典型户用沼气综合利用模式的环境效益评价

典型户用沼气综合利用模式的环境效益评价

作为一种清洁的能源原料，沼气可以替代传统的石油消耗法，适应和优化农村能源结构。通过引入农业产业链，沼气项目可以有效地促进生物资源的回收和利用，产生显著的经济和环境效应。同时,利用厌氧沼气池可消化生活垃圾和农业有机废料(秸秆、粪便等)而产气产能,改变了传统农业实践和废物处置方式,并有望降低农村地区温室气体排放和点面源污染。自上世纪20年代,沼气利用模式不断得到实践探索,目前沼气池已在全球范围内得到不同层次的应用。为实现农村地区环境与经济的协调、稳定与可持续,我国在农村地区大力开展以沼气为纽带的生态农业建设。截止2009年年底,全国农村户用沼气池(12m3以下)累计保有量达3507.03万户,年产沼气124亿m3。同时,为了进一步实现高产低耗型的农业生态系统,许多学者对沼气池配套的综合利用模式进行了探索,包括南方猪-沼-植“三位一体”生态农业综合利用,北方“四位一体”和西北“五配套”等沼气生态农业模式,新式的“庭院一池四改”、“多池连体”等新型利用模式的经济环境效益也同样有所探讨。在全球气候变暖和传统化石能源愈趋紧张的背景下,沼气农业综合利用模式是否能在高经济效益的同时实现全过程的节能减排成了进一步研究的关键点。为此,生命周期分析(Lifecycleanalysis,LCA)的理论和方法被应用于沼气农业系统的能源消耗和温室气体减排效应评价中。Berglund和Börjesson比较了基于不同给料的沼气能源周期的温室气体排放和环境影响。马林等评价了沼气工程从“原料开采-沼气生产-沼气及发酵物利用”全生命过程的环境影响,发现沼气建设以来我国CO2排放量有所减少,森林覆盖面积增加,并减少了氮磷等元素的环境排放。刘黎娜和王效华核算了北方“四位一体”沼气工程生命周期中与代替煤相比对农业生态环境的影响强度。王明新等分析了农村户用沼气工程及其上下游环节的节能减排效应,并综合评价环境影响类型的减缓作用。尽管生命周期理论在沼气发展环境评价中的应用已较为广泛,但总体来看研究主要集中在沼气工程建设,对户用沼气综合利用模式的生命周期全过程的节能减排和环境影响减缓鲜有探讨。本文以恭城瑶族自治县典型户用沼气综合利用模式,即“猪-沼-稻-果”模式为案例,辨识沼气综合利用模式全生命过程,分析其节能减排效应和环境影响减缓效应,为进一步增加农村户用沼气对农业生产的环境效益,实现节能减排提供理论依据。1发酵原料的生产及利用对于一个户用沼气利用系统来说,该生命周期过程主要包括沼气池建设阶段、入池原料的获取、沼气生产以及沼气及发酵物的利用等环节。本研究根据沼气综合利用模式的运作特点,参考ISO14040提出的生命周期分析基本原则与框架,制定了户用沼气模式生命周期减排清单与环境效益的分析流程,由4个有序步骤组成,包括研究对象目标与范围界定,清单分析,影响评价以及结果解译。1.1沼渣沼液系统本文研究对象是恭城县沼气利用综合模式,具体以“猪-沼-稻-果”典型模式为案例。该沼气利用模式是以沼气池为纽带,将种植业、畜牧业、林业有机组合的农业实践,其利用特点为:农户养猪的畜禽粪便以及人粪可作为入池原料,产出的沼气可用作炊事、照明等;沼渣一般用于水稻等粮食作物和果树的基肥;沼液可用作稻谷浸种,也做水稻、果树等叶面、根外追肥,防治病虫害;通过沼气及其发酵物的再利用达到资源的再利用。其中生命周期分析的功能单位为恭城县8m3户用浮罩式沼气池(运行一年)。研究目标是整理户用沼气池生产维护过程中的原料投入产出,分析建造、运行以及利用全过程的排放清单,并评价其环境影响。根据沼气综合利用工艺流程,本文确定了生命周期分析的边界(见图1)。1.2沼气寿命计算本研究的生命周期分析对沼气系统作了如下假设和简化:由于沼气产生过程为厌氧发酵过程,其系统是密封、隔绝空气的,所以本文不考虑沼气发酵期间的污染物排放。