太陽(yáng)能加溫和沼液回用沼氣工程的生態(tài)效益評(píng)價(jià)

吳樹彪，劉莉莉，劉 武，陳 理，董仁杰

太陽(yáng)能加溫和沼液回用沼氣工程的生態(tài)效益評(píng)價(jià)

吳樹彪，劉莉莉，劉 武，陳 理※，董仁杰

（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083）

為綜合評(píng)價(jià)新型生態(tài)清潔技術(shù)應(yīng)用下的規(guī)模沼氣工程的綜合生態(tài)效益，該文以北京市順義區(qū)D沼氣工程（同時(shí)應(yīng)用沼液循環(huán)回用技術(shù)和太陽(yáng)能-地源熱泵增溫保溫技術(shù)）為研究對(duì)象，利用能量系統(tǒng)圖和能值評(píng)價(jià)體系，從經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和可持續(xù)性3個(gè)方面對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了綜合性能值分析，分析了沼液循環(huán)回用和太陽(yáng)能-地源熱泵增溫保溫清潔技術(shù)的應(yīng)用對(duì)規(guī)模化沼氣工程生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益的影響。結(jié)果表明：太陽(yáng)能-地源熱泵增溫保溫技術(shù)在規(guī)模化沼氣工程中的使用，不可再生購(gòu)買資源投入減少8.80%，系統(tǒng)可持續(xù)性提升18.75%，有效替代了化石能源的使用，生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益明顯。同時(shí)，沼液循環(huán)回用技術(shù)的應(yīng)用，可使地下水投入減少65%，在沼氣工程周邊土地?zé)o法充分消納該沼氣工程產(chǎn)生沼液的條件下，可節(jié)省1.77E+05美元/a的農(nóng)田消納后的剩余沼液排污處理費(fèi)，環(huán)境負(fù)荷率減小68.52%，能值可持續(xù)指標(biāo)由0.03增為0.38，系統(tǒng)自我維持能力提升。因此，沼液循環(huán)回用和太陽(yáng)能-地源熱泵技術(shù)的應(yīng)用對(duì)該沼氣工程系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和生態(tài)效益有很大改善作用。

沼氣；太陽(yáng)能;熱泵系統(tǒng)；加熱；沼液循環(huán)回用；能值分析

0 引 言

中國(guó)農(nóng)村農(nóng)業(yè)廢棄物產(chǎn)出量以年均5%～10%的速度遞增，預(yù)計(jì)到2020年將增至50億t，這些農(nóng)業(yè)廢棄物如若得不到有效處理，勢(shì)必造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染[1-3]，因此農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化利用越來(lái)越受到人們的重視[4]。沼氣工程能多層循環(huán)利用和處理廢棄物，是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能、環(huán)保的可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展模式中的重要環(huán)節(jié)[5-6]。為了更好地描述和評(píng)價(jià)沼氣工程的環(huán)境效益和可持續(xù)性，研究人員分別嘗試了不同的分析方法，包括層次分析法、成本效益法[7-8]、生命周期評(píng)價(jià)法[9]等。

能值分析一種從生態(tài)學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)結(jié)合角度分析沼氣工程的有效方法，能將生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng)、儲(chǔ)存的不同類別和等級(jí)的物質(zhì)和能量利用統(tǒng)一基準(zhǔn)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和定量分析，甚至自然資源、勞動(dòng)力以及其他的評(píng)價(jià)方法所常常忽略的服務(wù)等因素也被考慮在內(nèi)，為沼氣系統(tǒng)的可持續(xù)性評(píng)價(jià)提供了一種更好的分析方式[10-11]。目前，能值方法不僅應(yīng)用于單一的沼氣工程系統(tǒng)（如畜禽養(yǎng)殖沼氣工程[2]），甚至對(duì)相對(duì)簡(jiǎn)單的生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)（例如種養(yǎng)結(jié)合循環(huán)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)[12]和生態(tài)村沼氣循環(huán)系統(tǒng)[13]）和比較復(fù)雜的綜合生態(tài)發(fā)展系統(tǒng)[5,14-15]的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)分析均有重要作用[9]。

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣領(lǐng)域的新技術(shù)和新模式也紛紛涌現(xiàn)（如太陽(yáng)能-地源熱泵增溫保溫技術(shù)、沼液循環(huán)回用節(jié)水減排技術(shù)等[15]），并逐漸被傳統(tǒng)沼氣工程所采用以提高其發(fā)酵和節(jié)能效率。然而對(duì)于這些新技術(shù)應(yīng)用后對(duì)沼氣工程運(yùn)行的影響以及隨著產(chǎn)生的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益是否滿足沼氣工程可持續(xù)發(fā)展的要求仍缺乏有效的分析。本研究以北京市順義區(qū)某長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的中型規(guī)模沼氣工程（簡(jiǎn)稱D沼氣工程）為研究對(duì)象，利用能值分析方法進(jìn)行能值投入產(chǎn)出的結(jié)構(gòu)分析和評(píng)價(jià)，從經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益、可持續(xù)發(fā)展3個(gè)方面研究系統(tǒng)的運(yùn)行效益，同時(shí)比較分析2種技術(shù)對(duì)沼氣工程的效益影響，為新型技術(shù)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供一定的決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)即為北京市順義區(qū)大孫各莊鎮(zhèn)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的D沼氣工程（39.8°N， 116.47°E），占地1 600 m2，地區(qū)年平均氣溫12.8 ℃，年平均降雨量579.1 mm，海拔高度31.3 m，年平均日照時(shí)數(shù)2 371.1 h。工程2008年2月正式投入使用。

