大極腳候源卣環(huán)統(tǒng)生物質(zhì)能源的特點盡其境效應胡理樂李亮李俊生(中國環(huán)境科學研究院北京100012)摘要能源需求的持續(xù)增長和化石能源引起的CO2排放以及全球氣候變化問題促使人們尋求“綠色”可再生能源。生物質(zhì)能源是潛在的低礦可再生能源,生物質(zhì)能源的開發(fā)與利用已成為世界研究熱點領域之一,受到世界各國政府與科學界的關注。同時,生物質(zhì)能源的開發(fā)和利用也受到越來越多的質(zhì)疑,主要包括生物質(zhì)能源引發(fā)的糧食安全問題、環(huán)境問題、水資源問題等。生物質(zhì)能源十分豐害,了解生物質(zhì)能源的特點及其環(huán)境效應是合理開發(fā)生物質(zhì)能源的前提,簡述生物質(zhì)能源的環(huán)境效應及不同生物燃料的特點。關鍵詞生物質(zhì)能源林業(yè)生物質(zhì)油料植物農(nóng)作物中圖分類號:TK6文獻標識碼:A文章編號:1672-9064(2012)01-0047-03人口的迅速增長和工業(yè)化的快速發(fā)展導致能源需求的多樣性等的影響,選擇合理途徑和方式減少其不利影響,這持續(xù)增長。解決能源短缺問題已成為一個世界性的難題。目也是世界各國開發(fā)生物質(zhì)能源面臨的緊迫問題。前,能源主要來自煤炭、石油、天然氣等這些能源正在瀕臨1環(huán)境問題枯竭,同時也造成了嚴重的環(huán)境污染。眾所周知燃燒化石燃生物質(zhì)能源通常被認為“綠色的”,低CO2和SO2排放,料排放的二氧化硫是造成酸雨的主要原因排放的溫室氣體前者是最主要的溫室氣體后者是引起酸雨的主要原因。最是導致全球變暖的主要原因。因此找到一種廉價、可再生且近,許多學者對生物質(zhì)能源提出了不同的看法,爭論的焦點不造成環(huán)境污染的能源是全世界的迫切需要在于CO2排放等環(huán)境問題( Scharlemann& Lorance,2008;生物質(zhì)能源引起世界的關注得益于其自身的特點:可再 Searchinger et al,2008)生性、低CO2排放、幾乎不排放SO2廣泛分布性、使用形式(1)CO2凈排放量。生物質(zhì)的生長需要從空氣中吸收多樣、生物質(zhì)燃料總量豐富等( Saxena et al,2009)。目前,生CO2,從理論上說,生物質(zhì)能源比化石能源的CO2凈排放量物質(zhì)能源的研究與開發(fā)已成為世界熱門研究領域之一受到少許多研究中得到這一結(jié)論( Saxena et al,200)然而這些各國政府與科學界的關注。我國能源消耗量年年攀升,2006研究僅從生物質(zhì)燃料的整個生活史中一個過程對CO2凈排年已居世界第2位。我國是一個人口大國同時又是一個經(jīng)放量進行計算( Searchinger et al.2008),如:生物質(zhì)燃料的生濟迅速發(fā)展的國家,面臨著經(jīng)濟增長和環(huán)境保護的雙重壓長、提煉或使用過程。準確分析生物質(zhì)能源的CO2凈排放量力因此改變能源生產(chǎn)和消費方式,開發(fā)利用生物質(zhì)能等可需要從生物質(zhì)燃料的整個生活史進行計算,并且需要考慮土再生的清潔能源對建立可持續(xù)的能源系統(tǒng),促進國民經(jīng)濟發(fā)地更改用途在CO2凈排放量中所起的作用( earchinger et展和環(huán)境保護具有重大意義al.,2008)。同時,生物質(zhì)能源的開發(fā)和利用也受到越來越多的指目前生物質(zhì)來源主要是糧食作物,而農(nóng)民為了經(jīng)濟利益責主要包括生物質(zhì)能源引發(fā)的糧食安全問題環(huán)境問題水種植這些作物時常?？撤ド趾推茐牟莸?從而導致森林和資源問題等( de vries,2008),甚至質(zhì)疑它在減少溫室氣體方草地中的碳進入空氣中,如果算上這部分碳,由農(nóng)作物轉(zhuǎn)換面的作用( Scharlemann& Lorance,2008。