生物质转化能源技术的发展现状及趋势探讨

能源短缺问题已成为制约经济社会发展的瓶颈,研究开发新的能源代替传统不可再生能源成为急需要解决的焦点问题。生物质能是由植物的光合作用固定于地球上的太阳能,通过生物质能转换技术可以高效地利用生物质能源,生产各种清洁燃料,替代煤炭、石油和天然气等燃料。对近些年生物质能源技术的发展现状进行了简要讨论,指出了生物质能的利用具有广阔的发展前景,在不久的将来,生物质能源必将成为能源结构中重要一部分,实现能源结构良好可持续发展。     

关于生物质能利用现状及政策启示

本文简述生物质能种类和特点,介绍几种生物质能利用方法在中国和外国的发展,并将国内外政策法规进行对比,提出我国发展生物质能相应对策。     

秦皇岛市生物能源产业发展的思路与对策

开发利用可再生的生物质能源是未来能源产业发展的主流方向之一。秦皇岛市具有发展生物能源产业的良好基础和有利条件。根据秦皇岛市生物能源资源条件,生物能源产业发展的思路应该是：畜禽粪便沼气商业化开发;农林废弃物、餐饮垃圾和城乡居民生活垃圾能源化开发;能源林、能源作物种植与生物柴油冶炼产业化发展。并通过政府对生物能源产业的组织、规划与引导,建立生物质能源资源管理制度与流通机制和生物能源产业发展的市场化运营机制,制定扶持政策等措施,促进生物能源产业的快速、健康发展。     

生物质能利用技术-厌氧消化技术的研究新进展

厌氧消化技术是最重要的生物质能利用技术之一。厌氧消化技术是实现废物污染防治和能源回收利用的有效方法。本文综述了厌氧消化技术利用生物质废物回收利用生物质能的最新研究进展,分别介绍了生物质废物厌氧发酵产乳酸,氢气和甲烷的机理,研究现状和存在的问题,并对其进一步发展和未来的应用前景进行了分析和展望,为寻找适合中国的垃圾处理技术提供一些参考。     

Accounting for time in Mitigating Global Warming through land-use change and forestry

Many proposed activities formitigating global warming in the land-use change and forestry(LUCF) sector differ from measures to avoid fossilfuel emissions because carbon (C) may be held out ofthe atmosphere only temporarily. In addition, thetiming of the effects is usually different. Many LUCFactivities alter C fluxes to and from the atmosphereseveral decades into the future, whereas fossil fuelemissions avoidance has immediate effects. Non-CO₂ greenhouse gases (GHGs), which are animportant part of emissions from deforestation inlow-latitude regions, also pose complications forcomparisons between fossil fuel and LUCF, since themechanism generally used to compare these gases(global warming potentials) assumes simultaneousemissions. A common numeraire is needed to expressglobal warming mitigation benefits of different kindsof projects, such as fossil fuel emissions reduction,C sequestration in forest plantations, avoideddeforestation by creating protected areas and throughpolicy changes to slow rates of land-use changes suchas clearing. Megagram (Mg)-year (also known as`ton-year') accounting provides a mechanism forexpressing the benefits of activities such as these ona consistent basis. One can calculate the atmosphericload of each GHG that will be present in each year,expressed as C in the form of CO₂ and itsinstantaneous impact equivalent contributed by othergases. The atmospheric load of CO₂-equivalent Cpresent over a time horizon is a possible indicator ofthe climatic impact of the emission that placed thisload in the atmosphere. Conversely, this index alsoprovides a measure of the benefit of notproducing the emission. One accounting methodcompares sequestered CO₂ in trees with theCO₂ that would be in the atmosphere had thesequestration project not been undertaken, whileanother method (used in this paper) compares theatmospheric load of C (or equivalent in non-CO₂GHGs) in both project and no-project scenarios.Time preference, expressed by means of a discount rateon C, can be applied to Mg-year equivalencecalculations to allow societal decisions regarding thevalue of time to be integrated into the system forcalculating global warming impacts and benefits. Giving a high value to time, either by raising thediscount rate or by shortening the time horizon,increases the value attributed to temporarysequestration (such as many forest plantationprojects). A high value for time also favorsmitigation measures that have rapid effects (such asslowing deforestation rates) as compared to measuresthat only affect emissions years in the future (suchas creating protected areas in countries with largeareas of remaining forest). Decisions on temporalissues will guide mitigation efforts towards optionsthat may or may not be desirable on the basis ofsocial and environmental effects in spheres other thanglobal warming. How sustainable development criteriaare incorporated into the approval and creditingsystems for activities under the Kyoto Protocol willdetermine the overall environmental and social impactsof pending decisions on temporal issues.     