設(shè)定對(duì)比以下4種模式：傳統(tǒng)的沼氣工程厭氧發(fā)酵罐加溫保溫采用燃煤，產(chǎn)生的沼液直接排出不回流，定義此為傳統(tǒng)模式I，作為參照組；保持燃煤傳統(tǒng)加熱保溫方式，但利用地下水和沼液回用（體積比1∶8）對(duì)豬糞進(jìn)行稀釋循環(huán)回用技術(shù)，此為單技術(shù)模式II；保持沼液直接排出不回用，但采用太陽(yáng)能和地源熱泵增溫保溫技術(shù)替代傳統(tǒng)燃煤加熱所需的熱量，此為單技術(shù)模式III；2種新技術(shù)同時(shí)應(yīng)用的沼氣工程模式定義為雙技術(shù)模式IV。

該沼氣工程以養(yǎng)殖場(chǎng)豬糞為原料，夏季（5～10月）日進(jìn)料1～1.5 m3，冬季（11～4月）日進(jìn)料2～3 m3，日均進(jìn)料量約1.88 m3。工程采用2×160 m3的升流式固體反應(yīng)器（USR）發(fā)酵罐，冬季發(fā)酵罐加溫方式采用太陽(yáng)能-地源熱泵技術(shù)，太陽(yáng)能集熱板260 m2。發(fā)酵原料從發(fā)酵罐底部泵入罐內(nèi)，與發(fā)酵液混合調(diào)節(jié)厭氧發(fā)酵濃度，工程利用地下水和回用的沼液（體積比1∶8）對(duì)豬糞進(jìn)行稀釋，稀釋比例為9∶1，水力停留時(shí)間約15 d（干清糞固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在20%左右，用回用的沼液將其稀釋到適宜的厭氧發(fā)酵質(zhì)量分?jǐn)?shù)(8%～10%)是一種較為經(jīng)濟(jì)有效的沼液處理方式[16]）。工程日產(chǎn)沼液（沼液沼渣不分離）20 m3，其中16 m3進(jìn)行回流，4 m3沼液供周邊農(nóng)戶用作沼肥，澆灌蔬菜、果樹等農(nóng)作物；日產(chǎn)沼氣230 m3，供216戶農(nóng)戶生活用能。工程全年運(yùn)行365 d。

工程土建投資30.89萬(wàn)元，設(shè)備投資99.60萬(wàn)元和新增太陽(yáng)能-地源熱泵設(shè)備系統(tǒng)約25萬(wàn)元。工程年用電量約27 500 kW·h，其中太陽(yáng)能-地源熱泵相關(guān)設(shè)備年用電約12 500 kW·h。年維修費(fèi)用約3萬(wàn)元，其他建設(shè)費(fèi)用29.51萬(wàn)元。工程利用太陽(yáng)能-地源熱泵技術(shù)，節(jié)約燃煤60 t/a。

1.2 能值分析方法

以太陽(yáng)能作為統(tǒng)一基準(zhǔn)來(lái)衡量各種能量，為了更好地區(qū)分不同能量的能值等級(jí)，引入“能值轉(zhuǎn)換率”，即單位能量（物質(zhì)）所含的太陽(yáng)能值之量，某種能量的能量等級(jí)與能值轉(zhuǎn)換率和具有的能值成正比[17-20]。根據(jù)Odum研究中能值分析步驟，第1步，應(yīng)用Odum的“能量系統(tǒng)語(yǔ)言”，繪制能量系統(tǒng)圖（圖1）。第2步，根據(jù)各種資源的能值轉(zhuǎn)換率，計(jì)算系統(tǒng)的主要能量流、物質(zhì)流和經(jīng)濟(jì)流，編制能值分析表。本研究以D沼氣工程為系統(tǒng)邊界，圖1和表1描述了該工程能值投入產(chǎn)出結(jié)構(gòu)，分為可再生自然資源、不可再生自然資源）、可再生的購(gòu)買資源以及不可再生的購(gòu)買資源，以及反饋能值和產(chǎn)出能值。第3步，構(gòu)建系統(tǒng)的能值綜合結(jié)構(gòu)圖，對(duì)總系統(tǒng)和各子系統(tǒng)生態(tài)流的投入進(jìn)行集結(jié)和綜合（表2）。第4步，由能值分析表及系統(tǒng)能值綜合結(jié)構(gòu)圖計(jì)算出一系列反映生態(tài)經(jīng)濟(jì)效率的能值指標(biāo)（表3）。第5步，對(duì)各系統(tǒng)進(jìn)行效益分析（表4），根據(jù)分析結(jié)果，為系統(tǒng)管理方向和經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供一定的科學(xué)依據(jù)，指導(dǎo)生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)多效循環(huán)和可持續(xù)發(fā)展。