在世界許多地方,來的生物質(zhì)能源的CO2凈排放量并不比石化能源低農(nóng)業(yè)用水與城市居民用水和工業(yè)用水發(fā)生激烈的競爭水資( Searchinger et al,200)因此,要準確計算生物質(zhì)能源的源表現(xiàn)出枯竭的趨勢( Postel et al,1996),如果采用生物質(zhì)cO2凈排放量必需從由生物質(zhì)能源開發(fā)和使用引起的碳循能源取代化石能源,生物質(zhì)的種植將需要大量的水資源這環(huán)整個過程加以觀察。必將加劇水資源枯竭( Gerbeng- Leenes et al,2008)。此外,大生物質(zhì)能源的CO2凈排放量根據(jù)不同的生產(chǎn)方式而有面積種植用于提取生物質(zhì)能源的單一物種將對生態(tài)系統(tǒng)的所不同。砍伐森林或破壞當?shù)刂脖环N植農(nóng)作物來制取能源,穩(wěn)定性帶來巨大破壞,并可能引起環(huán)境問題;同時,不合理地其CO2凈排放量大于化石能源;直接利用本土生物質(zhì)以及農(nóng)種植和開發(fā)生物質(zhì)能源也將降低生物多樣性。業(yè)和森林中的廢棄物,其CO2凈排放量將降低;開墾荒地并本文對生物質(zhì)能源的特點及其環(huán)境效應進行了綜述,以種植適宜植物以提取生物質(zhì)能源,其CO2凈排放量更少期更全面地了解生物質(zhì)能源開發(fā)和利用對糧食、環(huán)境和生物( Fargione et al,2008)。中國煤化工金項目:中央鲺公益性科研院所基本科研業(yè)務重點項(200KYYW12)作者簡介:胡理樂(1979~),男,江西南曷人,副研究員,博士,主要從事植物生態(tài)學研究CNMHG2012NO.1轉(zhuǎn)點環(huán)統(tǒng)Ⅱ境大視野(2)生物多樣性喪失。生物質(zhì)能源的開發(fā)可能通過多種點作簡單介紹。方式引起生物多樣性的喪失。目前,生物質(zhì)能源開發(fā)的主要(1)農(nóng)作物生物質(zhì)。日前,農(nóng)作物是使用最多的生物質(zhì)燃形式是大面積單一種植能源效益高的作物造成農(nóng)業(yè)生態(tài)系料,通常采用大面積種植單一作物的形式獲取生物質(zhì)燃料,統(tǒng)單一化。種植轉(zhuǎn)基因能源作物可能會造成與野生親緣的交即高投入低多樣性(high- input low- diversity,HD)的模式叉授粉,從而降低物種遺傳多樣性,增加物種滅絕風險。外來( Wallace& Palmer,2007),需大量投人肥料、灌溉水和殺蟲生物質(zhì)能源物種的種植存在變成外來入侵種的風險從而影劑。HD模式帶來了諸多環(huán)境問題:①土地耕種面積的擴展響物種多樣性。此外,能源作物種植滲入自然景觀這一后果將導致土壤侵蝕的增加和土壤肥力的下降;②土壤的耕種、直接造成生物多樣性的灌溉和施肥增加土壤呼吸,而土壤呼吸是陸地上最大的C喪失。若生物質(zhì)的種植和管理過程中采用不可持續(xù)的方法源③農(nóng)作物耕種面積的增加通常以本土生態(tài)系統(tǒng)的做壞為(如過度使用化肥),可能造成耕地的水土流失或板結(jié)甚至代價,從而導致生物多樣性的喪失( Wallace& Palmer,造成生物多樣性喪失。由于適用的土地面積有限,世界各國007) Wallace& Palmer(2007)提出了與HLD模式對立的可能會開拓土地種植生物質(zhì)能源作物,從而可能破壞本土生模式:低投入高多樣性(low- input high- diversity,LHD)。L態(tài)系統(tǒng)平衡,威脅生物多樣性因此處理好生物質(zhì)能源的開HD模式利用本土植物作為生物質(zhì)燃料,其優(yōu)勢在于極大地發(fā)與生物多樣性的關系是大力開發(fā)生物質(zhì)能源的前提。降低了農(nóng)業(yè)投入(如:肥料、殺蟲劑等)減少了耕種次數(shù)和灌(3)水資源問題。生物質(zhì)能源開發(fā)對水資源的消耗也是溉水量、有效地保護了生物多樣性LHD模式最大的缺點在個備受關注的問題。由于人口的快速增長、工業(yè)用水和農(nóng)于生產(chǎn)力低下獲取與HLD模式同等生物質(zhì)時約需要2倍業(yè)用水的低效率導致水資源十分短缺,而大面積種植提取能的土地面積( Gutschick,2007)。