中国农业废弃物沼气化资源潜力评价_张海成

第30卷第6期2012年11月干旱地区农业研究

Agricultural Research in the Arid Areas Vol.30No.6Nov.2012

收稿日期:2012-06-05

基金项目:中央高校基本科研业务费专项资金资助(QN2009003)

作者简介:张海成(1975)),男,新疆伊犁人,在读博士,主要从事循环农业研究。E -mail:ylz hc@nws https://www.360docs.net/doc/5f12387082.html, 。

*通信作者:杨改河(1957)),男,陕西耀县人,教授,博士生导师,主要从事资源与环境生态研究。E -mail:ygh@https://www.360docs.net/doc/5f12387082.html, 。

中国农业废弃物沼气化资源潜力评价

张海成1,4

,张婷婷2,4

,郭 燕3,4

,杨改河

2,4*

(1.西北农林科技大学资源环境学院,陕西杨凌712100;2.西北农林科技大学农学院,陕西杨凌712100;3.西北农林科技大学林学院,陕西杨凌712100;4.陕西省循环农业工程技术研究中心,陕西杨凌712100)

摘 要:通过构建农业废弃物沼气化利用潜力估算模型,确定各种农业废弃物沼气化转化参数,估算了2009年中国种植业、畜牧业生产和人类生活所产生的农作物秸秆、畜禽粪便和人粪尿等生产和生活废弃物的量,结果表明2009年全国农作物秸秆量达到89886.75万t 、畜禽粪便量达到399115.6万t,人粪尿达到25333万t,在35e 条件下沼气化资源潜力为5832.675亿m 3,相当于4.14亿t 标准煤。研究种植业、畜牧业等农村生产和生活产生的废弃物数量及其沼气化利用的资源潜力计算方法,对摸清我国农业废弃物数量、沼气化利用潜力具有重要意义。

关键词:农业废弃物;沼气化;资源潜力

中图分类号:S19 文献标志码:A 文章编号:1000-7601(2012)06-0194-06

现代农业以大量化肥代替原有农家有机肥,以人工饲料代替农业废弃物饲料,加之现代农业集约化和规模化的发展,打破了传统农业中废弃物的循环利用环节,结果造成了农业废弃物的大量积累,进而产生了较为严重的环境问题和资源浪费问题。因此,农业废弃物资源的合理利用已日益成为当前世界大多数国家共同面临的问题。农业废弃物的数量统计是其合理利用的基础。现阶段对农业废弃物秸秆产量的计算方法主要有谷草比法、副产品相对质

量密度法、农作物经济系数法[1-3]

,其中最接近实际的是谷草比法。毕于运

[4]

等采用此法对我国的秸秆

总量进行了估算。通过阅读文献可知,我们在农作物秸秆的估算过程中,要注明农作物计算范围以及所采用的谷草比。不同地区的谷草比是不同的,使

用不当就会对中国秸秆总产量的估计不够精确或严重失实[5-8]。国内普遍使用的计算畜牧业畜禽粪便量的方法则是根据畜禽饲养量、饲养周期和饲养期内日均粪尿排泄量进行估算,已有研究的重点在全国畜禽粪便量的时空分布特点、全国畜禽粪便的环境评价及其资源潜力等方面[9-11]。

沼气化利用是当前农业废弃物资源化利用的主要模式之一,农村户用沼气是当前农村推广的主要技术之一,而在户用沼气的区域布局上并没有考虑各地区农业废弃物的数量及其沼气化利用的资源潜力,同时对农业废弃物沼气化利用资源潜力的计算尚停留在估算阶段,缺乏统一、规范的评价理论和评价方法,估算数据的差异较大,很难反映实际情况。

本研究在多年农业废弃物沼气化转化研究的基

础上,结合农业科学相关理论和已有研究成果,建立了各种主要农业废弃物估算和沼气转化资源潜力预测模型,并对2009年我国农业废弃物的产量和沼气化转化潜力进行了估算。通过本研究以期能为农业废弃物的产量及其沼气化利用潜力的估算提供科学的理论依据和方法。