1.3 數(shù)據(jù)來(lái)源

通過(guò)實(shí)地調(diào)研和資料收集，獲得該研究對(duì)象2013年11月-2014年10月的生產(chǎn)記錄數(shù)據(jù)及當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)。根據(jù)生產(chǎn)記錄值進(jìn)行計(jì)算所得到的值，一般為貨幣（美元），物質(zhì)（kg）或能量（J）單位，即各資源的原始數(shù)據(jù)，通過(guò)原始數(shù)據(jù)與相應(yīng)的能值轉(zhuǎn)換率相乘得其對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)能值如表1所示。本研究能值轉(zhuǎn)換率參考前人的相關(guān)研究[2,6,13-14,20-23]，全球能值基準(zhǔn)采用15.83×1024sej/a。

計(jì)算中土建工程生命周期為20 a、設(shè)備生命周期為10 a，人民幣對(duì)美元匯率采用2013年平均人民幣對(duì)美元匯率619.32元/100美元，歐元對(duì)美元匯率131.84/100美元。根據(jù)相關(guān)研究沼液循環(huán)回用提高產(chǎn)氣率15%，沼液排污處理費(fèi)用國(guó)內(nèi)暫無(wú)標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)外的處理費(fèi)用折算為人民幣185.8元/t[24]。有關(guān)研究表明，勞動(dòng)力和豬糞來(lái)源于68%的可再生資源和32%的不可再生資源，本研究沿用此比例作為勞動(dòng)力和豬糞可再生能源和購(gòu)買資源比例，此處購(gòu)買資源并非是指經(jīng)濟(jì)購(gòu)買，它只是為了得到這種資源需要某些購(gòu)買資源的維持[6]。

圖1 D沼氣工程能量系統(tǒng)圖Fig.1 Energy system diagram of D biogas project

2 結(jié)果與分析

2.1 能值投入、產(chǎn)出分析

為充分了解沼液循環(huán)回用、太陽(yáng)能-地源熱泵增溫保溫2種技術(shù)對(duì)工程資源利用的影響，本節(jié)對(duì)I、II、III和IV 4種模式下的D沼氣工程進(jìn)行了能值投入、產(chǎn)出分析（表1和2）。傳統(tǒng)的沼氣工程能值產(chǎn)出包括沼氣和沼液，能值投入通常包括可再生自然資源（太陽(yáng)能、雨水、風(fēng)能以及部分勞動(dòng)力、豬糞等）、不可再生自然資源（地下水）、可再生購(gòu)買資源（勞動(dòng)力、豬糞）、不可再生購(gòu)買資源（土建投資、設(shè)備投資、維修投資、電、煤以及農(nóng)田無(wú)法消納的過(guò)剩沼液排污處理費(fèi)等），其中設(shè)備投資、勞動(dòng)力、豬糞、冬季加溫使用的燃煤以及沼液使用過(guò)剩而產(chǎn)生的排污處理費(fèi)為沼氣工程主要投入項(xiàng)目，對(duì)工程效益影響較大。與傳統(tǒng)的沼氣工程相比，工程使用沼液循環(huán)回用和太陽(yáng)能-地源熱泵增溫保溫技術(shù)后，系統(tǒng)各項(xiàng)資源的能值投入產(chǎn)出發(fā)生了變化。

如表1所示，與單技術(shù)模式II（沼液循環(huán)回用單獨(dú)應(yīng)用技術(shù)）對(duì)比，雙技術(shù)模式IV增加了“太陽(yáng)能-地源熱泵增溫保溫技術(shù)”，由于太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)、水箱、盤管換熱系統(tǒng)、地源熱泵機(jī)組等的配置，系統(tǒng)設(shè)備投資增加了48.61%，同時(shí)太陽(yáng)能和地源熱泵熱量供給的相互輔助和補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的穩(wěn)定供熱需求，減少了以往每年6.43×1016sej煤（冬季加溫保溫）的投入，NP投入也減少8.80%?？芍?，雖然太陽(yáng)能-地源熱泵等設(shè)備資金的高額支出，使得工程購(gòu)買資源增加，但若能長(zhǎng)期高效運(yùn)轉(zhuǎn)此類設(shè)備，生命周期越長(zhǎng)，平均每年設(shè)備投入減少，加之太陽(yáng)能是完全免費(fèi)的，運(yùn)行費(fèi)用最低，長(zhǎng)遠(yuǎn)看能夠帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)效益。

表1 模式I、II、III、IV的能值分析表Table1 Emergy analysis of pattern I, II, III, IV

表2 模式I、II、III、IV的投入產(chǎn)出能值結(jié)構(gòu)表Table2 Emergy input and output of pattern I, II, III, IV sej·a–1

與單技術(shù)模式III（太陽(yáng)能-地源熱泵技術(shù)單獨(dú)應(yīng)用技術(shù)）對(duì)比，雙技術(shù)模式IV增加了“沼液循環(huán)回用技術(shù)”，減少65%的地下水投入，提高了可再生資源能值投入比例，增加沼液反饋能值2.87×1010sej/a，系統(tǒng)外部地下水的資源消耗轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)內(nèi)部的沼液回用，有效降低了水資源壓力，提升了系統(tǒng)的自組織能力和可持續(xù)水平。