1973~2013年黑龙江省森林碳储量及其动态变化

基于1973~2013年8次省森林清查数据以及实测数据改进的生物量蓄积量转换参数,利用生物量转换因子连续函数法,研究了近40a黑龙江省森林碳储量及其动态变化.结果表明：黑龙江省森林碳储量从1973~1976年的1159.35 TgC下降到2009~2013年的833.99 TgC,其中天然林减少387.51 TgC,人工林增加62.15 TgC;森林总体表现为碳源（-10.88 TgC/a）,主要归因于天然林面积的减少.不同森林类型的碳储量存在较大差异,桦木、落叶松和阔叶混是碳储量的主要贡献者;大多数森林类型的碳密度呈上升趋势.森林以中、幼龄林为主,中龄林碳储量占同期全省总量的27.9%~46.6%,其他龄组的碳储量均呈减少趋势,以成熟林最为明显（201.17 TgC）;幼龄林、中龄林和近熟林的碳密度分别增加2.20、3.21和3.43MgC/hm²,成熟林和过熟林则有所下降;不同龄组森林面积和碳密度的变化是导致其碳储量变化的主要原因.     

中国发展生物质能源的战略措施思考

能源是人类社会赖以生存和发展的重要资源.随着中国经济的持续发展,能源与环境对经济发展的制约作用逐渐得到显现,能源问题与环境问题已经成为国家发展的战略性问题.因此发展生物质能是解决中国能源紧张的重要突破口.发展生物质能的战略措施是建立生物质能源的产业体系,即相对于传统产业体系的第二产业体系.具体战略阶段是:2000-2010年实验探讨阶段(初级阶段);2020-2030年推广应用阶段(发展阶段):2030年-2050年优化提出阶段(提高阶段).生物质能源的发展战略有助于"三农"问题的解决即农村小康社会的建设;有助于减轻环境压力;有助于维护国家能源安全.     

Carbon Sequestration by Carbonization of Biomass and Forestation: Three Case Studies

We proposed the carbon sink project called “Carbon Sequestration by Forestation and Carbonization (CFC),” which involves biomass utilization and land conservation by incorporating the products of biomass carbonization into the agents for soil improvement, water purification, etc. Our purpose was to demonstrate the potential of the CFC scheme for carbon sequestration, particularly carbon storage in soil. Case studies were conducted in both developing and developed countries. 1. In southern Sumatra, Indonesia, 88,369 Mg-C year⁻¹ of wood residue from a plantation forest and excess bark from a pulp mill would be converted into 15,571 Mg-C year⁻¹ of the net carbon sink by biochar for soil improvement. The fixed carbon recovery of the system is 21.0%. 2. In a semiarid region in western Australia, the carbonization of wood residue was incorporated with multipurpose projects of a mallee eucalyptus plantation that involved the function of salinity prevention. During the project period of 35 years, the total carbon sink would reach 1,035,450 Mg-C with 14.0% by aboveground biomass, 33.1% by belowground biomass and 52.8% by biochar in soil. 3. In southern Kyushu, Japan, the study was focused on the effective use of surplus heat from a garbage incinerator for carbonizing woody materials. Sawdust of 936.0 Mg-C year⁻¹ would be converted into the net carbon sink of 298.5 Mg-C year⁻¹ by carbonization, with the fixed carbon recovery of the system being 31.9%. Consequently, the CFC project could encourage the creation of a carbon sink in soil. However, we recognize that the quality standard of biochar, the stability of biochar in soil, and the methods for monitoring biochar utilization must be clarified before incorporating biochar carbon into the carbon credit system. Throughout this article (except for diagrams and in citation details) carbonized biomass is, with the authors'agreement, called ‘biochar’ in lieu of the commonly used but misleading word ‘charcoal’ (Editor).     

