河南鄉(xiāng)村生物質(zhì)和邊際土地資源量統(tǒng)計(jì)及其能源轉(zhuǎn)化潛力分析
——以周口市楊灣村為例

張志萍， 范小妮， 趙躍凱， 朱勝楠， 張全國

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部可再生能源新材料與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河南省生物質(zhì)能源與納米材料 國際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室， 鄭州 450002)

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，世界能源格局發(fā)生巨大變化，能源問題成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)。高效、安全的低碳能源是我國能源發(fā)展利用的主要研究方向[1]。作為地球上唯一可再生的碳源，生物質(zhì)能源因其儲(chǔ)量豐富、分布廣、污染小等優(yōu)勢(shì)，成為新能源研究的重點(diǎn)方向[2]。發(fā)展生物質(zhì)能源不僅能夠減少溫室氣體排放，還能實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄衍生物高值化利用，是能源發(fā)展的必然方向[3]。尤其在十九屆五中全會(huì)后，生態(tài)文明建設(shè)、鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略和美麗鄉(xiāng)村目標(biāo)都為生物質(zhì)，尤其是農(nóng)業(yè)廢棄物的研究發(fā)展帶來了前所未有的機(jī)遇[4]。

生物質(zhì)資源來源廣泛，農(nóng)業(yè)廢棄物、畜禽糞便及生活污水等均可做為生物質(zhì)資源而被廣泛利用[3]。目前常見的生物質(zhì)資源應(yīng)用形式有生物甲烷的制取、生物質(zhì)發(fā)電和纖維素乙醇制備等。實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)資源的有效轉(zhuǎn)化，將具有重要的經(jīng)濟(jì)社會(huì)和環(huán)境生態(tài)效益。

該文立足河南平原的典型鄉(xiāng)村——周口市商水縣楊灣村，對(duì)其土地利用情況、生物質(zhì)資源情況即現(xiàn)有利用水平進(jìn)行了實(shí)地調(diào)查分析；并對(duì)其能源轉(zhuǎn)化潛力進(jìn)行了列舉，旨在為分布式鄉(xiāng)村生物質(zhì)能利用模式提供技術(shù)支撐。楊灣村位于淮河流域，生物質(zhì)資源較豐富，是較為典型的中國北方農(nóng)村縮影，將其作為試點(diǎn)研究地點(diǎn)，對(duì)促進(jìn)中國農(nóng)村廢棄生物質(zhì)的回收利用、農(nóng)民用能結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變和農(nóng)村生態(tài)環(huán)境的改善具有重要意義。

1 楊灣村情況分析

1.1 楊灣村土地利用情況分析

楊灣村位于河南省周口市商水縣鄧城鎮(zhèn)，村落依沙河而建，水資源豐富。通過對(duì)比分析往年周口市氣象局統(tǒng)計(jì)公布的數(shù)據(jù)，可以得知楊灣村水資源量年際變化差異大，夏天雨水充足，冬季干旱，全年降雨量豐富[5]，氣候適宜，為農(nóng)作物種植及禽畜養(yǎng)殖提供了基礎(chǔ)條件。

夏季雨水充足時(shí)會(huì)攜帶大量泥沙淹沒沿河土地導(dǎo)致土地沙化嚴(yán)重[5]。經(jīng)過調(diào)查，沙質(zhì)土地占全村土地資源的20.80%，適宜種植耐干旱農(nóng)作物，具有極大的經(jīng)濟(jì)效益價(jià)值，不同作物秸稈能量和營養(yǎng)價(jià)值不同，因此要在優(yōu)化作物種植結(jié)構(gòu)，重視農(nóng)作物綜合產(chǎn)出的同時(shí)考慮秸稈的產(chǎn)量和質(zhì)量，并將作物生產(chǎn)與秸稈收集聯(lián)動(dòng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)能高效利用。

楊灣村土地整體呈現(xiàn)出北面土地貧瘠，南面土地肥沃的特點(diǎn)。以村中心黨支部為中心基準(zhǔn)，北面為沙河河堤，土地共計(jì)720畝，邊際土地350畝，約占北面土地的49%，河堤兩側(cè)土地有很大的開發(fā)潛力，可以考慮種植能源作物。南面土地較為肥沃，土地面積為400畝。西面和東面土地平整，無邊際土地，東面土地共計(jì)500畝，其中養(yǎng)豬場(chǎng)占地為0.8畝。西面土地共計(jì)180畝，適合大面積種植小麥、玉米等時(shí)令季節(jié)作物。楊灣村共計(jì)戶內(nèi)居民536人，常住人口265人，共計(jì)152戶人家，土地共計(jì)約1800畝。楊灣村的邊際土地占比較多，主要種植高粱，花生，紅薯3種作物，如果得到合理的開發(fā)利用，能夠發(fā)揮最大經(jīng)濟(jì)效益。