1 材料与方法

1.1 农业废弃物的产量估算模型构建

农业废弃物包括的范围很广,从其产生部门来看主要有种植业、畜牧业、林果业、渔业和农副产品加工业等生产活动中产生的非目标性产品和农村居民产生的生活垃圾,这些皆为有机物质,都可以作为沼气发酵的原料。相对于种植业和畜牧业,林果业和农副产品加工业所产生废弃物的种类比较复杂,林产品的种类差异较大,农副产品加工业在加工过程中要产生大量废液和废渣等下脚料,但是这些废弃物由于加工工艺和产品品种不同,产生的废弃物的数量和种类也不相同,农业废弃物产生的数量很难估算,因此,在本研究中,农业废弃物的估算模型主要针对种植业、畜牧业以及居民粪便和尿的产量为主。

1.1.1 种植业废弃物产量估算模型 秸秆是种植业生产过程中主要的非目标性产品,也是数量较多的辅助产品。一般来说,区域农作物秸秆产量与该地区某种农作物的种植面积、单产、谷草比的关系较为紧

密。因此,种植业秸秆产量可以按以下模型计算。

Q m =

E

n

i=1

S i @P k @l h (1)

式中,Q m 为m 地区种植业生产的农作物秸秆总量(t );S i 为m 区域i 类农作物的种植面积(hm 2);P k 为m 区域i 类作物的单位面积产量(t/hm 2);l h 为i 类作物谷草比系数,即目标性产品(谷物)产量和非目标

性产品(秸秆)产量的比值。

农作物种植面积的数据一般通过当地的统计部

门可以得到;单位面积产量的数据可以通过定点实测或者通过农业部门和统计部门的抽样调查数据得到;l h 是本模型中最关键的一个参数,因农作物种类、品种和种植地区的不同而不同,一般主要通过大面积的抽样调查得到,在本研究中主要根据已有的研究成果和我们研究小组多年在田间大量调查和统计的研究成果互相应证而确定。通过大量的调查和统计分析,基本确定了稻谷、小麦、玉米等大宗农作物的谷草比系数,见表1。

表1 主要农作物谷草比

Table 1 The grain -straw ratio of main crops

项目

Item

粮食作物Grain crops

稻谷Rice 小麦Wheat 玉米Corn 豆类Beans 薯类Tubers 油料作物Oil crops 花生Peanut 油菜Rape 芝麻Sesa me 棉花Cotton

麻类Hemp

糖料作物Sugar crops 甘蔗Sugarcane 甜菜Sugarbeet

烟草Tobacco 烟叶Tobacco 谷草比Grain -stra w ratio

1

1

2

1.5

1

2

2

2

31

1

1

0.5

1.1.2 畜牧业畜禽粪便排放量估算模型 畜牧业生产中,畜禽粪便包括粪便和尿液两部分,根据观察和研究结果,对某一体重的动物而言,其年粪便排量与等于日排量的总和,即:

Q m =

E n

i=1

A i @(P d +F d @l j )@365

(2)

式中,Q m 为m 地区畜牧业生产的年粪便排量(t);A i

为第i 类畜禽的数量(只、头、个);P d 为第i 类畜禽日排粪便量(kg ),通过观测和统计可以得到;F d 为第i 种畜禽的日尿排放量(kg),通过观测和统计可以得到;l j 为第i 种畜禽尿的粪便转换系数,通过实验室分析确定转换系数。

在长期的观测和统计中,基本得出了牛、羊等畜禽某种体重标准的粪便排放参数,见表2。

表2 各类主要畜禽年粪便、尿排泄参数

Table 2 Parameters of the urine and feces discharged by all kinds of main livestock and poultry

畜禽种类

Livestock and poul try 体重Wei ght /kg 日排粪量Amount of feces excreted per day /(kg #d -1)

日排尿量Amount of uri ne excreted per day /(kg #d -1)

年排粪量Amount of feces excreted per year /(kg #a -1)

年排尿量The a mount of urine e xcreted per year /(kg #a -1)

牛Cattle 50034341241012410马Horse 500101536505475猪Pig 5061521905475羊Sheep 15 1.52

548730

鸡Chicken

1.5

0.1

36.5

注:尿液的粪便转换系数l j =0.2。

Note:the conversion coefficient between dung and uri ne is 0.2.