中国发展生物质能源的战略措施思考

能源连人类社会赖以生存和发展的重要资源。随着中国经济的持续发展，能源与环境对经济发展的制约作用逐渐得到显现．能源问题与环境问题已经成为国家发展的战略性问题。因此发展生物质能是解决中国能源紧张的重要突破口。发展生物质能的战略措施是建立生物质能源的产业体系。即相对于传统产业体系的第二产业体系。具体战略阶段是：2000—2010年实验探讨阶段（初级阶段）；2020—2030年推广应用阶段（发展阶段）：2030年一2050年优化提出阶段（提高阶段）。生物质能源的发展战略有助于“三农”问题的解决即农村小康社舍的建设；有助于减轻环境压力；有助于维护国家能源安全。     

生物质活性炭辅助微波处理氨氮废水研究

以花生壳为原料,分别使用程序控温法和微波法制备生物质活性炭.采用高分辨电子扫描电镜(SEM)和氮吸脱附曲线对花生壳活性炭进行了表征.结果表明,微波法制备的花生壳活性炭比表面积大于程序控温法制备的花生壳活性炭比表面积,且微波法制备活性炭成本远低于程序控温法.将制得的两种活性炭和商用活性炭分别辅助微波处理氨氮废水,确定了生物质活性炭辅助微波处理氨氮废水的最佳条件.初步讨论了活性炭辅助微波处理氨氮废水的机理.     

采伐林窗对马尾松人工林土壤微生物生物量的初期影响

为了解人为采伐活动形成的林窗对马尾松低效人工林土壤微生物生物量的影响,以39 a生的马尾松人工林7 种不同大小林窗(G1:100 m²、G2:225 m²、G3:400 m²、G4:625 m²、G5:900m²、G6:1 225 m²、G7:1 600 m²)以及林下为研究对象,分析了林窗中央和林窗边缘土壤微生物生物量碳(MBC)、微生物生物量氮(MBN)、微生物生物量磷(MBP)的季节变化。结果显示:①林窗大小显著影响了林窗内各位置土壤MBC和MBP,对MBN影响不显著;MBN与MBC变化趋势相同,均随林窗增大呈先升后降的单峰型变化,但MBN变化幅度较小,MBP仅在林窗中央具有单峰型变化。MBC、MBN和MBP分别在面积为400~900 m²、225~625 m²和625~900 m²的林窗较高。总体来看,中型林窗更有利于微生物生物量的增值。②季节变化对土壤MBC、MBN、MBP均有极显著影响,MBC为夏高春低,MBN夏高冬低;MBP的变化较复杂,秋季相对较高。③林窗中央与边缘间MBC、MBN、MBP差异不显著,但MBC、MBN显著高于林下。说明较之马尾松纯林,林窗内土壤微生物活性有较大提高。④土壤温度对MBC、MBN有显著影响,土壤含水量对MBN、MBP有显著影响,土壤温度和水分是林窗形成后影响土壤微生物生物量的重要环境因子。     

黄土丘陵区不同坡向对土壤微生物生物量和可溶性有机碳的影响

选取黄土高原丘陵沟壑区延河流域两个典型植被区(森林植被区、草原植被区)下相同植被不同坡向(阳坡、阴坡)的土样进行分析,研究了不同坡向土壤微生物生物量碳(SMBC)、微生物生物量氮(SMBN)、微生物生物量磷(SMBP)和可溶性有机碳(DOC)的含量及其相互关系.结果表明,森林植被区阳坡、阴坡0～10 cm土层SMBC分别为532.1～792.5 mg·kg-1、333.6～469.8 mg·kg-1,SMBN分别为53.66～87.31 mg·kg-1、47.58～61.38 mg·kg-1,两者均表现为阳坡高于阴坡,草原植被区SMBC分别为68.90～75.34 mg·kg-1、65.29～128.67 mg·kg-1,SMBN分别为13.94～18.61 mg·kg-1、13.00～20.10mg·kg-1,两者均表现为阴坡高于阳坡;两个植被区SMBP与SMBC、SMBN变化不一致;SMBC占SMBC与DOC之和(SMBC+DOC)的比例在森林植被区阳坡最高,达77.74%,在草原植被区按阴坡到阳坡、0～10 cm土层到10～30 cm土层的顺序依次递减.相同植被区不同坡向土壤水分、温度的差异对土壤微生物生物量产生重要影响,进而使SMBC占SMBC+DOC的比例不同,SMBC+DOC比SMBC更能反映土壤碳素有效性,森林植被区阴坡阳坡0～10 cm土层土壤微生物群落结构可能已发生明显改变.     