楊灣村先后建設(shè)了兩批沼氣發(fā)酵裝置，2005年第1批建設(shè)的5座沼氣發(fā)酵裝置均為地埋式混凝土結(jié)構(gòu)。2015年新修了3座帶有脫硫、脫水等先進(jìn)設(shè)施的新型塔式沼氣發(fā)酵裝置，沼氣轉(zhuǎn)化效率比較高。其中有1臺(tái)新型沼氣發(fā)酵裝置帶有沼氣發(fā)電附屬設(shè)備，可用作全村基本照明設(shè)備的應(yīng)急電力，但使用頻率較低。楊灣村東部五公里處鄧城鎮(zhèn)有一家造紙廠， 能夠定期處理秸稈，但目前工廠經(jīng)濟(jì)效益不好。楊灣村現(xiàn)有的各種能源設(shè)備和條件為實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化提供了基礎(chǔ)。

1.2 楊灣村生物質(zhì)資源量統(tǒng)計(jì)

楊灣村的生物質(zhì)資源量較為豐富，生物質(zhì)資源主要來自種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)。農(nóng)作物及養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的附屬產(chǎn)品每年產(chǎn)量豐富，但這些廢棄物資源量不僅未得到充分利用，反而成為生態(tài)破壞的一大頑癥，合理利用農(nóng)村廢棄物資源，發(fā)揮資源價(jià)值的同時(shí)還能夠解決環(huán)境污染問題[6]。

楊灣村農(nóng)作物種植種類特別多，包括小麥、水稻、大豆、油菜、棉花、芝麻等十幾種作物。有些作物播種面積小、產(chǎn)量低、產(chǎn)生秸稈的量也相對(duì)較低，對(duì)估算秸稈總量的影響不大，因此本文只選取了楊灣村種植面積較大的小麥、玉米、高粱；三類主要農(nóng)作物來估算農(nóng)作物秸稈資源量。楊灣村畜禽的主要?jiǎng)游锲贩N為豬、羊、牛、家禽，本文選擇了豬、羊、牛、雞、鴨五種畜禽作為計(jì)算楊灣村畜禽糞便資源量的依據(jù)。此外還統(tǒng)計(jì)了村中廚余垃圾及污水污泥量。

1.2.1 秸稈類生物質(zhì)資源量統(tǒng)計(jì)

楊灣村人勤物豐，物產(chǎn)豐富，優(yōu)越的地理位置為其發(fā)展農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)提供了有利條件。目前，種植糧食和養(yǎng)殖畜禽仍是楊灣村主要的經(jīng)濟(jì)來源，適宜的水土環(huán)境為楊灣村積累了大量的有效能量資源儲(chǔ)備量。小麥做為楊灣村主要的經(jīng)濟(jì)作物，在收割后產(chǎn)生的秸稈通常以漚肥還田，收集販賣，作為燃料直接燃燒3種方式進(jìn)行處理。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，該村小麥年產(chǎn)量約為677.08 t。玉米作為僅次于小麥的第二大農(nóng)作物，其年產(chǎn)量可達(dá)到382.51 t左右，采收得到的玉米芯可成包出售用于制作菌菇基肥、飼料輔料，也可直接用做燃料。玉米收割后產(chǎn)生的秸稈產(chǎn)量十分豐富，小部分會(huì)被用做燃料直接燃燒和干燥后被造紙廠收購；大部分作為廢料堆積。高粱秸稈比重較高，纖維素及糖分含量很高，年產(chǎn)量約為4.741 t左右(見表1)。充分利用這些廢棄物資源，能夠緩解該村當(dāng)前能源局面的壓力，同時(shí)在一定程度上消除安全隱患。

表1 楊灣村主要農(nóng)作物草谷比及理論秸稈資源量

根據(jù)楊灣村統(tǒng)計(jì)的農(nóng)作物產(chǎn)量可計(jì)算出理論秸稈資源量，即該地每年能夠產(chǎn)生的最大秸稈量，計(jì)算公式可以表示為公式(1)。[7]

WS=WC×RS

(1)

