳統(tǒng)的石油消耗法，適應和優(yōu)化農村能源結構。通過引入農業(yè)產業(yè)鏈，沼氣項目可以有效地促進生物資源的回收和利用，產生顯著的經濟和環(huán)境效應。同時,利用厭氧沼氣池可消化生活垃圾和農業(yè)有機廢料(秸稈、糞便等)而產氣產能,改變了傳統(tǒng)農業(yè)實踐和廢物處置方式,并有望降低農村地區(qū)溫室氣體排放和點面源污染。自上世紀20年代,沼氣利用模式不斷得到實踐探索,目前沼氣池已在全球范圍內得到不同層次的應用。為實現農村地區(qū)環(huán)境與經濟的協(xié)調、穩(wěn)定與可持續(xù),我國在農村地區(qū)大力開展以沼氣為紐帶的生態(tài)農業(yè)建設。截止2009年年底,全國農村戶用沼氣池(12m3以下)累計保有量達3507.03萬戶,年產沼氣124億m3。同時,為了進一步實現高產低耗型的農業(yè)生態(tài)系統(tǒng),許多學者對沼氣池配套的綜合利用模式進行了探索,包括南方豬-沼-植“三位一體”生態(tài)農業(yè)綜合利用,北方“四位一體”和西北“五配套”等沼氣生態(tài)農業(yè)模式,新式的“庭院一池四改”、“多池連體”等新型利用模式的經濟環(huán)境效益也同樣有所探討。在全球氣候變暖和傳統(tǒng)化石能源愈趨緊張的背景下,沼氣農業(yè)綜合利用模式是否能在高經濟效益的同時實現全過程的節(jié)能減排成了進一步研究的關鍵點。為此,生命周期分析(Lifecycleanalysis,LCA)的理論和方法被應用于沼氣農業(yè)系統(tǒng)的能源消耗和溫室氣體減排效應評價中。Berglund和B?rjesson比較了基于不同給料的沼氣能源周期的溫室氣體排放和環(huán)境影響。馬林等評價了沼氣工程從“原料開采-沼氣生產-沼氣及發(fā)酵物利用”全生命過程的環(huán)境影響,發(fā)現沼氣建設以來我國CO2排放量有所減少,森林覆蓋面積增加,并減少了氮磷等元素的環(huán)境排放。劉黎娜和王效華核算了北方“四位一體”沼氣工程生命周期中與代替煤相比對農業(yè)生態(tài)環(huán)境的影響強度。王明新等分析了農村戶用沼氣工程及其上下游環(huán)節(jié)的節(jié)能減排效應,并綜合評價環(huán)境影響類型的減緩作用。盡管生命周期理論在沼氣發(fā)展環(huán)境評價中的應用已較為廣泛,但總體來看研究主要集中在沼氣工程建設,對戶用沼氣綜合利用模式的生命周期全過程的節(jié)能減排和環(huán)境影響減緩鮮有探討。本文以恭城瑤族自治縣典型戶用沼氣綜合利用模式,即“豬-沼-稻-果”模式為案例,辨識沼氣綜合利用模式全生命過程,分析其節(jié)能減排效應和環(huán)境影響減緩效應,為進一步增加農村戶用沼氣對農業(yè)生產的環(huán)境效益,實現節(jié)能減排提供理論依據。1發(fā)酵原料的生產及利用對于一個戶用沼氣利用系統(tǒng)來說,該生命周期過程主要包括沼氣池建設階段、入池原料的獲取、沼氣生產以及沼氣及發(fā)酵物的利用等環(huán)節(jié)。本研究根據沼氣綜合利用模式的運作特點,參考ISO14040提出的生命周期分析基本原則與框架,制定了戶用沼氣模式生命周期減排清單與環(huán)境效益的分析流程,由4個有序步驟組成,包括研究對象目標與范圍界定,清單分析,影響評價以及結果解譯。1.1沼渣沼液系統(tǒng)本文研究對象是恭城縣沼氣利用綜合模式,具體以“豬-沼-稻-果”典型模式為案例。該沼氣利用模式是以沼氣池為紐帶,將種植業(yè)、畜牧業(yè)、林業(yè)有機組合的農業(yè)實踐,其利用特點為:農戶養(yǎng)豬的畜禽糞便以及人糞可作為入池原料,產出的沼氣可用作炊事、照明等;沼渣一般用于水稻等糧食作物和果樹的基肥;沼液可用作稻谷浸種,也做水稻、果樹等葉面、根外追肥,防治病蟲害;通過沼氣及其發(fā)酵物的再利用達到資源的再利用。其中生命周期分析的功能單位為恭城縣8m3戶用浮罩式沼氣池(運行一年)。研究目標是整理戶用沼氣池生產維護過程中的原料投入產出,分析建造、運行以及利用全過程的排放清單,并評價其環(huán)境影響。根據沼氣綜合利用工藝流程,本文確定了生命周期分析的邊界(見圖1)。