I和II模式、III和IV模式能值產(chǎn)出對(duì)比中，“沼液循環(huán)回用的利用技術(shù)”能值產(chǎn)出增加31.07%。I和III、II和IV能值產(chǎn)出對(duì)比，“太陽(yáng)能-地源熱泵增溫保溫技術(shù)”對(duì)系統(tǒng)能值總產(chǎn)出無(wú)明顯作用，主要因?yàn)樘?yáng)能-地源熱泵技術(shù)僅對(duì)工程增溫保溫的能值投入因素（燃煤、用電、設(shè)備投資等）相關(guān)，對(duì)其沼液、沼氣產(chǎn)出并無(wú)影響。

2.2 綜合效益分析

為了解沼氣工程對(duì)環(huán)境的綜合效益，本節(jié)重點(diǎn)利用能值產(chǎn)出率、環(huán)境負(fù)荷率、系統(tǒng)可更新率和能值可持續(xù)指數(shù)4個(gè)能值指標(biāo)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)效益、環(huán)境效益、可持續(xù)性方面分析（表3）。

能值產(chǎn)出率是從經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)效益方面反映系統(tǒng)的生產(chǎn)效率，能值產(chǎn)出率越高，表明系統(tǒng)產(chǎn)投比較大，經(jīng)濟(jì)效益較高。如表3所示，單技術(shù)模式II和雙技術(shù)模式IV相比，后者在采用“太陽(yáng)能-地源熱泵的技術(shù)”下，EYR增加了23%，單技術(shù)模式III和雙技術(shù)模式IV相比，后者采用“沼液循環(huán)回用技術(shù)”后，生產(chǎn)效益顯著提高，EYR增加了300%，可知，與“太陽(yáng)能-地源熱泵技術(shù)”相比，“沼液循環(huán)回用技術(shù)”對(duì)能值產(chǎn)出影響更大。這主要是因?yàn)檎右貉h(huán)回用不僅減少了大量的地下水投入和農(nóng)田無(wú)法消納而剩余沼液的排污處理費(fèi)，更是提高了沼氣產(chǎn)出。因此，盡可能減少購(gòu)買能值投入和增加產(chǎn)出能值，將有利于提高系統(tǒng)的能值產(chǎn)出率。

表3 模式I、II、III、IV的能值指標(biāo)比較Table3 Comparison of total emergy index among pattern I, II, III, IV

環(huán)境負(fù)荷率（environmental load ratio，ELR）是從環(huán)境效益方面表征系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的影響，該值越小，表明系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的壓力越小。如表3所示，模式I、II、III、IV的ELR分別為10.6、3.53、10.2、3.21；單技術(shù)模式III比傳統(tǒng)模式I增加使用“太陽(yáng)能-地源熱泵技術(shù)”替代燃煤加熱，其ELR降低了4%，雙技術(shù)模式IV比單技術(shù)模式II多采用同樣技術(shù)，其ELR就增加9.1%；而單技術(shù)模式II比傳統(tǒng)模式I增加使用“沼液循環(huán)回用技術(shù)”，環(huán)境負(fù)荷率降低了66.7%，雙技術(shù)模式IV比單技術(shù)模式III多采用同樣技術(shù)，環(huán)境負(fù)荷率降低了68.52%，可見(jiàn)，“沼液循環(huán)回用技術(shù)”對(duì)工程的環(huán)境效益具有很大影響，主要因?yàn)闇p少了往年冬季加溫保溫所需燃煤的投入?！罢右貉h(huán)回用和太陽(yáng)能-地源熱泵增溫保溫雙技術(shù)”總體上對(duì)沼氣工程的環(huán)境壓力具有明顯改善作用，但一般來(lái)說(shuō)，ELR≤2說(shuō)明系統(tǒng)對(duì)環(huán)境具有較低程度的影響[23]，雙技術(shù)模式IV（ELR為3.21）對(duì)環(huán)境依舊會(huì)造成一定壓力，因此還需不斷深入對(duì)沼氣工程應(yīng)用技術(shù)的研究，提升2種技術(shù)對(duì)系統(tǒng)的環(huán)境效益影響。