式中：WC為農(nóng)作物產(chǎn)量；WS為理論秸稈資源量；RS為農(nóng)作物的草谷比。

結(jié)合陽灣村實(shí)際情況查閱資料[7]，確定楊灣村主要秸稈類生物質(zhì)的草谷比及理論秸稈資源量。

楊灣村農(nóng)作物生物質(zhì)資源共計(jì)約1361.00 t·a-1，其中高粱秸稈約11.00 t·a-1，只占到秸稈資源總量的0.81%；小麥秸稈約650.00 t·a-1，占整個(gè)秸稈資源總量的比例相當(dāng)大，為 47.76%；玉米秸稈秸稈資源量也非常大，約700 t·a-1，占整個(gè)秸稈資源總量的將近一半的比例，為51.43%。玉米和小麥秸稈是主要的秸稈資源量，占總秸稈資源總量的99.19%(見表2)。

表2 楊灣村主要作物年資源量

1.2.2 畜牧養(yǎng)殖業(yè)生物質(zhì)資源量統(tǒng)計(jì)

隨著楊灣村居民生活質(zhì)量的提高，飲食結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，對(duì)畜禽產(chǎn)品的需求也隨之提高，消費(fèi)比重逐漸增大，農(nóng)村作為畜禽產(chǎn)品的主要提供地區(qū)，家庭和養(yǎng)殖場(chǎng)產(chǎn)生的畜禽糞便處理不當(dāng)會(huì)帶來了一系列環(huán)境污染問題，一個(gè)養(yǎng)殖場(chǎng)或一戶農(nóng)家就有可能成為一個(gè)污染源，畜禽糞便處理問題需要給予足夠重視[8]。

楊灣村主要畜禽為豬、牛、羊、雞、鴨。種類較多且養(yǎng)殖數(shù)量較多，不同畜禽的飼養(yǎng)方式也有所不同，糞便資源較分散，糞便收集難度高，楊灣村共養(yǎng)殖家豬61頭，其中村民養(yǎng)殖5頭，村南養(yǎng)豬場(chǎng)養(yǎng)殖56頭。養(yǎng)殖過程產(chǎn)生的糞便和污水未能有效處理，大量堆積造成農(nóng)牧脫節(jié)、環(huán)境污染。村民養(yǎng)殖黃牛16頭，未經(jīng)處理的牛糞散布在養(yǎng)殖區(qū)域。村中有10戶居民采用單戶群養(yǎng)的方式養(yǎng)殖共150頭山羊，羊糞便分散，統(tǒng)計(jì)困難、誤差大。近半村民通過圈養(yǎng)或籠養(yǎng)方式養(yǎng)殖雞共約300只，村中蓄水池邊圍欄圈養(yǎng)鴨群數(shù)量在60只左右。雞、鴨的糞便量較少且資源分散收集較困難。

以豬，牛，羊，雞，鴨養(yǎng)殖周期內(nèi)的年排放系數(shù)統(tǒng)計(jì)楊灣村畜牧養(yǎng)殖業(yè)年生物糞便排放量[9]，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 楊灣村主要畜禽糞便的年資源量

楊灣村年糞便資源總量為388.03 t·a-1，其中糞便量最多的是豬糞，年排放量約為188.61 t·a-1，占楊灣村糞便資源總量的48.61%。牛糞年產(chǎn)量約為116.80 t·a-1，楊灣村羊圈中年糞便約為71.10 t·a-1，雞年糞便產(chǎn)量約為9.60 t·a-1，楊灣村鴨糞資源量最少，年產(chǎn)量約為1.92 t·a-1。

1.2.3 居民生活產(chǎn)生的生物質(zhì)資源量統(tǒng)計(jì)

楊灣村152戶村民日常生產(chǎn)的污水污泥產(chǎn)量和廚余垃圾產(chǎn)量不斷提高，將其資源化處理不僅能夠?qū)崿F(xiàn)資源可回收，還能夠更大程度上改善自然環(huán)境，提高生活質(zhì)量。

楊灣村每戶居民平均每天產(chǎn)生廚余垃圾約為1.5 kg，村莊每日總廚余垃圾約為228 kg。由于缺乏集中回收處理系統(tǒng)，這些垃圾未能得到有效處理，對(duì)環(huán)境和居民健康造成了危害。楊灣村的排水排污系統(tǒng)尚不健全，全村約70%的家庭依舊使用旱廁，定期清理污水污泥后測(cè)定可知，經(jīng)沉淀轉(zhuǎn)化蒸發(fā)每月每戶產(chǎn)生的污水污泥約為30 kg，全村的污水污泥月總數(shù)量約為450 kg[10]。通過計(jì)算得到，楊灣村楊灣居民生活產(chǎn)生廚余垃圾約83.22 t·a-1，污泥污水約5.40 t·a-1(見表4)。