沼气池寿命假设为20年,因此对于单年核算中并未考虑户用沼气池拆除或者弃置环节产生的排放和环境影响。所用数据来源主要来自于“猪-沼-稻-果”生态农业模式的工程工艺过程相关资料,其他如建筑耗材排放类型和系数等则从生命周期评价相关文献、书籍和行业数据库数据获取。1.3清单分析1.3.1建设过程排放的影响包括从运输到动工建设以及建成使用的全过程,根据原料用量和各原料排放系数计算建造过程中的各类排放因子的环境排放量。恭城县通用的8m3沼气池建造环节的生命周期能耗与污染排放主要来自建筑材料,其主要物料投入产出情况如下:硅酸盐水泥1t,粗沙1.5t,细沙1t,卵石1t,钢筋10kg,拱顶红砖2000块,塑料薄膜23m2。水泥(425#型)环境排放因子和对应排放系数(单位g/t水泥)分别为:CO2,920028;SO2,254.1;NOx,1434.6;CO,356.1;COD,31.1;砖的各项排放因子和系数(g/标块)分别为:CO2,130;CO,0.201;NOx,0.669;SO2,1.49;PM10,0.189;钢筋的污染排放主要考虑炼钢过程,钢筋的污染排放主要考虑炼钢过程,每千克钢大约产生CO21.27kg,CO为110g,SO2为51g,甲烷为18g,NOx为16g,其余忽略不计;另外,水泥、钢筋、红砖的运输过程也考虑在排放分析中;粗砂、细砂、卵石则只考虑原料运输过程。对于运输过程,考虑恭城县实际情况,假设沼气池从25km范围内获取建设所需原料,采用低速货车(最高设计车速小于70km),载重量按标准12t计算,货车每百公里耗汽油量为45L。沼气灶的建设所需原料为水泥,因此与沼气池建造归并计算,不再重复考虑。1.3.2使用阶段沼气农业生命周期清单的确定主要指该模式下利用户用沼气灶的沼气燃烧过程。沼气使用过程主要考虑由于燃烧排放的污染物,包括CO2、CO、NOx和VOC(其排放系数对应分别为20700,500,400和400mg/Nm3),在此基础上进行使用阶段的沼气农业生命周期清单分析。1.3.3秸秆排放的影响此阶段包括综合利用模式下沼气及其发酵物沼液沼渣的使用和处置过程。具体涉及沼气池的主要物料构成情况为:沼气池设计投入原料为风干玉米秸秆和育肥猪粪便,二者投入干质量分别为400kg和800kg。沼气池换料频率为2次/年,因此沼气池运行一年所需的玉米秸秆和猪粪量分别为800kg和1600kg。由于畜禽粪便被用作入池原料而避免了直接堆积,文中考虑猪粪沼气利用的节能减排效益是以猪粪堆积为参照。1t猪粪相当于硫酸铵17kg,过磷酸钙21kg,硫酸钾10kg。堆积模式中TN、TP和COD流失率分别取5.25%、5.34%、5.58%。堆积模式中每头育猪产生甲烷3.48kg,氨气7.43kg,而经过沼气利用,氨气排放降至4.84kg,其余流失均认为是零。玉米秸秆因作为入池原料而避免了燃烧对环境排放污染,因此玉米秸秆的环境效益考虑因秸秆避免燃烧而减少的污染排放,秸秆燃烧时的主要污染物有CO2、CO、CH4、NH3、NOx、VOC、SO2、PM10。该综合利用模式下单个沼气池每年可产生20-25t的优质沼肥,其中沼液肥占80%左右,沼渣肥占20%左右,折合总肥量相当于尿素150kg、钾肥150kg、磷肥100kg。氮肥所含污染物及排放系数(单位g/kg)分别为: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数(单位g/kg)分别为:NH3,0.01;CO2,1117.5;CO,1.44;CH4,1.86;NOx,8.54;VOC,0.60。钾肥所含污染物及排放系数(单位g/kg)分别为:CO2,625.14;CO,0.43;CH4,1.56;NOx,1.27;SO2,0.46;VOC,0.30。