系統(tǒng)可更新率（renewable ratio, R）和能值可持續(xù)指標(biāo)（environmental sustainability index，ESI）主要是綜合表現(xiàn)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展能力。R越大，表示系統(tǒng)對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境資源和外界經(jīng)濟(jì)投入的依賴程度越小，自我維持能力越強(qiáng)。模式I、II、III、IV的R分別為9%、22%、9%、24%，說(shuō)明“沼液循環(huán)回用技術(shù)”的使用，減少了系統(tǒng)不可再生能源的投入比例，提高了系統(tǒng)的自我維持能力，對(duì)系統(tǒng)影響較大；而“太陽(yáng)能-地源熱泵技術(shù)”主要影響系統(tǒng)購(gòu)買資源的投入，因此對(duì)系統(tǒng)R影響不明顯。能值可持續(xù)指標(biāo)主要是從系統(tǒng)的綜合發(fā)展方面表示系統(tǒng)的可持續(xù)性，該值越大，表明系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展能力越好。模式I、II、III、IV的ESI分別為0.03、0.32、0.03、0.38，可知“太陽(yáng)能-地源熱泵技術(shù)”的使用，系統(tǒng)可持續(xù)性提高18.75%，使用“沼液循環(huán)回用技術(shù)”，ESI增加約1 000%，大大提高了系統(tǒng)可持續(xù)性。4種模式的對(duì)比可看出，“沼液循環(huán)回用技術(shù)”對(duì)工程的可持續(xù)性發(fā)揮著更重要的作用，主要因?yàn)檎右貉h(huán)回用不僅增加能值產(chǎn)出，還大大減輕了環(huán)境壓力。通常情況下，ESI＜1，系統(tǒng)屬于消費(fèi)型經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)；ESI＞10，則意味著系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)，仍具有較大的待開發(fā)空間；ESI在1～10之間表示具有較大的運(yùn)行活力[25]，而能值效益和可持續(xù)發(fā)展能力方面有明顯優(yōu)勢(shì)的模式IV仍屬于消費(fèi)型生態(tài)系統(tǒng)，因此還需不斷改進(jìn)工程發(fā)展和技術(shù)應(yīng)用，提高工程可持續(xù)發(fā)展能力。

2.3 生態(tài)經(jīng)濟(jì)價(jià)值分析

能值分析方法采用太陽(yáng)能值與能值-貨幣比率[26]的比值計(jì)算各項(xiàng)目能值-貨幣價(jià)值，來(lái)衡量系統(tǒng)在市場(chǎng)中的宏觀經(jīng)濟(jì)價(jià)值。I、II和III、IV4個(gè)模式的經(jīng)濟(jì)價(jià)值如表4所示，其能值-貨幣價(jià)值凈收益分別為?5.95×105、?1.46×104、?5.72×105和8.13×103美元/a。

表4 模式I、II、III、IV的經(jīng)濟(jì)價(jià)值表Table4 Economic value of pattern I, II, III, IV 美元·a–1

I、II和III 3種模式的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)價(jià)值都為負(fù)值，產(chǎn)投比都小于1，其中傳統(tǒng)沼氣工程模式I宏觀經(jīng)濟(jì)效益最低，產(chǎn)投比最小，能值貨幣價(jià)值的投入遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于產(chǎn)出，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力較弱。與其他模式相比，同時(shí)使用2種技術(shù)的模式IV有了正值的經(jīng)濟(jì)收入，其能值貨幣價(jià)值為8.1×103美元/a，產(chǎn)投比大于1，經(jīng)濟(jì)效益明顯，系統(tǒng)有了市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)效益。II和IV相比，太陽(yáng)能-地源熱泵技術(shù)的使用，系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)凈收益增加2.27×103美元/a。I和II、III和IV相比可知，沼液循環(huán)回用技術(shù)的應(yīng)用，系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益明顯提高，這是由于沼液循環(huán)回用，減少了1.77×105美元/a的沼液排污處理費(fèi)，同時(shí)沼液回流到發(fā)酵罐，提升了15%的產(chǎn)氣，提高了能值產(chǎn)出。

3 技術(shù)應(yīng)用討論

從以上分析中，可知“沼液循環(huán)回用和太陽(yáng)能-地源熱泵技術(shù)”的應(yīng)用對(duì)系統(tǒng)投入產(chǎn)出能值和綜合效益具有較好影響，尤其是在系統(tǒng)中占有較大比例項(xiàng)目的地下水、煤等的改善作用。

太陽(yáng)能-地源熱泵技術(shù)作為太陽(yáng)能和地源熱泵相結(jié)合的復(fù)合式加熱系統(tǒng)，不僅彌補(bǔ)了地源熱泵制熱量不足、效率低的劣勢(shì)，還克服了太陽(yáng)能熱泵受天氣嚴(yán)重影響的缺點(diǎn)[27]。該技術(shù)的應(yīng)用與當(dāng)?shù)靥鞖夂偷乩碛泻艽箨P(guān)聯(lián)，這包括白天和夜間、季節(jié)、海拔以及雨天等因素的影響，致使太陽(yáng)能利用的不穩(wěn)定性和間歇性，另外由于不同地區(qū)光照強(qiáng)度等各種因素的多樣性，中國(guó)地區(qū)太陽(yáng)能的應(yīng)用存在很大的差異性[28]。文獻(xiàn)表明，以青海、甘肅、內(nèi)蒙古、北京和河北為主的中國(guó)西部和北部，具有較好的利用潛力，尤其是青海、甘肅、內(nèi)蒙古等地區(qū)，而以四川、重慶、廣西、湖南和海南為主的南方地區(qū)太陽(yáng)能利用潛力較小，尤其是四川、重慶和海南地區(qū)[29]。北京地處北方，溫度偏低，太陽(yáng)能-地源熱泵技術(shù)的應(yīng)用對(duì)本研究中D沼氣工程的綜合效益表現(xiàn)出較好的影響?？梢?jiàn)，應(yīng)用該技術(shù)時(shí)，必須考慮其區(qū)域適宜性。