表4 楊灣村居民生活產(chǎn)生的生物質(zhì)資源量

2 楊灣村生物質(zhì)資源能源轉(zhuǎn)化潛力分析

楊灣村廢棄物資源量豐富，可以進(jìn)行多種方式轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)農(nóng)村能源的持續(xù)化利用。秸稈、禽畜糞便、廚余垃圾等富含碳水化合物的生物質(zhì)資源經(jīng)過預(yù)處理后，在密封厭氧環(huán)境經(jīng)產(chǎn)氫微生物的作用可以進(jìn)行生化制氫，也可利用現(xiàn)有沼氣設(shè)備進(jìn)行燃料乙醇制備[11]。根據(jù)實(shí)際情況，選擇適宜的能源利用方式，引入新型技術(shù)與設(shè)備，發(fā)揮資源最大化作用。

2.1 秸稈類生物質(zhì)資源能源轉(zhuǎn)化潛力分析

糧食作物的秸稈是清潔能源生產(chǎn)的首選者，農(nóng)村秸稈主要用作肥料、燃料和飼料[12]。楊灣村大部分秸稈被焚燒、丟棄、填埋處理，少部分被能源化利用。直接燃燒給環(huán)境帶來污染的同時(shí)也會(huì)浪費(fèi)其所蘊(yùn)含的能量。農(nóng)村秸稈資源的利用方向應(yīng)該多樣化，確保多種利用形式兼容并存[13]。本文主要研究了農(nóng)作物秸稈用于沼氣、乙醇、氫氣生產(chǎn)這三個(gè)方面的轉(zhuǎn)化潛力。

已統(tǒng)計(jì)秸稈資總產(chǎn)量情況下，可確定秸稈資源可收集利用量，由公式(2)計(jì)算[14]。

WGS=WS×IG

(2)

式中：WGS為秸稈資源可收集利用量；WS為秸稈總產(chǎn)量；IG為秸稈資源可收集利用系數(shù)。

秸稈資源可收集利用量：以甲烷、氫氣、乙醇3個(gè)轉(zhuǎn)化指標(biāo)評(píng)估農(nóng)作物秸稈轉(zhuǎn)化潛力，轉(zhuǎn)化潛力可由公式(3)表示[14]。

WBS=WGS×RB

(3)

式中：WBS為甲烷或乙醇產(chǎn)量；WGS為秸稈資源可收集利用量；RB為秸稈生物實(shí)際轉(zhuǎn)化率。

經(jīng)查閱資料，秸稈資源可收集利用系數(shù)如表5所示[15]。

表5 楊灣村農(nóng)作物秸稈可收集利用系數(shù)及可利用量

本文采用的沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣率是結(jié)合楊灣村畜禽養(yǎng)殖實(shí)際情況后查閱相關(guān)發(fā)表文獻(xiàn)資料中數(shù)據(jù)確定(見表6)。玉米秸稈發(fā)酵產(chǎn)氣率為200.30 mL·g-1[16]，小麥秸稈發(fā)酵產(chǎn)氣率為149.40 mL·g-1[17]，高粱秸稈發(fā)酵產(chǎn)氣率為418.00 mL·g-1[18]。

表6 楊灣村主要農(nóng)作物廢棄物資源情況分析

由此可知，玉米秸稈的沼氣化潛力最大，小麥秸稈的沼氣化潛力次之，共預(yù)計(jì)產(chǎn)氣200791.94 m3。

不同種類農(nóng)作物秸稈的組分含量各不相同，由于產(chǎn)地及測(cè)定方法等不同而造成同種秸稈的組分含量在不同研究中出現(xiàn)較大差別[12]。按1 g纖維素發(fā)酵可產(chǎn)乙醇0.57 g，約0.72 mL，計(jì)算農(nóng)作物秸稈生產(chǎn)燃料乙醇的轉(zhuǎn)化潛力[19]。玉米秸稈纖維素含量最低為38.44%，小麥秸稈纖維素含量最低為34.65%，高粱秸稈纖維素含量最低為37.70%(見表7)。

表7 作物秸稈纖維素含量及可產(chǎn)乙醇量

此外，在農(nóng)作物秸稈制氫方面，李亞猛[20]在暗光生物制氫過程中暗發(fā)酵過程中利用玉米、小麥、水稻、玉米芯和高粱五種不同產(chǎn)氫底物，研究同步糖化發(fā)酵和分步糖化發(fā)酵兩種發(fā)酵方式下的產(chǎn)氫特性過程中得出同步糖化發(fā)酵中玉米單位質(zhì)量產(chǎn)氫為80.08 mL·g-1TS，小麥單位質(zhì)量產(chǎn)氫為62.49 mL·g-1TS，高粱單位質(zhì)量產(chǎn)氫為81.94 mL·g-1TS。由此計(jì)算出楊灣村玉米秸稈資源豐富，年產(chǎn)量可達(dá)到700 t左右，計(jì)算可知，楊灣村玉米秸稈年產(chǎn)氫量預(yù)計(jì)可達(dá)到56056.00 m3，小麥秸稈年產(chǎn)氫量預(yù)計(jì)可達(dá)到40618.50 m3，高粱秸稈年產(chǎn)氫量預(yù)計(jì)可達(dá)到901.34 m3。