1.2沼氣壽命計算本研究的生命周期分析對沼氣系統(tǒng)作了如下假設和簡化:由于沼氣產生過程為厭氧發(fā)酵過程,其系統(tǒng)是密封、隔絕空氣的,所以本文不考慮沼氣發(fā)酵期間的污染物排放。沼氣池壽命假設為20年,因此對于單年核算中并未考慮戶用沼氣池拆除或者棄置環(huán)節(jié)產生的排放和環(huán)境影響。所用數據來源主要來自于“豬-沼-稻-果”生態(tài)農業(yè)模式的工程工藝過程相關資料,其他如建筑耗材排放類型和系數等則從生命周期評價相關文獻、書籍和行業(yè)數據庫數據獲取。1.3清單分析1.3.1建設過程排放的影響包括從運輸到動工建設以及建成使用的全過程,根據原料用量和各原料排放系數計算建造過程中的各類排放因子的環(huán)境排放量。恭城縣通用的8m3沼氣池建造環(huán)節(jié)的生命周期能耗與污染排放主要來自建筑材料,其主要物料投入產出情況如下:硅酸鹽水泥1t,粗沙1.5t,細沙1t,卵石1t,鋼筋10kg,拱頂紅磚2000塊,塑料薄膜23m2。水泥(425#型)環(huán)境排放因子和對應排放系數(單位g/t水泥)分別為:CO2,920028;SO2,254.1;NOx,1434.6;CO,356.1;COD,31.1;磚的各項排放因子和系數(g/標塊)分別為:CO2,130;CO,0.201;NOx,0.669;SO2,1.49;PM10,0.189;鋼筋的污染排放主要考慮煉鋼過程,鋼筋的污染排放主要考慮煉鋼過程,每千克鋼大約產生CO21.27kg,CO為110g,SO2為51g,甲烷為18g,NOx為16g,其余忽略不計;另外,水泥、鋼筋、紅磚的運輸過程也考慮在排放分析中;粗砂、細砂、卵石則只考慮原料運輸過程。對于運輸過程,考慮恭城縣實際情況,假設沼氣池從25km范圍內獲取建設所需原料,采用低速貨車(最高設計車速小于70km),載重量按標準12t計算,貨車每百公里耗汽油量為45L。沼氣灶的建設所需原料為水泥,因此與沼氣池建造歸并計算,不再重復考慮。1.3.2使用階段沼氣農業(yè)生命周期清單的確定主要指該模式下利用戶用沼氣灶的沼氣燃燒過程。沼氣使用過程主要考慮由于燃燒排放的污染物,包括CO2、CO、NOx和VOC(其排放系數對應分別為20700,500,400和400mg/Nm3),在此基礎上進行使用階段的沼氣農業(yè)生命周期清單分析。1.3.3秸稈排放的影響此階段包括綜合利用模式下沼氣及其發(fā)酵物沼液沼渣的使用和處置過程。具體涉及沼氣池的主要物料構成情況為:沼氣池設計投入原料為風干玉米秸稈和育肥豬糞便,二者投入干質量分別為400kg和800kg。沼氣池換料頻率為2次/年,因此沼氣池運行一年所需的玉米秸稈和豬糞量分別為800kg和1600kg。由于畜禽糞便被用作入池原料而避免了直接堆積,文中考慮豬糞沼氣利用的節(jié)能減排效益是以豬糞堆積為參照。1t豬糞相當于硫酸銨17kg,過磷酸鈣21kg,硫酸鉀10kg。堆積模式中TN、TP和COD流失率分別取5.25%、5.34%、5.58%。堆積模式中每頭育豬產生甲烷3.48kg,氨氣7.43kg,而經過沼氣利用,氨氣排放降至4.84kg,其余流失均認為是零。玉米秸稈因作為入池原料而避免了燃燒對環(huán)境排放污染,因此玉米秸稈的環(huán)境效益考慮因秸稈避免燃燒而減少的污染排放,秸稈燃燒時的主要污染物有CO2、CO、CH4、NH3、NOx、VOC、SO2、PM10。該綜合利用模式下單個沼氣池每年可產生20-25t的優(yōu)質沼肥,其中沼液肥占80%左右,沼渣肥占20%左右,折合總肥量相當于尿素150kg、鉀肥150kg、磷肥100kg。氮肥所含污染物及排放系數(單位g/kg)分別為:NH3,6.7;CO2,6513.2;CO,7.59;CH4,16.13;NOx,27.93;SO2,21.14;VOC,0.94。磷肥所含污染物及排放系數(單位g/kg)分別為:NH3,0.01;CO2,1117.5;CO,1.44;CH4,1.86;NOx,8.54;VOC,0.60。鉀肥所含污染物及排放系數(單位g/kg)分別為:CO2,625.14;CO,0.43;CH4,1.56;NOx,1.27;SO2,0.46;VOC,0.30。