沼氣工程利用“沼液循環(huán)回用技術(shù)”來(lái)處理目前農(nóng)田無(wú)法充分利用的過(guò)剩沼液，表現(xiàn)出明顯的節(jié)能減排優(yōu)勢(shì)，但并非所有工程的沼液循環(huán)回用都有較好的綜合效益影響。有關(guān)研究表明，沼液過(guò)量回用會(huì)對(duì)工程厭氧發(fā)酵過(guò)程產(chǎn)生不利影響，沼液回用越多，不易被降解的脂肪酸增加，同時(shí)氨氮濃度增加，在達(dá)到一定范圍時(shí)，就會(huì)降低產(chǎn)甲烷菌的活性，減緩厭氧降解過(guò)程，從而影響發(fā)酵過(guò)程的正常運(yùn)行[19]。文獻(xiàn)表明，以牛糞為原料的沼氣工程的回流比例達(dá)到60%時(shí)，有利于厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣[30]。本研究中以豬糞為原料的D沼氣工程回流比例為80%（較高于60%），產(chǎn)氣提升15%。因此，利用沼液循環(huán)回用來(lái)提升沼氣工程綜合效益時(shí)，需考慮工程不同原料的差異性，合理選擇回流比例，注意沼液的回用量及回用次數(shù)，避免長(zhǎng)時(shí)間過(guò)量沼液回用，綜合考慮沼液循環(huán)回用的應(yīng)用。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)I（傳統(tǒng)的燃煤加溫保溫和排出沼液不采用循環(huán)回用方式的沼氣工程運(yùn)行模式）、II（沼液循環(huán)回用節(jié)水減排技術(shù)單獨(dú)應(yīng)用模式）和III（太陽(yáng)能-地源熱泵增溫保溫技術(shù)單獨(dú)應(yīng)用模式）、IV（2種技術(shù)同時(shí)應(yīng)用的沼氣工程發(fā)展模式）4個(gè)模式對(duì)比分析了沼液循環(huán)回用節(jié)水減排技術(shù)、太陽(yáng)能-地源熱泵增溫保溫技術(shù)對(duì)D沼氣工程（模式IV）的運(yùn)行效益影響。結(jié)果表明：“太陽(yáng)能-地源熱泵技術(shù)”的使用，減少了系統(tǒng)每年6.43E+16 sej煤的使用，不可再生購(gòu)買資源投入減少8.80%，系統(tǒng)可持續(xù)性提升18.75%，有效替代了化石能源的使用，生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益明顯；相比之下，“沼液循環(huán)回用技術(shù)”表現(xiàn)出更好的工程效益影響，該技術(shù)使用下，地下水投入減少65%，減少了1.77E+05美元/a的沼液排污處理費(fèi)，環(huán)境負(fù)荷率減小68.52%，能值可持續(xù)指標(biāo)由0.03增為0.38。新型技術(shù)的使用對(duì)該工程的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益有著顯著改善作用。但對(duì)于該沼氣工程在環(huán)境效益（環(huán)境負(fù)荷率（environmental load ratio，ELR）為3.21）和可持續(xù)性發(fā)展上（能值可持續(xù)指標(biāo)（environmental sustainability index，ESI）為0.38）仍具有較大的開發(fā)利用空間，還需結(jié)合“太陽(yáng)能-地源熱泵技術(shù)”區(qū)域適宜性和沼液循環(huán)回用比例、回用量，不斷深入研究和改進(jìn)技術(shù)應(yīng)用，來(lái)進(jìn)一步提高工程的環(huán)境效益和可持續(xù)發(fā)展能力。

[1] Ma Hengyun, Oxley Les, Gibson John, et al. A survey of China’s renewable energy economy[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2010, 14(1): 438－445.

[2] Zhou S Y, Zhang B, Cai Z F. Emergy analysis of a farm biogas project in China: A biophysical perspective of agricultural ecological engineering[J]. Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation, 2010, 15(5): 1408－1418.

[3] 張野，何鐵光，何永群，等. 農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用現(xiàn)狀概述[J]. 農(nóng)業(yè)研究與應(yīng)用，2014(3)：64－67.

Zhang Ye, He Tieguang, He Yongqun, et al. Overview of agricultural waste resource utilization[J]. Agricultural Research and Application, 2014(3): 64－67. (in Chinese with English abstract)

[4] 張志高，王志春，王春云，等. 農(nóng)業(yè)廢棄物資源分類及利用技術(shù)[J]. 農(nóng)技服務(wù)，2015(1)：8－9.

Zhang Zhigao, Wang Zhichun, Wang Chunyun, et al. Agricultural waste resources classification and the use of technology[J]. Serves of Agricultural Technology, 2015(1): 8－9. (in Chinese with English abstract)

[5] Chen Shaoqing, Chen Bin. Sustainability and future alternatives of biogas-linked agrosystem (BLAS) in China: An emergy synthesis[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2012, 16(6): 3948－3959.

[6] Ciotola Richard J, Lansing Stephanie, Martin Jay F. Emergy analysis of biogas production and electricity generation from small-scale agricultural digesters[J]. Ecological Engineering, 2011, 37(11): 1681－1691.

[7] 趙立祥，息慧嬌. 大中型沼氣綜合利用系統(tǒng)效益的模糊評(píng)價(jià)[J]. 中國(guó)市場(chǎng)，2010(22)：14－15.