2.2 畜牧養(yǎng)殖業(yè)生物質(zhì)資源能源轉(zhuǎn)化潛力分析

畜禽糞便能源轉(zhuǎn)化潛力十分可觀且資源化利用途徑較多樣，可轉(zhuǎn)換為肥料、飼料或能源，厭氧發(fā)酵能夠?qū)崿F(xiàn)畜禽廢棄物減量化、資源化和能源化，發(fā)酵過程中產(chǎn)生沼氣可將排泄物轉(zhuǎn)化為能源，也可從漿液殘?jiān)刑峁┯袡C(jī)肥[21]。本文著重探討畜禽糞便能源化。

楊灣村畜禽糞便所含能量采用標(biāo)準(zhǔn)煤折算法和沼氣折算法來衡量。根據(jù)不同種養(yǎng)廢棄物的能值轉(zhuǎn)換系數(shù)和產(chǎn)氣量換算為標(biāo)準(zhǔn)煤和沼氣量，利用不同種類的種養(yǎng)廢棄物之間的能值轉(zhuǎn)換系數(shù)的不同以及產(chǎn)氣量的不同，把種養(yǎng)廢棄物資源折算為可利用的標(biāo)準(zhǔn)煤產(chǎn)量以及可利用的沼氣量，以此來衡量其能源化資源潛力的大小[22]。標(biāo)準(zhǔn)煤和沼氣可由公式(4)和公式(5)計(jì)算。

B=Z×R×X

(4)

G=Z×R×V

(5)

式中：Z為畜禽糞便資源量；R，X，V分別為畜禽糞便的可回收系數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)煤轉(zhuǎn)換系數(shù)和單位產(chǎn)沼氣量[23]。

通過文獻(xiàn)法、統(tǒng)計(jì)分析法、實(shí)地調(diào)查法，通過查閱文獻(xiàn)，收集文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，并結(jié)合調(diào)查數(shù)據(jù)最終確定畜禽糞便能源化評(píng)估的參數(shù)如表8和表9所示。

表8 畜禽糞便可轉(zhuǎn)化標(biāo)準(zhǔn)煤量統(tǒng)計(jì)

表9 畜禽糞便可轉(zhuǎn)化沼氣量統(tǒng)計(jì)

利用標(biāo)準(zhǔn)煤折算法和沼氣折算法估算了楊灣村畜禽糞便生物質(zhì)能源所含有的能量，結(jié)果顯示：楊灣村畜禽糞便能源化可轉(zhuǎn)化為能量相當(dāng)于141.07 t標(biāo)準(zhǔn)煤和73618.00 m3沼氣，由此可以看出我國畜禽糞便能源化利用潛力巨大。其中，豬糞便可以轉(zhuǎn)化的能量最大，相當(dāng)于81.10 t標(biāo)準(zhǔn)煤和37722.40 m3沼氣。綜合考慮畜禽糞便資源化途徑為畜禽糞便的資源化利用提供參考。