Modern Biomass Conversion Technologies

This article gives an overview of the state-of-the-art of key biomass conversion technologies currently deployed and technologies that may play a key role in the future, including possible linkage to CO₂ capture and sequestration technology (CCS). In doing so, special attention is paid to production of biofuels for the transport sector, because this is likely to become the key emerging market for large-scale sustainable biomass use. Although the actual role of bio-energy will depend on its competitiveness with fossil fuels and on agricultural policies worldwide, it seems realistic to expect that the current contribution of bio-energy of 40–55 EJ per year will increase considerably. A range from 200 to 300 EJ may be observed looking well into this century, making biomass a more important energy supply option than mineral oil today. A key issue for bio-energy is that its use should be modernized to fit into a sustainable development path. Especially promising are the production of electricity via advanced conversion concepts (i.e. gasification and state-of-the-art combustion and co-firing) and modern biomass derived fuels like methanol, hydrogen and ethanol from ligno-cellulosic biomass, which can reach competitive cost levels within 1–2 decades (partly depending on price developments with petroleum). Sugar cane based ethanol production already provides a competitive biofuel production system in tropical regions and further improvements are possible. Flexible energy systems, in which biomass and fossil fuels can be used in combination, could be the backbone for a low risk, low cost and low carbon emission energy supply system for large scale supply of fuels and power and providing a framework for the evolution of large scale biomass raw material supply systems. The gasification route offers special possibilities to combine this with low cost CO₂ capture (and storage), resulting in concepts that are both flexible with respect to primary fuel input as well as product mix and with the possibility of achieving zero or even negative carbon emissions. Prolonged RD&D efforts and biomass market development, consistent policy support and international collaboration are essential to achieve this.     

亚热带不同稻田土壤微生物生物量碳的剖面分布特征

土壤微生物生物量碳是稻田土壤有机质最具活性的组分之一,可有效地指示土壤质量状况.为探明亚热带地区不同类型稻田土壤微生物生物量碳的剖面分布特征及其与土壤有机碳及养分的关系,通过选取5种不同母质发育的稻田土壤,采集土壤发生层次分层样品,分析其有机碳、微生物生物量碳以及土壤养分的分布特点.结果表明,土壤有机碳和微生物生物量碳含量均随土壤深度的加深而急剧下降,分别介于2.45～26.19 g.kg-1和4.55～1 691.75 mg.kg-1,以耕作层和犁底层的含量最为丰富.不同母质发育的稻田表层土壤微生物生物量碳含量存在显著差异,以板岩风化物发育的黄泥田Ⅰ最高,河沙泥和红黄泥最低;而有机碳含量却以红黄泥和河沙泥最高,其余几种土壤之间并无明显差异.尽管如此,土壤微生物生物量碳依然受有机碳数量的限制,两者呈显著的正相关关系.土壤微生物商亦随土壤深度的增加而明显降低,不同类型土壤耕作层微生物商以河沙泥(2.11%)和红黄泥(1.37%)相对最低,而板岩风化物发育的黄泥田Ⅰ最高(8.24%),说明河沙泥和红黄泥的底物有效性明显低于黄泥田,这也是河沙泥和红黄泥有机碳含量最高而微生物生物量最低的原因之一.土壤微生物生物量碳含量与土壤全氮、碱解氮和有效磷呈显著的正相关关系,而与土壤速效钾的相关性不明显,说明稻田土壤微生物生物量碳除受有机碳的限制外,还与土壤养分存在较为复杂的关系.     