同時,沼氣的使用避免了燃煤的直接消耗,因此沼氣的使用所帶來的節(jié)能減排效益可考慮與沼氣等效的燃煤生命周期中污染物的排放系數。原煤熱值為20934kJ/kg,沼氣熱值為20000-22000kJ/m3。8m3沼氣池一年所產生的沼氣年產氣量約450m3,因此相當于替代燃煤429.92kg。1.4環(huán)境改造指數的確定為衡量各類排放對應的環(huán)境影響,對沼氣綜合利用模型下生命周期中各種節(jié)能減排效益進行特征化歸一和標準化處理。在特征化處理中,根據CML2000方法,把戶用沼氣工程生命周期相關環(huán)境影響分為能源耗竭、溫室效應、環(huán)境酸化、光化學氧化、富營養(yǎng)化和對人體的毒性6大類。通過轉換系數將同類污染物轉換為參照物(一般采用效應最大者),得出的歸一值的環(huán)境影響就是該項總環(huán)境影響。其中,溫室效應以CO2為參照物,CH4和CO的轉化系數分別為21和2;環(huán)境酸化潛力以SO2為參照物,NOx和NH3的轉化系數分別為0.7和1.89;富營養(yǎng)化潛力以PO4-為參照物,NH3、NOx、TN、TP和COD的轉換系數分別為0.35、0.13、0.42、3.06和0.10;光化學氧化潛力以C2H4為參照物,VOC、CO和CH4的轉換系數分別為0.6、0.3和0.007;對人體的毒性以1,4-DCB為參照物,SO2、NO2和PM10的轉換系數分別為0.31、1.2和0.1。由此得到的影響值需進行標準化,即建立標準化基準作以參照值,用特征化結果值與環(huán)境影響基準值的比值作為環(huán)境改良指數,用以指示沼氣綜合模式的應用對于環(huán)境的改良程度。為了將全球性、地區(qū)性以及局地性影響在同一水平上進行比較,本研究采用2000年世界人均環(huán)境影響潛力作為環(huán)境影響基準值,其中能源耗竭為56877.88MJ,溫室效應基準值為7192.98kg,環(huán)境酸化潛力基準值為56.14kg,光化學氧化基準值為34.72kg,富營養(yǎng)化基準值為10.70kg,對人體的毒性為20.14kg。2結果與討論2.1沼液沼渣在低能耗污染方面利用能源,主要采用氧漂材料根據文中所界定的系統(tǒng)邊界和清單分析方法,對生命周期功能單元,即恭城縣典型8m3戶用沼氣池綜合利用的節(jié)能端和減排端進行了清單匯總(見表1)。可以看出,在沼氣池建設和使用階段向環(huán)境中所排放的污染物中,排污的主要環(huán)節(jié)是沼氣池的建造階段,在沼氣池建設階段由于采用較高能耗和排放的建材,帶來一定的環(huán)境排放量(主要是CO2和VOC),其中水泥和紅磚的排放占了絕大部分,另外建造階段能耗為530.0MJ,集中在水泥、紅磚和交通運輸上。沼氣作為一種高熱值燃料,在沼氣使用階段,CO2凈減排量為725.880kg,SO2和PM10減排量也較大,以燃煤替代衡量節(jié)能達8999.9MJ。綜合利用階段中利用玉米秸稈和沼液沼渣肥料的減排量最大,CO2凈減排達2394.500kg,另外CO和VOC也有一定減排效果,此階段節(jié)能598.4MJ?？傮w來看,整個沼氣綜合利用系統(tǒng)在一年內排放總量為68.960kg,減排總量為3129.700kg,總凈減排量3060.700kg。對燃煤的替代以及沼液沼渣對化肥的替代減少了煤炭燃燒時的污染排放,降低了對傳統(tǒng)化肥的依賴。從整個沼氣利用模式來看,經過沼氣利用,共減少能耗9068.4MJ,對于實現低耗經濟起到比較重要的作用?？傊?相對于在沼氣使用和綜合利用階段體現出的節(jié)能減排量,沼氣池建造的排放能耗代價很低,該戶用沼氣綜合利用系統(tǒng)具有很高的節(jié)能減排效益。2.2系統(tǒng)光化學氧化減緩能力戶用沼氣綜合利用模式生命周期溫室效應減緩潛力(見表2)。沼氣工程生命周期中排放的主要溫室氣體是CO2、CH4,由于CO在氧化過程中也可以生成CO2,因此此處也考慮對CO的減排效益,在沼氣池建設階段的環(huán)境排放被沼氣利用階段的減排完全抵消,減排效果明顯。其中,對CO2的減排作用最大,沼氣池運行一年凈減排CO23060.723kg,其次是對CH4的減排,也高達272.120kg。