2.3 居民生活有機(jī)垃圾生物質(zhì)資源能源轉(zhuǎn)化潛力分析

當(dāng)下楊灣村垃圾沒有干濕分離，廚余垃圾做不到完全分類，日產(chǎn)日清?；旌侠癄€發(fā)臭后會(huì)危害環(huán)境衛(wèi)生和村民身體健康，垃圾滲濾液污染水體和土壤[24]。廚余垃圾含有蔬菜廢料，果蔬皮等可降解的有機(jī)固體及其他難降解的物質(zhì)，傳統(tǒng)的填埋和焚燒處理方式受到經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的限制[25]，目前通常采用厭氧消化進(jìn)行處理，廚余垃圾腐爛變質(zhì)會(huì)產(chǎn)生有毒化合物從而抑制微生物活性及厭氧消化效率，通常采用廚余垃圾與其他有機(jī)物共消化的方式提高發(fā)酵過程的穩(wěn)定性[26]，污水污泥中VS/TS較低，而廚余垃圾有機(jī)質(zhì)含量較高，二者具有互補(bǔ)性，二者共消化過程中添加一定比例的綠色廢棄物能夠提高產(chǎn)物產(chǎn)量并穩(wěn)定工藝過程。研究發(fā)現(xiàn)，污泥污水，廚余垃圾，綠色廢棄物按照2∶1∶0.5共消化，甲烷產(chǎn)量達(dá)到峰值，為303.40 mL·g-1VS[27]。廚余垃圾在厭氧消化前通常需要調(diào)整合適的C/N，據(jù)前人研究[28]，廚余垃圾的產(chǎn)甲烷量通常為0.20～0.70 m3·kg-1，據(jù)此計(jì)算楊灣村廚余垃圾最低產(chǎn)甲烷量為16644.00 m3。廚余垃圾也可用于精煉生物柴油，實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用。每噸廚余垃圾可產(chǎn)生20～80 kg的油脂用于制備生物柴油[28]。在25℃下，控制甲縮醛與廚房廢油的比例為6∶1，固定化脂肪酶(KOH)為2%時(shí)，廚余垃圾油脂的生物柴油轉(zhuǎn)化率達(dá)到99.80%[29]。由此可計(jì)算出楊灣村廚余垃圾每年最少可產(chǎn)生物柴油1661.07 kg。

污泥中包含著非常多的養(yǎng)分元素以及重金屬的物質(zhì)，如果沒有對(duì)污泥進(jìn)行有效的資源化利用，將會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生壓力[30]。楊灣村污水污泥量比較少，加之有沼氣發(fā)酵裝置，故該文只考慮污泥厭氧產(chǎn)沼氣。

陳智遠(yuǎn)[31]等在恒溫條件(38℃)下將污泥分別進(jìn)行濕發(fā)酵(濃度10.49%)和高濃度發(fā)酵(濃度15.52%)，研究并分析其各自的產(chǎn)氣潛力，結(jié)果表明，好氧泥的TS產(chǎn)沼氣潛力分別為155.67 mL·g-1和163.70 mL·g-1，好氧泥的VS產(chǎn)沼氣潛力分別為248.49 mL·g-1和261.31 mL·g-1，以濕發(fā)酵產(chǎn)沼氣潛力155.67 mL·g-1來計(jì)算楊灣村污水污泥產(chǎn)氣量，楊灣村污水污泥月總數(shù)量約為450 kg，可知楊灣村污水污泥年產(chǎn)氣量為840.62 m3。

由此可知，楊灣村居民生活有機(jī)垃圾生物質(zhì)資源能源轉(zhuǎn)化潛力巨大，其中廚余垃圾每年最低可轉(zhuǎn)化為16644.00 m3沼氣，1661.07 kg生物柴油。而污水污泥每年可轉(zhuǎn)化為840.62 m3沼氣。

2.4 邊際土地有效利用后的生物質(zhì)資源能源轉(zhuǎn)化潛力

合理使用農(nóng)村邊際土地有利于我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全和土地的可持續(xù)利用。楊灣村邊際土地自然條件相對(duì)較好，適當(dāng)改良即可用于耕種能源植物，結(jié)合楊灣村實(shí)際土壤狀況及氣候條件，因地制宜選育適應(yīng)性強(qiáng)、抗逆性強(qiáng)，能夠契合楊灣村沙質(zhì)土地和臨近河堤土地的能源草品種。即實(shí)現(xiàn)了土地高效利用又避免了改成發(fā)生與人爭(zhēng)糧，與糧爭(zhēng)地的情形[32]。

楊灣村邊際土地分布包含沙質(zhì)土地和臨近河堤的土地，共計(jì)350畝。荻作為新型能源植物，根系發(fā)達(dá)，能夠防沙固土，且木質(zhì)纖維素豐富，具有良好的應(yīng)用潛力。其標(biāo)準(zhǔn)煤折算量、沼氣產(chǎn)量、乙醇產(chǎn)量分別為1.42 t·hm-2，289.99 m3·hm-2，0.59 t·hm-3[33]。結(jié)合楊灣村邊際土地面積可推算，若種植荻每年可得標(biāo)準(zhǔn)煤，沼氣，乙醇分別為33.13 t，6765.47 m3，13.76 t。種植能源草作為生物質(zhì)能源原料，可以選擇種植狼尾草，保守估計(jì)每畝邊際土地可產(chǎn)鮮重為40.14 t·hm-2。按70%的含水率計(jì)算，干重產(chǎn)量為28.098 t·hm-2[32]。以狼尾草作為原料，經(jīng)氫氧化鈉堿法預(yù)處理后能夠大大提高甲烷產(chǎn)率，甲烷產(chǎn)率提高到301.70 mL·g-1VS。若楊灣村邊際土地種植狼尾草，可生產(chǎn)甲烷197.77 m3[34]。若采用種植紫花苜蓿，平衡施肥能夠促進(jìn)其產(chǎn)量，年總干草產(chǎn)量為25636.26 kg·hm-2[35]。以紫花苜蓿為底物進(jìn)行生物制氫，控制初始pH值為6.90，底物濃度為31.23 g·mL-1，酶載量為0.13 g·g-1，產(chǎn)氫量可達(dá)到峰值，為55.81 mL·g-1[36]。若楊灣村邊際土地種植紫花苜蓿，可產(chǎn)氫氣33379.62 m3。