同时,沼气的使用避免了燃煤的直接消耗,因此沼气的使用所带来的节能减排效益可考虑与沼气等效的燃煤生命周期中污染物的排放系数。原煤热值为20934kJ/kg,沼气热值为20000-22000kJ/m3。8m3沼气池一年所产生的沼气年产气量约450m3,因此相当于替代燃煤429.92kg。1.4环境改造指数的确定为衡量各类排放对应的环境影响,对沼气综合利用模型下生命周期中各种节能减排效益进行特征化归一和标准化处理。在特征化处理中,根据CML2000方法,把户用沼气工程生命周期相关环境影响分为能源耗竭、温室效应、环境酸化、光化学氧化、富营养化和对人体的毒性6大类。通过转换系数将同类污染物转换为参照物(一般采用效应最大者),得出的归一值的环境影响就是该项总环境影响。其中,温室效应以CO2为参照物,CH4和CO的转化系数分别为21和2;环境酸化潜力以SO2为参照物,NOx和NH3的转化系数分别为0.7和1.89;富营养化潜力以PO4-为参照物,NH3、NOx、TN、TP和COD的转换系数分别为0.35、0.13、0.42、3.06和0.10;光化学氧化潜力以C2H4为参照物,VOC、CO和CH4的转换系数分别为0.6、0.3和0.007;对人体的毒性以1,4-DCB为参照物,SO2、NO2和PM10的转换系数分别为0.31、1.2和0.1。由此得到的影响值需进行标准化,即建立标准化基准作以参照值,用特征化结果值与环境影响基准值的比值作为环境改良指数,用以指示沼气综合模式的应用对于环境的改良程度。为了将全球性、地区性以及局地性影响在同一水平上进行比较,本研究采用2000年世界人均环境影响潜力作为环境影响基准值,其中能源耗竭为56877.88MJ,温室效应基准值为7192.98kg,环境酸化潜力基准值为56.14kg,光化学氧化基准值为34.72kg,富营养化基准值为10.70kg,对人体的毒性为20.14kg。2结果与讨论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据文中所界定的系统边界和清单分析方法,对生命周期功能单元,即恭城县典型8m3户用沼气池综合利用的节能端和减排端进行了清单汇总(见表1)。可以看出,在沼气池建设和使用阶段向环境中所排放的污染物中,排污的主要环节是沼气池的建造阶段,在沼气池建设阶段由于采用较高能耗和排放的建材,带来一定的环境排放量(主要是CO2和VOC),其中水泥和红砖的排放占了绝大部分,另外建造阶段能耗为530.0MJ,集中在水泥、红砖和交通运输上。沼气作为一种高热值燃料,在沼气使用阶段,CO2净减排量为725.880kg,SO2和PM10减排量也较大,以燃煤替代衡量节能达8999.9MJ。综合利用阶段中利用玉米秸秆和沼液沼渣肥料的减排量最大,CO2净减排达2394.500kg,另外CO和VOC也有一定减排效果,此阶段节能598.4MJ。总体来看,整个沼气综合利用系统在一年内排放总量为68.960kg,减排总量为3129.700kg,总净减排量3060.700kg。对燃煤的替代以及沼液沼渣对化肥的替代减少了煤炭燃烧时的污染排放,降低了对传统化肥的依赖。从整个沼气利用模式来看,经过沼气利用,共减少能耗9068.4MJ,对于实现低耗经济起到比较重要的作用。总之,相对于在沼气使用和综合利用阶段体现出的节能减排量,沼气池建造的排放能耗代价很低,该户用沼气综合利用系统具有很高的节能减排效益。2.2系统光化学氧化减缓能力户用沼气综合利用模式生命周期温室效应减缓潜力(见表2)。沼气工程生命周期中排放的主要温室气体是CO2、CH4,由于CO在氧化过程中也可以生成CO2,因此此处也考虑对CO的减排效益,在沼气池建设阶段的环境排放被沼气利用阶段的减排完全抵消,减排效果明显。其中,对CO2的减排作用最大,沼气池运行一年净减排CO23060.723kg,其次是对CH4的减排,也高达272.120kg。