Zhao Lixiang, Xi Huijiao. Fuzzy evaluation of the large and medium-sized biogas comprehensive utilization efficiency of the system[J]. Chinese Market, 2010(22): 14－15. (in Chinese with English abstract)

[8] 汪曉文，衣婧. 甘肅省發(fā)展大中型沼氣工程的綜合效益評(píng)價(jià)[J]. 甘肅聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(bào)：社會(huì)科學(xué)版，2010(3)：58－62.

Wang Xiaowen, Yi Jing. Comprehensive benefit evaluation about development of large and medium-sized methane project in Gansu province[J]. Journal of Gansu Union University: the Social Sciences, 2010(3): 58－62. (in Chinese with English abstract)

[9] Wang Xiaolong, Chen Yuanquan, Sui Peng, et al. Efficiency and sustainability analysis of biogas and electricity production from a large-scale biogas project in China: An emergy evaluation based on LCA[J]. Journal of Cleaner Production, 2014, 65: 234－245.

[10] Jiang M M, Chen B, Zhou J B, et al. Emergy account for biomass resource exploitation by agriculture in China[J]. Energy Policy, 2007, 35(9): 4704－4719.

[11] 鐘珍梅，黃勤樓，翁伯琦，等. 以沼氣為紐帶的種養(yǎng)結(jié)合循環(huán)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)能值分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28(14)：196－200.

Zhong Zhenmei, Huang Qinlou, Weng Boqi, et al. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(14): 196－200. (in Chinese with English abstract)

[12] 段娜，林聰，劉曉東，等. 以沼氣為紐帶的生態(tài)村循環(huán)系統(tǒng)能值分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31（增刊1）：261－268.

Duan Na, Lin Cong, Liu Xiaodong, et al. Energy analysis of biogas-linked eco-village circulating system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(Supp.1): 261－268. (in Chinese with English abstract)

[13] Wei X M, Chen B, Qu Y H, et al. Emergy analysis for ‘Four in One’ peach production system in Beijing[J]. Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation, 2009, 14(3): 946－958.

[14] Pulselli Riccardo Maria, Rustici Mauro, Marchettini Nadia. An integrated framework for regional studies: emergy based spatial analysis of the province of Cagliari[J]. Environmental Monitoring & Assessment, 2007, 133(1/2/3): 1-13

[15] 盧艷娟，尤宇嘉. 沼液回流對(duì)厭氧沼氣工程的影響[J]. 中國(guó)沼氣，2015(3)：66－68.

[16] 吳樹彪，黎佳茜，李偉，等. 沼液回流對(duì)牛糞厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣特性及其動(dòng)力學(xué)的影響[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2015，46(10)：241－246.

Wu Shubiao, Li Jiaxi, Li Wei, et al. Effect of liquid digestate recirculation on biogas production and fermentation kinetics for anaerobic digestion of cattle manure[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery, 2015, 46(10): 241－246. (in Chinese with English abstract)

[17] Menegaki Angeliki. Valuation for renewable energy: A comparative review[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2008, 12(9): 2422－2437.

[18] Siracusa Giuseppe, La Rosa Angela D, Palma Paolo, et al. New frontiers for sustainability: Emergy evaluation of aneco-village[J]. Environment, Development and Sustainability, 2008, 10(6): 845－855.

[19] 藍(lán)盛芳，欽佩. 生態(tài)系統(tǒng)的能值分析[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2001，12(1)：129－131.

[20] Odum H T, Brown M T, Brandt-Williams S. Handbook of Emergy Evaluation[M]. Gainesville: University of Florida, 2002

[21] 席運(yùn)官，欽佩. 稻鴨共作有機(jī)農(nóng)業(yè)模式的能值評(píng)估[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2006，17(2)：237－242.

Xi Yunguan, Qin Pei. Emergy value evaluation on rice-duck organic farming mode[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2006, 17(2): 237－242. (in Chinese with English abstract)

[22] Yang Jin, Chen Bin. Emergy analysis of a biogas-linked agricultural system in rural China: A case study in Gongcheng Yao Autonomous County[J]. Applied Energy, 2014, 118: 173－182.

[23] Cavalett Otávio, Queiroz Júlio Ferraz De, et al. Emergy assessment of integrated production systems of grains, pig and fish in small farms in the South Brazil[J]. Ecological Modelling, 2006, 193(3/4): 205－224.

[24] Golkowska K, Vázquez-Rowe I, Lebuf V, et al. Assessing the treatment costs and the fertilizing value of the output products in digestate treatment systems[J]. Water Science & Technology, 2014, 69(3): 656－662

[25] Ulgiati S, Brown M T. Monitoring patterns of sustainability in natural and man-made ecosystems[J]. Ecological Modeling, 1998, 108: 23－26.

[26] 宋濤，蔡建明，杜姍姍，等. 基于能值分析的北京城市新陳代謝研究[J]. 干旱區(qū)資源與環(huán)境，2015，29(1)：37－42. Song Tao, Cai Jianming, Du Shanshan, et al. Emergy analysis of urban metabolism in Beijing[J]. Journal of Arid Land Resources and Environment, 2015, 29(1): 37－42. (in Chinese with English abstract)

[27] 裴曉梅，張迪，石惠嫻，等. 太陽(yáng)能-地源熱泵式沼氣池加熱系統(tǒng)集熱面積優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2011, 42(1)：122－128.