源的生物質(zhì)能源作物將加劇水資源的枯竭。綜合分析我國水(2)林業(yè)生物質(zhì)。森林是生物質(zhì)能源的重要來源之一,森資源儲備量及其分布格局,對具有開發(fā)生物質(zhì)能源潛力的一林的生態(tài)服務功能及其在保護生物多樣性中的作用也得到批生物質(zhì)通過研究其生長過程中對水的需求量,找到需水量全世界的認可。因此,在開發(fā)林業(yè)生物質(zhì)能源時不應對森林小蒸騰速率低、利用效率高的生物質(zhì)作為開發(fā)生物質(zhì)能源帶來破壞(費世民,2008),開發(fā)林業(yè)生物質(zhì)要注意以下幾點:的對象,這是成功開發(fā)生物質(zhì)能源的關鍵。①不占用農(nóng)地。利用宜林荒山荒地以及不適宜種植糧食作物(4)其它環(huán)境問題。除了上述影響外,評價生物質(zhì)能源時的沙地、鹽堿地等邊際性土地種植適合的林業(yè)生物質(zhì)能源植還需綜合考慮它的環(huán)境效應。一些研究證實生物質(zhì)能源開發(fā)物。②利用林木果實和間伐林木提取生物質(zhì)能源降低原料加速了巴西雨林的砍伐( Searchinger et al.,2008),從而導致成本,實現(xiàn)可持續(xù)利用。同時,林業(yè)生物質(zhì)資源培育成林后許多物種因生境的破壞而滅絕。此外,NOx是潛在的溫室氣不用每年重新種植。③在荒山荒地、沙區(qū)、鹽堿地等立地條件體會破壞臭氧層,許多作物(玉米、油菜)的生長需要N肥,較差的地區(qū),培育具有較好外部經(jīng)濟性的能源林,可加速造是一個NOx庫。在NOx問題上,草叢和灌叢比玉米等作物更林綠化進程提高森林質(zhì)量提高森林覆蓋率。適宜用作生物質(zhì)能源( Scharlemann& Lorance,2008)。3)農(nóng)林廢棄物。農(nóng)產(chǎn)品和森林的廢棄物也可用作生物2糧食安全質(zhì)燃料,且廢棄物生物質(zhì)能源釋放的CO2比農(nóng)作物生物質(zhì)能我國是人口大國和糧食消費大國。由于生物質(zhì)能源與糧源少,可利用的廢棄物也十分廣泛和多樣( Fargione et al,食作物搶地搶水或直接采用糧食作物提取生物質(zhì)能源,必2008),不存在因生長而消耗水的問題更不存在與糧食搶土將影響糧食安全,因此,生物質(zhì)能源的開發(fā)過程中應該考慮地的問題,是一個變廢為寶的開發(fā)和利用過程,世界各國十糧食安全問題。目前,中國生產(chǎn)的生物燃料主要是燃料乙醇,分重視廢棄物生物質(zhì)能源的開發(fā)和利用。但廢棄物生物質(zhì)燃原料大部分是玉米。從長遠發(fā)展著眼,中國今后將不能再大料的來源不穩(wěn)定、可持續(xù)性差,且數(shù)量有限,所能供應的生物量增加利用糧食作原料的生物質(zhì)燃料生產(chǎn),而是轉(zhuǎn)向開發(fā)非質(zhì)能源難以滿足需求。此外,用各種農(nóng)產(chǎn)品和森林廢棄物制食用性生物質(zhì)資源,如菜籽、薯類、甘蔗、玉米秸桿、林業(yè)廢棄取生物質(zhì)乙醇或柴油等能源的技術(shù)不如農(nóng)作物的提取技術(shù)物、廢棄油脂、稻米糠等。在荒地和鹽堿地沙地等種植高產(chǎn)成熟,仍未達到商業(yè)化程度( Balat et al.2008)能源作物,如菊芋、甜高粱、紅薯、木薯等既不占用寶貴的耕(4)海洋生物質(zhì)。利用巨大的海洋生物質(zhì)資源寶庫,發(fā)展地資源,又可提供大量的生產(chǎn)原料,還有利于改善生態(tài)環(huán)境,藻類及鹽生植物等,可望成為穩(wěn)定提供生物質(zhì)能源原料的有增加農(nóng)民收入(劉笑然,2006)。此外,盡可能利用不易種植糧效途徑(趙中華等,2008)。海洋占地球表面的71%,是地球上食作物的土地種植生物質(zhì)來獲取生物質(zhì)能源;另外,從技術(shù)尚未開發(fā)利用的最大生物質(zhì)資源領域。藻類作為一種數(shù)量巨上提高糧食作物的土地利用效率,為生物質(zhì)能源讓出一定土大的可再生資源,是生產(chǎn)生物質(zhì)能源的重要潛在原料資源。