浅谈新能源发展模式的策略探讨

1　引言
园林植物废弃物主要是指园林植物自然凋落或人工修剪所产生的植物残体，主要包括树叶、草屑、树木与灌木剪枝等，其主要成分为木质纤维[1]。随着城市绿化覆盖率的不断上升，园林植物废弃物的数量日益增加，如果任意处理，不仅影响城市面貌，而且还可能引起环境污染。目前对其的基本处理方法为焚烧、填埋等，陈祥、先旭东、包兵认为填埋或焚烧的处置方式会造成环境污染与资源浪费，并提出了园林有机废弃物堆肥、绿地覆盖和产品开发的资源化利用途径[2]。而吕子文、方海兰、梁晶、杨辉则具体介绍了美国园林废弃物的处理处置方法，如堆肥比例、构成和分类、收集方法、堆肥工艺参数(粒径大小、湿度、碳氮比和pH值等)的优化、产品质量标准以及应用的技术规范等，提出分类收集园林废弃物和生活垃圾、设立专门的树枝粉碎场、堆肥还田等一系列对策和建议[3～5]。北京作为国家的首都，近年来绿化覆盖率直线上升，并于2007年达到43.0%。随着绿化建设的加快和扩大，园林绿化废弃物已经成为城市环境的一个巨大污染源，2007年北京市所产生园林绿化废弃物236×，其中大部分作为固废随生活垃圾填埋，资源化再利用率仅为0.7%。对此，于鑫、孙向阳、徐佳等通过调查，实证分析了北京市园林绿化废弃物情况及其再利用现状，提出了堆肥化再利用、生产新型花木基质、生产园林有机覆盖物三大处理途径[6]。
发展新能源，进行新能源产业革命，是实现可持续发展、发展新经济、实现生态文明和低碳经济的有效途径[7～9]。在各种新能源中，生物质能源引起了众多学者的关注，董佑福、侯方安和刘建福、白玉瑞认为随着全球环境的恶化和能源危机的出现和人们可持续发展意识的增强，以太阳能和生物质能为代表的可再生能源也越来越成为人们关注的热点，应充分认识农作物秸秆的利用价值，促进秸秆的综合利用[10～11]。而李涛、卓海峰等阐述秸秆焚烧时带来的污染环境、浪费资源等危害，提出秸秆还农田、秸秆制饲料、秸秆深加工、秸秆制燃气等几条综合利用的途径，以及防治秸秆焚烧采取的几项措施[12]。对于秸秆能源化综合利用的途径，学者们也进行了探讨。张镇翰提出以秸秆发电和制版技术进行秸秆资源的大量开发和利用[13]。谢祖琪、刘建辉提出秸秆气化集中供气技术，即采用类似发生炉煤气的制气原理，使农作物秸秆等生物质原料在控氧状态下燃烧反应，从而提供燃料和能源[14]。
能否将园林废弃物的处理和新能源开发结合起来思考，利用园林废弃物的生物质能源探索低碳经济新能源的发展模式？目前并无这类的研究，因此本文通过对园林废弃物主体——杂草和木屑所进行的实验分析，探索园林废弃物生产乙醇技术这一新能源发展模式。
2　国内外园林植物废弃物循环利用现状
美国、加拿大、比利时和澳大利亚等国家在园林植物废弃物收集利用方面已经有很好的积累。在美国，城市绿化已经走出了利用自然土壤的传统年代，取而代之的是利用城乡废弃物如枯枝园林废弃物、工厂下脚料、生活垃圾等来生产再生土、堆肥来替代自然土壤用于城市绿化用土和土壤改良。美国许多研究显示，园林植物废弃物再生利用要比填埋和焚烧更经济、更环保。据统计填埋一顿园林废弃物投入成本是350元，焚烧1吨园林废弃物产生的二氧化碳是230公斤，因此美国许多州都制定了相关的法律文件及相关的经费保障措施以推行园林废弃物的循环利用，由于有政策和经费的保障，园林废弃物的循环利用的比例在美国逐年上升，从1990年的12.4%上升到2005年的62.0%，增加了5倍，并呈逐年上升趋势。
