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畜产、环保、绿能持续发展的关键技术

来源:美国北卡罗莱纳州立大学荣誉教授 人气: 发布时间:2016-11-01
摘要:引言 厌氧消化又称沼气技术,它的多项功能早已受到公认,它降解有机废弃物、生产沼气绿色能源、减低排放温室气体、降低畜场恶臭、杀灭病菌、环境保
引言
厌氧消化又称沼气技术,它的多项功能早已受到公认,它降解有机废弃物、生产沼气绿色能源、减低排放温室气体、降低畜场恶臭、杀灭病菌、环境保健、循环生产有机肥料、并可能发掘出髙价值的生物产品。经过多年的研发,沼气技术与市场已渐成熟,在中国和欧洲已相当普及[1,2],在美国,近年也受到政府和民众的重视。但是,商业化发展仍然面临两大问题:其一,常用的大型沼气设备,建造费高,操作复杂,一般而言,若无政府补助,农户无力负担。其二,大型沼气场每日排出大量沼液,排放和利用都有难度。作者积四十年之经验,近年发明新型沼气设备用于禽畜场粪污处理,称之谓 Holistic DigesterTM(暂译:“厚利沼气”),装设与操作均简易,具多项功能,并可适用于大小禽畜场。长远而言,有利于畜产、环保、绿能的持续经营和发展。
减排温室气体
2015 年12 月12 日,世界195 个国家在巴黎签约,协力合作发展全球低碳经济及能源[4],利用绿色能源及再生能源,替代化石能源,减少排放温室气体,锁定目标是,2050 年全球平均气温降低2℃。转化大量的禽畜场粪料及其它生质废料为沼气,不但是一种再生绿色能源,也可大幅度减少温室气体排放。美国农业部、环保署、能源部曾于2014 年发表联合公报[3],报告中指出,利用来自禽畜粪便的沼气能源,大有利于环保,用于交通,其减碳功能,远远超过汽油及天然气等传统燃料。
沼液
厌氧消化废水又称沼液,因为量大,其排放及利用都极度困难,但沼液浓缩后,是高价值的有机肥料。很多方法可以固液分离或浓缩,譬如离心、过沪、筛漏、蒸发、薄膜透析等等,浓缩沼液经过配方,可成为精致农业的高端肥料,分离后的水液经二度处理后,可直接排放或用于农田灌溉。分离的固体部分又称沼渣,利用传统方法转化为堆肥。以上所述方法,过程复杂,设备费不低,而且堆肥过程有臭味,氮肥价值挥发消失不少。沼液转化沼肥的过程中,要得到高价值的沼肥,一定要尽量保留住沼液中氮、磷、钾,以及其它肥料成分。
牛粪料厌氧消化
美国乳牛业使用厌氧消化多年,他们的结论是,如果农场上回收只有沼气和碳权(如:CDM),农户很难收回投资成本。如果综合经营,取得沼肥的利润,全沼气系统便可能转亏为盈。假使美国乳牛业全面使用沼气技术,各方面的总营收大约是美元29 亿($2.9 billions)(图1),其中有机肥料收入占48%[3]。
鸡粪料厌氧消化
作者曾经担任联合国开发计划(UNDP)北京市沼气项目顾问,该项目结果不但技术试验成功,而且经济上获大利。1991 年,作者受邀设计及协助运行一座高温厌氧槽,地点在北京市大兴县留民营村,该场饲养蛋鸡五万只,每日产鸡粪五吨,沼气供200 户村民厨炊、热水、取暖,沼液部份下田施肥,另部份浓缩、干燥成为有机肥料外售。自1992 年起,该系统运行二十年之久,最初的投资三年还本,主要的原因是,沼肥品质好,售价高。从这项计划学习到一件事,厌氧消化不仅提供沼气、碳权、清浄环境,还有高品质的有机肥。值得注意的是,由沼液转化的沼肥,创造了厌氧消化全部价值的50%。

内容来自www.vetcn.net


图1 美国牛粪厌氧消化的多重效益的市场潜在价值
新产品的发现与开发
厌氧消化是一种生物科技,它不仅处理废弃物、生产沼气,它也是丰富多样的生物资源。在八十年代后期,作者在试验农场操作沼气,无意之间,发现到鸡羽毛消失于酦酵槽中,由于好奇,我们投入了两年的钻硏寻找,终于发现并且分离出一株细菌,能产生角蛋白酶降解羽毛。接着,这个独特的角蛋白酶纯化,相对的基因也分离定序,完成了一连串的基础研究。为了应用研究,我们装置了150-L 中型酦酵设备,生产足够的角蛋白酶做动物实验,以及农场试验。在用途方面,发现小量酶加入制造羽毛粉,可促进羽毛粉的消化率;其次,它可以降解朊蛋白(prion protein),有助防制狂牛病。后来,我们又无意中发现,极小量的角蛋白酶添加在饲料,可以提髙饲料中蛋白质的消化率,有效促进幼鸡成长。这一系列的研究成果,一共创造了九项美国和国际专利。2000 年,百瑞国际生技公司(BioResource International,BRI)正式成立,启动角蛋白酶商业开发,帮助全世界养鸡户节约饲料成本。目前,此一独特的饲料酶已进入全球市场(回顾论文:Shih,1993,2012,2015 and website: www.briworldwide.com)。
角蛋白酶的发现,以及后续的技术和商业开发,是一个很完美的“翻译式研究”(Translational research from science to commerce)。从另方面看,角蛋白酶也证明了厌氧消化,是丰富而多样的生物资源,可
供酶的发现,基因开采,还有机会开发类似角蛋白酶的其它生物产品。
经济效益
沼气技术正走向成熟,在已知而又有限的讯息里,作者提出一个虚拟的模式来推测投资与回报作为参考。假设,有座鸡场饲养蛋鸡100 万只,装设了传统的全搅拌式(CSTR)沼气池,以及相关全套设备,日产粪料100 吨,沼气10000m3 发电,沼液转化为有机肥料,粗略经济估算如表1。有趣的是,这座大型沼气系统的投资回报率(ROI,Return of Investment)只需4 年!虽然这些数字是虚拟的,但是
很有鼓励性,值得进一步追究落实。
无论如何,这份虚拟的估算,虽然很乐观,但也有很多的局限。第一,初期建造和设备费用甚髙(US$6.6 million)。第二,规模太大,不符合小型农场的需求。第三,运作与维修技术水平要求髙。第四,沼液转化为有机肥料的费用不在计算之列,因此,创新的设计和技术,针对降低肥料生产的成本非常重要。
全新技术
作者1996 年首次发明了他设计的简易沼气槽[2],近三年又投入了三项专利申请,这三项发明简述如下,正在研议合作开发(Co-Development)。
(1)水解除砂(Hydrolytic Degritter,pending,filed 2013)。设备和方法,预处理禽畜粪便,去除砂粒、粗纤维,进入厌氧槽。
表1 大型传统式沼气设备的投资回报率(ROI)的初步估算
责任编辑:石家兴