邊際土地作為楊灣村重要的組成部分，合理利用能夠發(fā)揮巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

2.5 小結(jié)

楊灣村種植業(yè)生物質(zhì)資源可產(chǎn)沼氣200791.94 m3，可產(chǎn)乙醇413717.90 L，可產(chǎn)氫氣901.34 m3，畜牧養(yǎng)殖業(yè)生物質(zhì)資源可轉(zhuǎn)化標(biāo)準(zhǔn)煤量為141.07 t，可轉(zhuǎn)化沼氣73618.00 m3，居民生活產(chǎn)生的生物質(zhì)資源中廚余垃圾可轉(zhuǎn)化沼氣16644.00 m3，可轉(zhuǎn)化生物柴油1661.07 kg，污水污泥可轉(zhuǎn)化沼氣840.62 m3。

邊際土地有巨大的利用潛力，可用于種植單一能源草，若用于種植荻，獲得能量相當(dāng)于33.13 t標(biāo)準(zhǔn)煤，6765.47 m3沼氣，13.76 t乙醇；若用于種植狼尾草，可生產(chǎn)甲烷197.77 m3；若用于種植紫花苜蓿，可產(chǎn)氫氣33379.62 m3。

楊灣村生物質(zhì)資源豐富，可轉(zhuǎn)化為多種形式的能源，若簡(jiǎn)單以可轉(zhuǎn)化沼氣量為統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，則楊灣村生物質(zhì)和邊際土地可產(chǎn)297819.41 m3沼氣，其中，生物質(zhì)資源可轉(zhuǎn)化為291053.94 m3沼氣，充分利用邊際土地，可產(chǎn)6765.47 m3沼氣。

通過對(duì)以上分析可知，楊灣村生物質(zhì)資源豐富，有良好的前提條件和開發(fā)運(yùn)營前景，生物質(zhì)資源豐富，秸稈類生物質(zhì)、畜禽糞便、農(nóng)村生活污水等生物質(zhì)資源量能源轉(zhuǎn)化潛力巨大。

3 楊灣村生物質(zhì)資源能源轉(zhuǎn)化過程中的問題及建議

3.1 現(xiàn)階段存在的問題

楊灣村生物質(zhì)資源豐富，雖然響應(yīng)了國家相關(guān)能源政策，但缺乏有機(jī)結(jié)合，政策導(dǎo)向效果不明顯，政府應(yīng)當(dāng)結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)情做到因地制宜，積極推進(jìn)楊灣村生物質(zhì)資源發(fā)展。負(fù)責(zé)管理維護(hù)的村民缺乏生物質(zhì)資源認(rèn)知，存在本職工作沒有做到位，設(shè)備缺乏定期維護(hù)，原材料收集效率慢的現(xiàn)象。楊灣村居民普遍文化水平較低，大部分村民對(duì)于生物質(zhì)資源沒有概念，對(duì)新型技術(shù)與設(shè)備不夠了解的同時(shí)也缺乏環(huán)保和節(jié)能意識(shí)。楊灣村的居民收入水平較低，對(duì)于生物質(zhì)能源的投資依賴于鎮(zhèn)上的政策與財(cái)政的支持。

楊灣村的生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)單一，主要是政府規(guī)劃的沼氣項(xiàng)目。生物質(zhì)資源十分豐富，但原料回收利用率極低，村民缺乏秸稈資源綜合利用的意識(shí)，造成高價(jià)值生物質(zhì)資源極度浪費(fèi)。生物質(zhì)能源設(shè)備閑置率高，村中建設(shè)的8座沼氣發(fā)酵裝置中有5座閑置。處于運(yùn)營設(shè)備狀態(tài)的3座沼氣發(fā)酵裝置也因操作和維護(hù)不當(dāng)而停車，村民沒有維護(hù)設(shè)備運(yùn)營意識(shí)，需要監(jiān)督指導(dǎo)才能發(fā)揮現(xiàn)有項(xiàng)目應(yīng)有作用。