1.1.3 人粪尿的排放量估算模型 人粪尿的估算原理基本等同于前面畜牧业畜禽粪便的排放,即:排放总量等于总人口乘以每人每天的粪便和尿液的排量之和。

Q h =

E n

P i @(P d +

F d @l j )@365(3)

式中,Q h 为h 地区年总人粪尿排放量(t);P i 为第i 地区人口数量(人);P d 为第i 类地区人日排粪便量(kg);F d 为第i 地区人日尿排放量(kg );l j 为尿液与

粪便转换系数。

经过长期的观测和统计,一个体重为50kg 的人每天排泄粪0.5kg 、尿1kg,即每年每人排粪量182.5kg 、尿量365kg 。人尿TS(干物质)以0.4%计。

1.2 数据来源及数据处理方法

文章中的数据来源于中国统计年鉴,主要收集了农作物产量、畜禽产量、全国人口三方面的数据。农作物产量主要包括粮食作物产量、油料作物产量、

195

第6期 张海成等:中国农业废弃物沼气化资源潜力评价

糖料作物产量以及棉、麻、烟草的产量;畜禽产量的数据主要包括,猪:平均饲养期一般为199d[12],因此猪的饲养数量就是当年的出栏数;羊、马、驴和骡:生长期一般长于1a,因此采用年末存栏量作为当年的饲养数量。

2农业废弃物的资源量及沼气转化潜力估算

2.12009农业废弃物资源量估算量

2.1.1农作物秸秆的产量2009年中国粮食产量53082.1万t,油料产量3154.3万t,棉花产量637.7万t,农作物播种面积1586

3.9万hm2,其中粮食作物播种面积10898.6万hm2,薯类作物播种面积863.6万hm2,油料作物的播种面积1365.2万hm2,棉花作物播种面积495.2万hm2[13]。无论从播种面积和还是农作物产量上来看,我国农业生产的规模都是相当大的,根据公式(1)可以估算出我国2009年主要农作物的秸秆废弃物总量,见表3。

从表3可以看出,2009年我国粮食作物秸秆估算量69707.55万t,油料作物秸秆估算量5797.4万t,合计中国农作物秸秆估算量89886.75万t,相当于我国农作物产量69495.99万t的1.29倍。

2.1.22009年中国畜牧业畜禽粪便排放量在我国,畜牧业是除种植业之外的最大涉农产业,我国有4亿hm2的草场[14],为我国畜牧业提供了广阔的发展空间,同时专业的畜禽养殖厂和农户散养的规模也相当庞大。根据各类畜禽粪便尿的排放参数[15],依据公式(2)可以估算出2009年我国畜禽粪便的排放量,牛159739万t,马为3219.483万t,驴3076.662万t,骡1325.282万t,猪154381.9万t,羊19745.83万t,2009年我国畜禽粪便的排放量总计为399115.6万t,见表4。

表3我国农作物秸秆废弃物估计量

Table3The amount of estimated crop straw waste in China/104t

项目Item

粮食作物Grai n crops

稻谷

Rice

小麦

Wheat

玉米

Corn

豆类

Beans

薯类

Tubers

油料作物Oil crops

花生

Peanut

油菜

Rape

芝麻

Ses ame

棉花

Cotton

麻类

Hemp

糖料作物Sugar crops

甘蔗

Sugarcane

甜菜

Sugarbeet

烟草

Tobacco

烟叶

Tobacco

作物产量

Crop produc tion

19510.311511.516397.41930.32995.51470.81365.762.2637.738.811558.7717.9306.6秸秆产量

Stra w produc tion

19510.311511.532794.82895.452995.52941.62731.4124.41913.138.811558.7717.9153.3

表42009年畜禽粪便产量

Table4Tthe estimated amount of feces and urine excreted in2009

项目Item牛Cattle马Horse驴Donkey骡Mules猪Pi g羊Sheep 头数Number/104头(只)10726.5678.5648.4279.364538.628452.2排粪便The amount of feces excreted/104t133115.92476.5252366.6641019.449141339.515591.81排尿The amount of urine excreted/104t133115.93714.7883549.9881529.169353348.820770.11粪便总量Total amount/104t1597393219.4833076.6621325.282212009.319745.83