2007年，北京朝阳区建立了国内第一家规模化园林植物废弃物专业处理场。经过减量处理和系列加工工序，园林植物废弃物处理场可以生产出城市绿化美化所必需的有机基质、生物有机肥、地面覆盖物等多种产品。另外，广州、深圳等经济发达地区也启动了园林废弃物的循环利用，由政府直接投资建立了一定规模的处置中心。深圳市城市绿化管理处树枝粉碎场，从1998年开始一直运作到现在，已经11年。粉碎场目前处理深圳市罗浮等三个区的绿化树枝园林废弃物，约占整个深圳市总量的70%，在特殊天气时，如遭遇强台风的侵袭树枝就会成倍地运到粉碎场，处理量非常大。
3　目前园林废弃物利用方式存在的问题
目前园林废弃物的处理处置与利用方法主要有焚烧、填埋、堆肥和粗加工等。
3.1　焚烧
焚烧园林废弃物可产生大量有害气体(如氮氧化物)污染大气，同时带来大量的致癌颗粒物(如二英、三苯并芘、四苯并芘)对人体健康造成严重危害，因此该种处理方式近年来逐渐被禁止使用。
3.2　填埋与堆肥
填埋与堆肥处置园林废弃物仍是目前常用的手段。利用微生物在一定温度、湿度、pH等条件下，使园林有机废弃物发生生物化学降解，形成有机肥料的过程称为堆肥化。园林有机废弃物含有丰富的N、P、K等养分，经过堆肥等处理后可以作为肥料施用在土壤中，能还原土壤有效养分，增加土壤有机质含量，刺激土壤微生物的活性，改善土壤的物理结构和化学组成，增大土壤孔隙度，增强土壤的保水保肥能力。目前，国内一些大城市，如上海、北京、广州和深圳，已经开始进行园林有机废弃物的堆肥化利用但由于园林废弃物水分少、质轻，通过填埋法处理，运输费用增加，清运成本高。另外，填埋法与堆肥法都存在占用场地大、发酵周期长、降解与转化不彻底，会带来二次污染，同时也可能引发其他安全问题(如极易因沼气引发火灾)。
3.3　压制板材
国家对于保护森林资源的态度日益明朗，对森林采取限伐、禁伐措施的力度也一再加大。今后几年我国的木材商品性采伐将降到极低的水平，板材生产行业受到巨大挑战，原材料供应成为企业发展的瓶颈，寻求新型材料代替天然木材研制板材成为板材生产行业求生存、求发展的出路之一。园林废弃物经过粗加工处理，还可被压制成板材，但是因园林废弃物粉碎颗粒材质疏松，造成板材承压力差，其使用范围和消费者接受度都遭到一定挑战。
3.4　生产饲料
草坪比较集中、面积较大的区域，可以把草坪修剪物统一收集、运输，可以晒干制成青干草，或者经过加工制成草粉或饲料。但是作为动物饲料，又因植物叶子含有单宁类物质而常引起动物拒食现象，并且青园林废弃物和枯黄园林废弃物蛋白质含量较低，缺乏维生素，因而生物学利用率较差，不宜作为饲料等直接利用。
4　园林 废弃物生产乙醇技术
由于全球能源危机的加剧，许多国家致力于开发和利用可再生能源，生物质乙醇和生物质能源以其清洁性和广泛性得到人们的特别关注。自然界中的麦糠、秸秆、谷壳、杂草及工业废纸、木屑等纤维素作为生物质能除少量用于造纸外并未被充分利用。据统计，木质纤维素每年总产量约占所有生物资源的50%，合100×～500×t。利用杂草、木屑等园林废弃物发酵生产燃料酒精的工艺路线如图1所示。

图1　发酵生产燃料酒精的工艺路线图