生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化過程環(huán)環(huán)相扣，其中每一個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)影響到最終結(jié)果，提高楊灣村生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化效率，就必須嚴(yán)格把控各個(gè)流程，不僅要盡量降低溫度，濕度等外在基礎(chǔ)因素對(duì)轉(zhuǎn)化過程的影響，還要盡可能消除人為因素的影響，嚴(yán)抓務(wù)實(shí)，提高村民的新能源意識(shí)和運(yùn)營設(shè)備能力，改變現(xiàn)有能源利用形式，切實(shí)改善村民生活水平[37]。

3.2 生物質(zhì)資源能源轉(zhuǎn)化建議

3.2.1 提高居民對(duì)生物質(zhì)資源的重視程度

提高生物質(zhì)資源利用的關(guān)鍵在于提高村民的環(huán)保意識(shí)，在良好生物質(zhì)能源建設(shè)氛圍下，政府出臺(tái)相應(yīng)政策并組織培訓(xùn)村民學(xué)習(xí)生物質(zhì)相關(guān)知識(shí)技能，發(fā)揮閑置資源價(jià)值。采用圖文和案例講解等較為直觀的教育方式講解生物質(zhì)資源，逐步培養(yǎng)村民變廢為寶的意識(shí)，提高村民秸稈資源綜合利用的意識(shí)，從源頭上減少資源浪費(fèi)[38]。

3.2.2 提高管理人員水平并集中收集利用生物質(zhì)資源

在清淤除污，溫度控制，氣密性檢查3個(gè)方面科學(xué)指導(dǎo)管理人員合理利用現(xiàn)有設(shè)備，實(shí)現(xiàn)設(shè)備高效產(chǎn)出。在不破壞菌種的條件下清理設(shè)備殘留的淤泥，指導(dǎo)管理人員相關(guān)知識(shí)技能，控制發(fā)酵最佳溫度。定期檢查裝置氣密性，維護(hù)設(shè)備正常運(yùn)行。將秸稈及生物質(zhì)資源集中收集統(tǒng)一處理，發(fā)展農(nóng)村循環(huán)經(jīng)濟(jì)，綜合利用秸稈，發(fā)揮秸稈多功能性，在減少秸稈堆積占地面積的同時(shí)減少資源浪費(fèi)。

3.2.3 加大政策支持及引導(dǎo)

政府應(yīng)當(dāng)加大政策導(dǎo)向和宣傳力度，營造良好新農(nóng)村能源建設(shè)氛圍，提高農(nóng)民對(duì)新能源的認(rèn)可度，調(diào)動(dòng)和保護(hù)農(nóng)民利用秸稈的積極性建立良性運(yùn)營模式，設(shè)置專人運(yùn)營維護(hù)，定人定崗可確保一系列過程問題根源可追溯，也可確保教導(dǎo)村民掌握相關(guān)操作。設(shè)立村民分紅方式，在能源化利用原料與村民利益相互捆綁的政策激勵(lì)的作用下，村民會(huì)積極投身新能源建設(shè)，從而保證能源廢棄物資源能源化利用模式良好運(yùn)營[39]。

4 結(jié)論

通過對(duì)河南典型鄉(xiāng)村，周口市楊灣村的邊際土地分布及總面積進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，對(duì)該村主要的秸稈類生物質(zhì)、畜禽糞便、農(nóng)民生活污水等生物質(zhì)資源量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，并對(duì)其能源轉(zhuǎn)化潛力進(jìn)行了分析。此外，還針對(duì)楊灣村現(xiàn)有的生物質(zhì)資源利用方式及存在問題進(jìn)行了調(diào)查分析，提出了邊際土地種植能源作物，農(nóng)業(yè)廢棄物資源進(jìn)行厭氧發(fā)酵等能源轉(zhuǎn)化模式。將其進(jìn)行全面有效利用，不僅可以提高當(dāng)?shù)氐纳镔|(zhì)資源的利用率，改變村莊的能源結(jié)構(gòu)，同時(shí)還能降低環(huán)境污染，提高居民的生活質(zhì)量，具有顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益。以楊灣村生物質(zhì)資源情況為典型特例分析研究，可以進(jìn)一步分析河南鄉(xiāng)村生物質(zhì)和邊際土地資源量統(tǒng)計(jì)及其能源轉(zhuǎn)化潛力，對(duì)河南省邊際土地及生物質(zhì)資源量進(jìn)行有效統(tǒng)計(jì)，將對(duì)把握生物質(zhì)資源應(yīng)用模式及開發(fā)前景提供重要的數(shù)據(jù)支持。