这样庞大的粪便产量,一方面,其处理需要投入大量的人力和资金;另一方面,由于粪便处理不及时,造成的环境污染问题越来越突出,尤其是农村和一些养殖厂处理的基础设施不到位,建设滞后,畜禽粪便处理不当造成的水资源污染事件时有发生,极大地影响了其生产、生活环境,同时,这些废弃物如果处理不当,不仅污染了环境,还是SARS、禽流感等人、畜共患疾病传染的渠道。

2.1.3我国人粪尿的排放量2009年我国人口133474万人[13],体重50kg的人每天排泄粪0.5kg、尿1kg,即每年每人排粪量182.5kg、尿量365kg。全国人口粪便资源估算为:人粪24359万t,人尿48718万t,人尿TS以0.4%计,把4.9@108t人尿折算的TS为20%的人粪,即为974.36万t粪。我国每年的人口排泄物总量为25333万t(TS=20%)。

2.2农业废弃物的沼气潜力

通过在实验室条件下反复对猪粪、牛粪、马粪、人粪、稻草、麦草、玉米秸和青草等农村有机废弃物在35e条件下的产气特性的测定,粪便经60d发酵,秸秆经90d发酵,测定各种废弃物产气量(表5中20e的值是依据35e时的原料产气量的60%折算的),确定了各种农业废弃物的沼气转换参数,见表5。

农业废弃物干物质与鲜重的比例见表6。

196干旱地区农业研究第30卷

表5 农业有机废弃物转换沼气参数

T able 5 Parameters of agricultural organic wastes converted to biogas/(m 3

#kg

-1

)

温度/e Temperature

麦秸Wheat s traw 稻草Rice straw 玉米秸Corn s tra w 青草Grass 牛粪Cattle dung 马粪Horse dung 猪粪Pig dung 鸡粪Chicken dung

人粪Human dung

350.450.400.500.440.300.340.420.490.4920

0.27

0.24

0.30

0.26

0.18

0.20

0.25

0.29

0.26

表6 农业有机废弃物中干物质占鲜重的比例

T able 6 The ratio of dry and fresh weight in agricultural organic wastes

项目Item

麦秸Wheat straw

稻草Rice straw

玉米秸Corn s traw

青草Grass 牛粪Cattle dung 马粪Horse dung

猪粪Pi g dung 鸡粪Chicken dung 人粪Human dung

干物质占鲜重的比例/%R atio of dry and fres h wei ght

85

80

85

85

18

25

20

80

10

2.2.1 农作物秸秆沼气资源潜力估算方法 利用表5、表6的转换参数可计算出2009年中国农作物秸秆沼气潜力的产量,2009年我国农作物秸秆沼气潜力在发酵温度35e 条件下为28324507万m 3

,其中玉米秸秆的沼气潜力约占农作物秸秆总潜力的

49.21%,稻谷和小麦的沼气潜力之和约占总潜力的37.59%,粮食作物秸秆沼气潜力占农作物秸秆总潜力量的93.45%。2009年中国农作物秸秆沼气资源潜力见表7。

表7 2009年中国主要农作物秸秆沼气资源潜力

Table 7 The methane resource potential of major crop straws of 2009in China/104m 3

温度/e Temperature

粮食作物Grai n crops

稻谷Rice 小麦Wheat 玉米Corn 豆类Beans 薯类Tubers 油料作物Oil crops

花生Peanut 油菜Rape 芝麻Sesame 合计Total 356243296440314913937790926544958560941312874048398082832450720

3745978

2641889

8362674

555926.4

575136

564787.2

524428.8

23884.8

16994704

注:豆类、薯类、油料作物秸秆的沼气潜力的折算参照稻谷沼气潜力折算参数。

Note:the methane resource potential of beans 、tubers and oil crops is estimated usi ng the s ame parameters as that of rice.