CO2的減排主要是由于玉米秸稈、沼液沼渣的利用以及沼氣對煤炭的替代,CH4的減排主要來自畜禽糞便的利用和玉米秸稈的利用。另外,玉米秸稈的再利用對CO的減排也起到不可忽視的作用。戶用沼氣綜合利用模式生命周期環(huán)境酸化污染物主要包括SO2、NOx和NH3(見表3),沼氣池建設和使用階段共向環(huán)境中排放環(huán)境酸化污染物共4.424kg,其中主要為SO2在運輸階段的排放(3.940kg),但玉米秸稈、沼液沼渣和燃煤替代過程將之抵消后,系統(tǒng)SO2減排6.651kg,同樣的現象存在在其他酸化排放中,NOx和NH3減排分別為7.765kg和13.670kg?？梢娫撓到y(tǒng)的環(huán)境酸化的減緩主要是通過畜禽糞便、秸稈和沼液沼渣再利用以及燃煤的替代來實現的。戶用沼氣利用整個生命周期中實現凈減排量28.086kg,對實現環(huán)境酸化的減緩作用明顯。戶用沼氣綜合利用模式生命周期光化學氧化污染物主要包括VOC、CO和CH4(見表5)。沼氣池建設和使用階段共排放光化學氧化污染7.141kg,而在上下游減排階段就可以實現減排量30.688kg,凈減排量達到23.547kg(見表5)。由此可見沼氣工程對光化學氧化具有較大的緩解潛力。其中,僅秸稈利用這一環(huán)節(jié)達到29.631kg減排量,占總減排量的96.56%,為系統(tǒng)光化學氧化減緩的關鍵環(huán)節(jié)。戶用沼氣綜合利用模式生命周期對人體的毒性減緩潛力(見表6)。戶用沼氣工程對人體造成毒性影響的污染物包括SO2、NO2和PM10,沼氣池建設階段生命周期產生對人體有毒性的污染物1.292kg,其中運輸過程產生的SO2所占比例達到94.51%。但在沼氣使用和綜合利用階段,對人體具毒性的環(huán)境污染減排量達5.325kg。和其他建筑工程一樣,沼氣池建造過程對人體難免有一定危害,但是經過下游的沼氣綜合利用環(huán)節(jié),凈減排4.033kg。其中,燃煤替代和沼液沼渣利用對人體毒性污染物減排作用最大,分別占總減排量的70.61%和18.85%。綜上結果,并根據當量排放的轉換,得出戶用沼氣系統(tǒng)環(huán)境改良指數(0為零排放,1為2000年世界平均水平)(見圖2)?？梢钥闯?考慮能源耗竭、溫室效應、環(huán)境酸化、富營養(yǎng)化、光化學氧化和對人體的毒性6種類型,戶用沼氣工程環(huán)境效益相當于節(jié)約能耗9068.4MJ,減少排放3484.015kgCO2,28.086kgSO2,5.390kgPO4,23.547kgC2H4和4.033kg1,4-DCB,分別是該環(huán)境影響類型世界人均水平的15.94%、48.43%、50.02%、50.37%、67.82%和20.02%。由此可見,戶用沼氣利用對各種環(huán)境影響的降低均有貢獻,其中以光化學氧化、富營養(yǎng)化、環(huán)境酸化和溫室效應的改善作用尤為明顯。此外,系統(tǒng)在降低能源耗竭、減緩對人體的毒性影響也起到一定的作用。2.3相關因素對生命周期評價結果的影響由于本研究的排放和環(huán)境影響分析所用數據來源不完全一致以及存在邊界的簡化,因此有必要進行生命周期分析不確定性的因素,變化程度以及對評價結果的影響(見表7)。不確定性刻度如下:“低影響”(<5%)意味著該項數據來源并不會對結果有顯著的改變;“中等影響”(5%-20%)說明該項對于最后的環(huán)境效應有一定影響;但不改變(顛倒)基本的結論;而“高影響”(>20%)則表示該項值的變化有可能造成了主要排放和環(huán)境影響結論有誤。本研究中,除了沼液沼渣浸種、農藥等的綜合利用對生命周期評價結果有中等影響以外,其他如沼氣池建材耗費量,沼氣使用和利用階段排放因子和系數和沼氣肥料替代氮磷鉀肥量基本都在低影響水平,因此認為這些不確定因素并不會改變主要結論。同時,針對來自于數據的不確定性來源,經過對具體工程工藝細節(jié)進行調查,以及對輔助數據庫進行多來源對比判別,選擇其中最可靠的數據來源,將系統(tǒng)潛在的不確定性產生的可能降到最低。3總體節(jié)能減排g本研究以恭城瑤族自治縣“豬-沼-稻-果”沼氣綜合