能源供应安全视角下中印生物质能源利用的比较

中国和印度是世界上两个人口最多的国家,中印两国作为世界上两个能源消费大国,如何满足众多人口和经济快速增长对能源的需求,以及提供安全的能源供应是中国和印度都在考虑并试图解决的紧迫问题,分析印度的生物能源利用政策对我国有重要的现实意义和参考价值。我国在1993年成为石油净进口国,1994年我国进口的原油仅为290×104t,进口依赖度为1.9%。到2009年我国石油净进口量为21 888.5×104t,进口原油的依赖度上升到了52.5%。我国日益增加的对国际石油市场的依赖对我国能源安全供应构成了极大的风险和挑战。我国在"十一五"期间,在生物质能源的利用上取得了很大的成绩。但还存在一些问题,主要问题是原料来源和成本不稳定、缺乏统筹规划、发电上网制度不完善、相关政策配套措施和实施细则不完善等因素在一定程度上影响了生物质能产业的发展。印度政府积极支持的生物质利用技术,包括利用清洁发展机制大量开发的生物质能CDM项目,这类项目大约占印度全部注册CDM项目的三分之一左右。印度从能源多元化供应的角度和扶持乡村可持续发展的角度上开发利用生物质能项目的实践是值得我国借鉴的。     

糖蜜酒精废液处理中影响微生物量因素的研究

试验研究了糖蜜酒精废液处理过程中培养基、培养温度及废液中COD、BOD5、TOC浓度等因素对微生物量的影响。结果表明,利用糖蜜酒精废液驯化可以得到微生物优势菌种;在废液培养基及培养温度30℃条件下微生物量最高,为4.61g/L;单位COD、BOD5和TOC的微生物量分别为0.268g/g(COD)、11.92g/g(BOD5)和0.381g/g(TOC),菌体粗蛋白含量可达54.51%。     

中国生物质能源的定量评价及其地理分布

利用已有统计资料和数据,定量估算了中国生物质能源的数量,并对其地理分布格局进行了探讨。研究表明:①2004年中国生物质资源实物蕴藏量为:秸秆7.28×10⁸t,主要分布在河南、山东、黑龙江、吉林、四川等省;畜粪39.26×10⁸t,主要分布在河南、山东、四川、河北、湖南等省;林木生物质21.75×10⁸t,主要分布在西藏、四川、云南、黑龙江、内蒙古等省区;城市垃圾1.55×10⁸t,主要分布在广东、山东、黑龙江、湖北、江苏等省;废水482.4×10⁸t,主要分布在广东、江苏、浙江、山东、河南等省;②2004年中国生物质能实物总蕴藏潜力为35.11×10⁸tce,前五位依次为四川、云南、黑龙江、河南和内蒙古;其中理论可获得量为4.6×10⁸tce,前五位为四川、黑龙江、云南、西藏和内蒙古。可获得量中秸秆、薪柴和畜粪所占比例分别达38.9%、36.0%和22.14%;③中国生物质能分布不均,省际差异较大。按农村人口计算,人均理论可获得生物质能最大的西藏自治区达14.17tce,最小的浙江省仅0.15tce。而生物质能蕴藏潜力分布在一定程度上与常规一次能源蕴藏潜力分布呈现互补状态,则更加突出了在一次能源蕴藏量较低的地区开发利用生物质能的巨大潜力。     