2.2.2 畜禽粪便沼气资源潜力 根据表4、表5、表6的公式参数,在35e 发酵条件下,2009年中国畜禽粪便的沼气潜力为2876.09亿m 3

,从我国草原的面积和羊群的数量来看,羊应该是我国畜禽粪便的主要来源之一,但是其沼气资源相对有限。从粪便的产量和沼气潜力来看,猪粪便沼气资源应该是今后

我国农村沼气原料的主要来源,也是我国农村主要的废弃物之一。在35e 条件下各种畜禽粪便的沼气潜力分别为牛粪潜力862.5906亿m 3

、马粪潜力27.36561亿m 3、驴粪潜力26.15163亿m 3、骡粪沼气化利用潜力11.2649亿m 3、猪粪潜力1780.878亿m 3、羊粪潜力167.8396亿m 3。

表8 2009年畜禽粪便产量及沼气生产潜力

Table 8 The production and methane resource potential of feces and uri ne excreted in 2009

项目Item

牛Cattle 马Horse 驴D onkey 骡Mules 猪Pig 羊Sheep 合计Total 粪便量/104t

Amount of fece and urine excreted

159739

3219.483

3076.662

1325.282

212009.3

19745.83

399115.6

沼气(35e )/108m 3Amount of biogas at 35e 862.590627.3656126.1516311.26491780.878167.83962876.09

沼气(20e )/108m 3Amount of biogas at 20e

517.554416.0974215.38331 6.626411060.04798.729151714.437

注:驴骡羊粪尿、沼气潜力的折算同马粪尿及其沼气潜力的折算量。

Note:The amount of dung and uri ne excreted by donkey and mules and s heep and their methane resource potential is esti mated using the s ame para meters as that of horse.

197

第6期 张海成等:中国农业废弃物沼气化资源潜力评价

2.2.32009年人粪尿的沼气化利用资源潜力2009年我国人口133474万人,体重50kg的人每天排泄粪0.5kg、尿1kg,即每年每人排粪量182.5kg、尿量365kg。全国人口粪便资源为25333万t粪,根据燃烧测算,每立方米沼气的燃烧值相当于0.71 kg的标准煤,在35e条件下可产生沼气124.13亿m3,相当于0.088亿t标准煤;在20e条件下可产生沼气65.87亿m3,相当于0.047亿t的标准煤。

3结论及讨论

3.1结论

(1)我国农业废弃物资源十分丰富。2009年我国农作物秸秆估算量89886.75万t,其中粮食作物秸秆估算量69707.55万t,油料作物秸秆估算量5797.4万t,农作物秸秆产量巨大,相当于同年农作物产量的1.29倍;畜禽粪便的排放量为399115.6万t,其中猪粪所占比例最多,达53.12%,牛粪次之,占40.02%;人粪便排放量为25333万t。

(2)我国农业废弃物的沼气化潜力巨大。在发酵温度为35e条件下,2009年我国农作物秸秆的沼气潜力为2832.5亿m3,相当于2.01亿t标准煤,其中玉米秸秆的沼气潜力约占农作物秸秆总潜力的49.21%,稻谷和小麦的沼气潜力之和约占总潜力的37.59%,粮食作物秸秆沼气潜力占农作物秸秆总潜力量的93.45%。畜禽粪便的沼气潜力为2876.09亿m3,相当于2.04亿t标准煤;其中猪粪的沼气潜力占整个畜禽粪便沼气潜力的61.92%,牛粪的沼气潜力次之,占30.19%。人粪尿沼气化资源潜力为124.13亿m3,相当于0.088亿t标准煤。

2009年农作物秸秆、畜禽粪便、人粪尿的沼气产量合计为5832.675亿m3,相当于4.14亿t标准煤,而我国同时期的煤产量约30亿t,占13.8%,资源相当丰富,潜力巨大。

3.2讨论

农业废弃物的处理是影响我国农村生态环境和生活环境的主要问题,将其合理利用则成为巨大的资源,如果处理不当则会成为污染环境的罪魁祸首。因此在我国能源供给短缺和垃圾废弃物日益增加造成环境巨大污染的双重背景下,沼气在解决我国能源问题和保护生态环境方面潜力巨大[15]。