地球上生物每年通過光合作用可固定8×10"碳,生產(chǎn)1463生物質(zhì)燃料分類及特點10生物質(zhì),其中藻類生產(chǎn)占40%。微藻種質(zhì)資源豐富,世界可用于提取生物質(zhì)能源的生物質(zhì)十分豐富,數(shù)量大分各地報道的海洋微藻超過4000種,具有光合作用效率高生布廣的生物質(zhì)包括農(nóng)作物、森林和各種廢物如農(nóng)產(chǎn)品廢物,物產(chǎn)量高、生長別中國煤化工成油脂等特點。工業(yè)廢物和農(nóng)作物廢物等。本文對下面幾種生物質(zhì)燃料的特工程培養(yǎng)海洋產(chǎn)CNMHG少,成本低;不2012.NO.1.環(huán)境大視制源卣環(huán)境同微藻能在不同類型水資源長期生長,開拓荒山丘陵和鹽堿3 Fargione,J, Hill, Tilman,D, Polak,s, Hawthome,P(2008.Land灘涂等非耕作水土資源,具有不與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)爭地的優(yōu)勢。clearing and the biofuel carbon debt. Science. 319(5)油料植物。油料植物也是重要的生物質(zhì)能源之一。采4 Gerbens- Leones,,PW, Hoekstra,AY, van der meer,T(2008),The用油料植物的種子作為生物質(zhì)能源的最大優(yōu)點在于可持續(xù)water footprint of energy from biomass: a quantitative assessment and性,一且合理選擇了物種并大面積種植了油料植物,它們帶consequences of an increasin-share of bio-energy in energy supply來的生態(tài)和經(jīng)濟效益十分巨大,且可以持續(xù)多年(Shao&Ecological EconomicsChu,2008)我國開發(fā)油料生物質(zhì)能源的潛力十分巨大,目前5 Gutschick, VP (2007). LHD versus HILD biofuels. Frontiers in ecology and Environment, 6已查明的油料植物有1554種,能用作建立規(guī)?；镔|(zhì)燃料6uJF,Hu,RQ(200. Sustainable biomass production for energy in油原料基地的喬灌木樹種有30余種(喬戰(zhàn)曉,2008)。China. Biomass and Bioenergy, 254結(jié)束語7 Postel, SL, Daily, GC, Ehrlich, PR (1996). Human appropriation of能源是社會和經(jīng)濟發(fā)展的基礎。中國能源消耗世界排名renewable freshwater. Science, 271第2隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展能源需求逐年增加,僅石油需求8 Saxena,RC, Adhikari,DK,coya,fHB(200). Biomass- based energy量年增長率高達12%(Li&Hu,2003)。持續(xù)增長的能源消耗fuel through biochemical routes: A review. Renewable and Sustain-導致大量CO2的排放,而CO2是全球氣候變化的主要威脅。able Energy Review, 13目前,中國是世界上CO2和SO2排放量最多的國家之一。鑒9 Scharlemann, JPW, Larance, WF (2008). How green are biofuels?于這些原因,中國政府一直努力和積極地發(fā)展可再生的綠色的能源。