Pei Xiaomei, Zhang Di, Shi Huixian, et al. Collector area optimization of integrated solar and ground source heat pump system for heating biogas digester[J]. Transactions of The Chinese Society of Agricultural Machinery, 2011, 42(1): 122－128. (in Chinese with English abstract)

[28] 郭長(zhǎng)城，石惠嫻，朱洪光，等. 太陽(yáng)能-地源熱泵聯(lián)合供能系統(tǒng)研究現(xiàn)狀[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27(2)：356－362.

Guo Changcheng, Shi Huixian, Zhu Hongguang, et al. Review of solar assisted ground source heat pump system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(2): 356－362. (in Chinese with English abstract)

[29] Zhou Dongyi, Shi Chuping, Yuan Wenhua. Research on the Applicability of Solar Energy-Ground Source Heat Pump in Different Regions of China [C]// Second International Conference on Digital Manufacturing & Automation, 2011: 1026－1029.

[30] 蘇小紅，劉偉，王欣，等. 沼液回流對(duì)牛糞高溫厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣性能的影響[J]. 黑龍江科學(xué), 2015, 6(1): 1－3.

Su Xiaohong, Liu Wei, Wang Xin, et al. Study on the impact of the properties of high temperature anaerobic fermentation with cow dung to produce biogas under biogas slurry reflux[J]. Heilongjiang Science, 2015, 6(1): 1－3. (in Chinese with English abstract)

Ecological effect evaluation of biogas project integrated with solar-ground source heat pump system and slurry recirculation

Wu Shubiao, Liu Lili, Liu Wu, Chen Li※, Dong Renjie
(College of Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China)

Biogas engineering is an effective method for agricultural waste treatment among many methods. It can recycle on multi-layers and dispose wastes. It is an important department of sustainable agricultural development mode to achieve production capacity, and protect environment. There were many methods for evaluating the environmental effect and the sustainability of a biogas engineering such like analytic hierarchy process, cost benefit method and life cycle assessment (LCA) method. Emergy analysis method, established by Odum, could bring a new category and grade of material and energy conversion, and the conversion and quantitative analysis using the unified benchmark. The method considered many factors such like the natural resources, labor and the other factors which were usually neglected by the other methods. For sustainability assessment, biogas system provided a better way of analysis. For the aim of evaluating comprehensive ecological effect of biogas plant with the application of new ecological technologies, we chose “D” Biogas plant as the research object. And we set the traditional biogas engineering operation mode “coal-fired heating and keep warming insulation + biogas slurry discharged directly” as pattern I; “biogas slurry recycling technology” as pattern II; “solar energy-ground source heat pump heating technology” as pattern III; and both techniques used in “D” Biogas plant as pattern IV. Based on energy system diagram and the emergy-based indexes, the system were analyzed in comprehensive performance from economic production efficiency, environmental effect as well as sustainability of the ecological economic effects on biogas plant with the solar-ground source heat pump system and slurry recirculation. The results indicated that due to the application of solar-ground source heat pump system, nonrenewable purchased resources reduced by 8.80%, environmental sustainability index (ESI) increased by 18.75%. The results showed that it was an effective alternative way to the use of fossil energy, which showed obvious ecological economic benefit. At the same time, owing to the application of slurry recirculation, groundwater input fell by 65%, and the fees of treating with the disposal of raw digestate would reduce by 1.77E+05 dollar/a. So the environmental loading ratio decreased by 68.52%, environmental sustainability index (ESI) increased from 0.03 to 0.38, the system sustainability increased. Anyhow, the application of the two typical ecological technologies combined with “biogas slurry recycling in water saving and emission reduction technology” and the “solar energy-ground source heat pump heating in thermal insulation technology” in “D” Biogas plant improved greatly in economic efficiency, environmental and ecological benefits.

biogas; solar energy; heat pump systems; heating; slurry recirculation; emergy analysis

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.05.030

S216.4

A

1002-6819(2017)-05-0205-06

吳樹彪，劉莉莉，劉 武，陳 理，董仁杰. 太陽(yáng)能加溫和沼液回用沼氣工程的生態(tài)效益評(píng)價(jià)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(5)：205－210.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.05.030 http://www.tcsae.org

Wu Shubiao, Liu Lili, Liu Wu, Chen Li, Dong Renjie. Ecological effect evaluation of biogas project integrated with solar-ground source heat pump system and slurry recirculation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(5): 205－210. (in Chinese with English abstract)

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.05.030 http://www.tcsae.org

2016-05-05

2017-02-10

北京市科技計(jì)劃課題（Z151100001115010）；科技部國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題（2015BAD21B04）；北京市科技新星計(jì)劃項(xiàng)目（2015B083）作者簡(jiǎn)介：吳樹彪，副教授，主要從事生物質(zhì)能源工程與低碳技術(shù)研究。北京 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，100083。Email：wushubiao@cau.edu.cn

※通信作者：陳 理，副教授，主要從事能源環(huán)境評(píng)價(jià)方面的研究。北京 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，100083。Email：chenli329@cau.edu.cn