缙云山不同土地利用方式对土壤团聚体微生物量碳氮的影响

于缙云山阳坡同一海拔高度处选择亚热带常绿阔叶林(简称林地)、撂荒地、坡耕地和果园这4种土地利用方式,在0~60 cm的土壤深度内每隔10 cm采集一个土壤样品,测定大团聚体(2 mm)、中间团聚体(0.25~2 mm)、微团聚体(0.053~0.25 mm)以及粉+黏团聚体(0.053 mm)内的微生物生物量碳(MBC)和微生物生物量氮(MBN)含量,以分析缙云山不同土地利用方式对团聚体MBC及MBN的影响.结果表明4种土地利用方式下,各粒径团聚体MBC及MBN含量均随土壤深度的增加而降低.林地开垦为果园和坡耕地后除导致大团聚体MBC和MBN含量升高外,其它粒径团聚体MBC及MBN含量均降低;坡耕地撂荒后,除粉+黏团聚体MBN含量降低外,其它粒径团聚体MBC及MBN含量均增加.采用等质量方法计算了0~60 cm土壤深度内4种土地利用方式下各粒径土壤团聚体MBC和MBN的储量,发现除粉+黏团聚体外,其他粒径团聚体MBC储量均为林地高于果园和坡耕地,撂荒地各粒径团聚体内的MBC储量均高于坡耕地;MBN储量表现为中间团聚体和微团聚体林地高于果园和坡耕地,而撂荒地除粉+黏团聚体外,其他粒径团聚体均高于坡耕地.总体上,林地和撂荒地团聚体MBC储量高于果园和坡耕地,MBN储量高于坡耕地,果园与林地团聚体MBN储量接近,表明林地的垦殖虽然对果园团聚体MBN影响非常小,但却导致了团聚体MBC以及坡耕地MBN的损失,而坡耕地撂荒则有利于团聚体MBC及MBN的恢复和蓄积.在土地利用转变过程中,土壤团聚体MBC的变化方向和变化量与土壤有机碳并不一致,存在很大的差异,因此,土壤团聚体微生物熵并不适于来评价该地土地利用变化对土壤的影响,采用有机碳总量作为表达土地利用变化的敏感性指标可能更好.     

水生植物生物质炭去除水体中氮磷性能

在富营养化水体的生物修复中,将产生大量的水生植物,如何进行合理的处置是需要解决的问题.本文采用水生植物制得生物质炭,并通过镁改性,提高了生物质炭对水体中氮磷的吸附性能.材料性质表征结果表明,镁改性不仅在生物质炭表面形成纳米MgO片层,增加比表面积,而且引入了羟基官能团促进对铵态氮的吸附.改性生物质炭对硝态氮和铵态氮的吸附过程均属于多层吸附,吸附等温线符合Freundlich模型.改性后生物质炭对磷的吸附机制由单层吸附变为多层扩散.改性生物质炭对硝态氮、铵态氮和磷的最大吸附量分别为5. 66、62. 53和90. 92 mg·g~(-1),其中对铵态氮的吸附量是未改性生物质炭的178倍.在磷、硝态氮和铵态氮共存时,改性生物质炭对其吸附量分别增加79. 1%、67. 5%和47. 1%.本文结果表明通过生物质炭制备可以实现水生植物资源化,并可回用于水体氮磷污染的修复,具有很好的应用前景.     

有机物料对紫色土微生物量碳、氮及氮素供应的影响

以猪粪沼渣(PM)、牛粪沼渣(CM)、污泥堆肥(SC)、农村生活垃圾堆肥(RWC1)、农村生活垃圾与污泥的堆肥产物(污泥比例20%,RWC2)为材料,采用培养试验和盆栽试验研究了有机物料对酸性紫色土和石灰性紫色土中微生物量碳(MBC)、氮(MBN)含量及玉米幼苗氮吸收的影响.结果表明,有机物料使酸性和石灰性紫色土MBC含量分别提高了53. 63%～102. 91%和12. 14%～137. 00%,有机物料分解愈慢、碳氮比(C/N)愈高,土壤MBC愈大;而MBN含量分别提高了23. 37%～150. 08%和35. 02%～160. 02%,受物料的有机氮形态影响.两种土壤MBC/MBN随物料C/N的升高总体降低,高C/N物料有利于MBN的长期维持.除牛粪沼渣外,有机物料均可提高两种紫色土中玉米幼苗的生物量及氮吸收量,提高幅度为SC PM RWC2 RWC1,但其对氮素吸收的促进效果不及化肥.牛粪沼渣对玉米幼苗氮吸收的抑制作用与其较高的C/N有关,而其余物料的促进作用随MBC/MBN降低而增高.因此,有机物料对氮素吸收利用的影响不仅与其性质有关,也与其对土壤MBC/MBN的作用有关.