CO2的减排主要是由于玉米秸秆、沼液沼渣的利用以及沼气对煤炭的替代,CH4的减排主要来自畜禽粪便的利用和玉米秸秆的利用。另外,玉米秸秆的再利用对CO的减排也起到不可忽视的作用。户用沼气综合利用模式生命周期环境酸化污染物主要包括SO2、NOx和NH3(见表3),沼气池建设和使用阶段共向环境中排放环境酸化污染物共4.424kg,其中主要为SO2在运输阶段的排放(3.940kg),但玉米秸秆、沼液沼渣和燃煤替代过程将之抵消后,系统SO2减排6.651kg,同样的现象存在在其他酸化排放中,NOx和NH3减排分别为7.765kg和13.670kg。可见该系统的环境酸化的减缓主要是通过畜禽粪便、秸秆和沼液沼渣再利用以及燃煤的替代来实现的。户用沼气利用整个生命周期中实现净减排量28.086kg,对实现环境酸化的减缓作用明显。户用沼气综合利用模式生命周期光化学氧化污染物主要包括VOC、CO和CH4(见表5)。沼气池建设和使用阶段共排放光化学氧化污染7.141kg,而在上下游减排阶段就可以实现减排量30.688kg,净减排量达到23.547kg(见表5)。由此可见沼气工程对光化学氧化具有较大的缓解潜力。其中,仅秸秆利用这一环节达到29.631kg减排量,占总减排量的96.56%,为系统光化学氧化减缓的关键环节。户用沼气综合利用模式生命周期对人体的毒性减缓潜力(见表6)。户用沼气工程对人体造成毒性影响的污染物包括SO2、NO2和PM10,沼气池建设阶段生命周期产生对人体有毒性的污染物1.292kg,其中运输过程产生的SO2所占比例达到94.51%。但在沼气使用和综合利用阶段,对人体具毒性的环境污染减排量达5.325kg。和其他建筑工程一样,沼气池建造过程对人体难免有一定危害,但是经过下游的沼气综合利用环节,净减排4.033kg。其中,燃煤替代和沼液沼渣利用对人体毒性污染物减排作用最大,分别占总减排量的70.61%和18.85%。综上结果,并根据当量排放的转换,得出户用沼气系统环境改良指数(0为零排放,1为2000年世界平均水平)(见图2)。可以看出,考虑能源耗竭、温室效应、环境酸化、富营养化、光化学氧化和对人体的毒性6种类型,户用沼气工程环境效益相当于节约能耗9068.4MJ,减少排放3484.015kgCO2,28.086kgSO2,5.390kgPO4,23.547kgC2H4和4.033kg1,4-DCB,分别是该环境影响类型世界人均水平的15.94%、48.43%、50.02%、50.37%、67.82%和20.02%。由此可见,户用沼气利用对各种环境影响的降低均有贡献,其中以光化学氧化、富营养化、环境酸化和温室效应的改善作用尤为明显。此外,系统在降低能源耗竭、减缓对人体的毒性影响也起到一定的作用。2.3相关因素对生命周期评价结果的影响由于本研究的排放和环境影响分析所用数据来源不完全一致以及存在边界的简化,因此有必要进行生命周期分析不确定性的因素,变化程度以及对评价结果的影响(见表7)。不确定性刻度如下:“低影响”(<5%)意味着该项数据来源并不会对结果有显著的改变;“中等影响”(5%-20%)说明该项对于最后的环境效应有一定影响;但不改变(颠倒)基本的结论;而“高影响”(>20%)则表示该项值的变化有可能造成了主要排放和环境影响结论有误。本研究中,除了沼液沼渣浸种、农药等的综合利用对生命周期评价结果有中等影响以外,其他如沼气池建材耗费量,沼气使用和利用阶段排放因子和系数和沼气肥料替代氮磷钾肥量基本都在低影响水平,因此认为这些不确定因素并不会改变主要结论。同时,针对来自于数据的不确定性来源,经过对具体工程工艺细节进行调查,以及对辅助数据库进行多来源对比判别,选择其中最可靠的数据来源,将系统潜在的不确定性产生的可能降到最低。3总体节能减排g本研究以恭城瑶族自治县“猪-沼-稻-果”沼气综合