生物質(zhì)能源有望成為可減少環(huán)境污染、減少溫室10 Searchinger, T, Heimlich, R, Houghton, RA, Dong, F (2008).Use ofU.s. croplands for biofuels increases greenhouse gases through emis-氣候排放并可再生的能源最終取代化石能源。目前,世界各sions from land-use change. Science, 319國都在大力開發(fā)生物質(zhì)能源,同時也引起了社會各界對生物11sha,HB,Chu,LY(2008). Resource evaluation of typical energy質(zhì)能源關注?？捎米魃镔|(zhì)能源的生物質(zhì)燃料十分豐富,使plants and pos用形式也多種多樣,它們的環(huán)境效應也各不相同,我們在開Bioenerg, 32發(fā)生物質(zhì)能源時要注意結(jié)合國情、因地制宜開發(fā)和利用12 Wallace, L, Palmer, MW(2007). LHD biofuels: toward a sustain-參考文獻able future. Frontiers in Ecology and the Environment.51Bla,M,Bnt,H,Oz,C(200). Progess in bioethanol processing13世民發(fā)展林業(yè)生物質(zhì)能源的戰(zhàn)略思考,四川林業(yè)科技,208Progess in Energy and Combustion Science2 de Vries, SC (2008 ). The bio-fuel debate and fossil energy use in14劉笑然.中國生物燃料發(fā)展及原料供綸對糧食安全的影響,糧食palm oil production: a critique of Reijnders and Huijbregts 2007.Joumal of Cleaner Production. 1615喬戰(zhàn)曉生物質(zhì)能源-木本燃料滷應用現(xiàn)狀,時代教育,2008(5)(上接第38頁)于能耗還受污水處理廠季節(jié)變化處理水流量波動、設備老科學與管理,2006,19(2)化程度等眾多因素影響,今后污水處理廠的節(jié)能技術(shù)應從優(yōu)7李為,袁寶林屨次分析法在污水處理能耗評價中的應用煤化工,化設計及設備選型,重視管理控制、維修、升級改造,完善處2010,149(4理工藝建立能耗評價體系等環(huán)節(jié)進行貫徹審核,以達到節(jié)8劉長青張亞雷趙建走,等.AmOm一體化污水生物處理新工藝試能降耗的目標。驗環(huán)境工租,2006,24(4)參考文獻輩剛,楊政忠檐棲懼污水處理廠MSBR工藝的設計與運行中國給1劉禮科,張金松,施漢曷,等城市污水處理廠全流程節(jié)能降耗優(yōu)化水排水,2009,25(24)述行氟略中國給水排水,2009,25(16)10全玉芳,梅榮武MSBR工藝處理低淑度城鎮(zhèn)污水的設計與遮行搜2金曷權(quán),汪誠文,曾思育,等污水處理廠能耗特征分析方淒與節(jié)能制參數(shù)中國給水排水,2010,26(16)途徑研究蛤水排水,2009,3511盧東王,潘志平,張文,等A30百樂克工藝的設計特點及實際適3秦懷東,邵文卿污水處理廠泵站與曝氣爪姚的節(jié)能遼徑,山西煤行效果中國給水排水,2009,25(24)嶷,2000,20(4)12羊壽生城市污水廠的能源消軛給水排水,1984,(06)4陳家懦城市污水處理廠能耗評價及節(jié)能途徑研究西安:西安建筑13李建勇,王庭華,范岳嶂,等曝氣流量控制爪姚用于污水處理廠科技大學,200的節(jié)能降耗中國給水排水,2007,23(12)5郟全起,趙著塵污水處理廠設備運行及管理存在的問題及改進措14余仁輝,趙小翠,污水廠曝氣節(jié)能智能優(yōu)化控制系環(huán)境工施,工業(yè)用水與廢水,2007,38(5)6蔡芝斌,張志峰,蹇晚東,等污水處理廠水泵應用與節(jié)能改逢環(huán)境15機加全,趙偉,張曉清,等.自近應神經(jīng)無—一模糊推理系筑在污水曝氣控制中的中國煤化工5(05)CNMHG2012NO.1