通过本研究可知,我国拥有十分丰富的农业废弃物资源,其沼气化潜力十分巨大,但是如何发挥这些农业废弃物资源的潜力还面临着很多问题。首先,资源总量不清且分配不均。研究表明,农作物秸秆产量与当地农业气候、种植制度、地理条件和经济发展水平有密切关系[16]。我国各地区秸秆产量分布不均衡,农作物秸秆的分布呈现由西北向东南逐渐增加的趋势[17]。其次,没有树立循环利用的观念,对农业废弃物的重视程度不够。农业废弃物是/用则利,弃则害0,合理利用农业废弃物资源,既涉及到整个农业生态系统,又涉及到农民生活系统中的家居和环境清洁,是中国农业和农村社会经济实现可持续发展的必然要求。再次,农业废弃物沼气化利用的技术装备落后。虽然中国有农业废弃物资源化的传统,但是创新的技术少,有自己知识产权的技术和有很好适应性能和推广价值的技术更少,主要原因是长期困扰生产的问题没有解决、国外的先进技术学习不到位、财政的支撑和吸纳社会资金的能力不足等[18]。另外,国家的政策法规缺乏。中国目前已建立了若干项涉及废弃物资源化的环境政策,但这主要是由国家环保总局出台政策,而相关的农业部门并不重视农业废弃物这类/副产品0,更谈不上有相应的鼓励治理政策,即便是在食品安全受到高度重视的大背景下,农业废弃物的处理与资源化也没有摆在应有的位置,而且多头管理也造成部门间的有关政策法规的矛盾和冲突。中国亟需制定出相关的法律和法规来规范废弃物的资源化利用[19]。

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[J].农业工程学报,2002,18(5):1-6.

Chinese marsh gas resource potential of agricu ltural wastes in 2009

Z HANG Ha-i cheng 1,4

,ZHANG Ting -ting 2,4

,GUO Yan 3,4

,YANG Ga -i he

2,4*

(1.College o f Resources and En viron ment,N orthwest A&F University ,Yan gling,Shaan xi 712100,Ch ina;

2.College o f Agriculture,North west A&F University ,Yangling,Shaan xi 712100,China;

3.Colle ge o f Forestry ,Northwest A&F University ,Yan gling,Shaanxi 712100,China;

4.The Resea rch Center o f Recycle Agricultural Engineering and Technology o f Shaan xi Pr ovince,Yan gling,Shaan xi 712100,Ch ina)

Abstract:With the fast development of agricultural economy in China,the quantity of crop stra ws and other wastes produced by plant industry,animal husbandry and human activities is instantly increased,an estimation of their quant-i ties and associated methods converting to biogas produc tion potential is critical to their rational evaluation and e xplo -ration.In this study,conversion coefficients of various a gricultural wastes to biogas were determined by development of

methods for evaluation of their biogas transfor ming potentials,and the total a mount of agricultural wastes were estimated for the year 2009in China.The results showed that the amount c rop stra ws reached 8.99@108t,excrement and urine of beasts and birds 39.9@108

t,and the human being .s night soil 2.53@108

t.Their mash gas potentials were estimated to be 5832.67@108m 3in total,which is equivalent to 4.14@108t SCE (standard coal equivalent).We conclude that the marsh gas resource potential of agricultural wastes is enormous in China,which is important to prac tical cycling econ -omy.

Keywords:agricultural wastes;marsh gas,resource potential

(上接第177页)

Effects of sandy soil amendment on soil water,oat yield and quality

LI U Hu-i jun,LIU Jing -hui *,XU Sheng -tao,LI Qian,ZHANG Na,HOU Guan -nan

(College o f Agronomy ,Inner Mongolia Agricultural University ,Huhhot 010019,China)

Abstract:The effects of different amounts of sandy soil amendment on soil water,oat yield and quality were studied in Wuchuan County of Inner Mongolia in 2011.The results showed that sandy soil amendment could improve significantly the soil water content of each layer in 0~60cm depth,and the amount of 12000kg/hm 2was the https://www.360docs.net/doc/5f12387082.html,pared with CK,the WUE of the amount of 6000kg/hm 2,12000kg/hm 2,18000kg/hm 2and 24000kg/hm 2increased by 14.50%,25.70%,13.28%and 5.86%.Oat yield was significantly affected by sandy soil amendment,and when the a mount was 12000kg/hm 2

,the grain yield and biological yield all were the highest and when 18000kg/hm 2

,it was the second.Sandy soil amendment had siginficant effect on crude protein,lysine and B -glucan content,and the a mount of 12000kg/hm 2was the best.Excess or lack of application a mount were all bad for the increase of oat quality.

Keywords:sandy soil amendment;oat;soil water;yield;quality

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第6期 张海成等:中国农业废弃物沼气化资源潜力评价