如图1所示，将杂草等与1%的稀硫酸按一定比例混合(固液比为1∶10)，121℃下蒸煮120min，趁热过滤，并用4倍园林废弃物重量的热水冲洗，由于滤液中含有一定的硫酸，将滤液重新泵打回蒸煮锅中，滤渣进入固态发酵罐(控制滤渣中残存的酸度为pH4.8左右)。在连续操作中，该系统启动时添加1%的稀硫酸，一旦连续操作系统正常运行，蒸煮过程就可以通过补加少量浓硫酸来控制蒸煮过程中料液的酸度。
4.1　液态发酵及蒸馏
当滤液中的还原糖浓度达到5%时，滤液部分打入蒸煮锅中，而部分打入发酵罐中，用氨水或碳酸氢铵中和发酵罐中的硫酸，冷却。由于稀硫酸预处理园林废弃物的水解液中的还原糖主要为木糖，所以在发酵罐中接入已活化的能发酵戊糖产酒精的管囊酵母SQY-1，采用80r/min的搅拌速度进行发酵，发酵周期为48h。发酵完毕，发酵醪液进入粗馏塔进行蒸馏，可得到50%(v/v)左右的酒精。管囊酵母是一种“限氧”发酵酵母，一定的供氧可以保证发酵过程的顺利进行，较低的搅拌速度既实现了发酵过程中氧的供应，又避免了由溶氧过多而导致乙醇被氧化成乙酸。
4.2　固态发酵及蒸馏
固态发酵(solid-state fermentation，SSF)是指微生物将没有游离水存在的生物原材料进行转化的过程，传统的液体深层发酵(submerged fermentation)是利用原料的稀溶液或悬浊液进行发酵。在SSF过程中，在固体基质的表面经常有一薄层水分，在预处理木质纤维素的SSF过程中，水分与固体基质的重量比一般介于4∶1到6∶1。SSF与液态发酵相比，其优点有：发酵容器体积减小；灭菌的耗能成本降低；固体基质更易于通风；由废水处理而花费的资金或操作费用基本消除；产物收集和饲料干燥费用降低；对细菌而言，SSF不利于它的生长，这就降低了细菌污染的危险。将固态发酵罐中的滤渣按25IFPU/g干物质加入纤维素酶，同时接入已经活化的耐高温酿酒酵母SQY-2，搅拌均匀后进行固态静止发酵，在固态发酵过程中，采取气提法保温及控制发酵过程中的溶氧与热量散失。采取气提不但可以对发酵过程进行准确控制，发酵生成的酒精一部分可以随气提带出发酵罐，以减弱代谢产物对酵母的毒害作用。同时还可以回收发酵过程中产生的大量，从而有效地提高酒精厂的经济效益。固态发酵一般采用间歇发酵，发酵周期为60h，发酵完毕，进行固态蒸馏，得到50%(v/v)左右的酒精。
4.3　精馏
将液态蒸馏与固态蒸馏出的酒精进行精馏，得到95%(v/v)的酒精，所得的酒精就可以用作燃料，缓解目前的能源危机。由于酒精的生产原料为纤维素，不符合国标有关食用酒精标准，所以生产出来酒精一般用来直接作为燃料或添加到汽油中制成“汽油醇”。
4.4　单细胞蛋白(SCP)的生产
由于液态蒸馏废液中含有大量的NH4+，可以用它来生产饲料SCP，将液态蒸馏废液与固态蒸馏废渣混合均匀，接入产朊假丝酵母，进行发酵生产SCP，这样，既解决了环境污染问题，又实现了农业废弃物的综合利用。
5　园林植物废弃物循环利用的效益分析
5.1　生态效益
新能源可以有两类定义，狭义的新能源包括风能、太阳能、潮汐能、地热能、生物燃料等以前没有广泛利用的能源。而作为一种新的生物燃料，园林废弃物生产乙醇不仅是新的能源发展模式，更是一种清洁的生物燃料。
大气中的NOx来源主要有两个方面：自然的和人为的。人类活动所产生的氮氧化物，每年全球多于5×。据估计，其中55.5%来自交通运输，39.5%来自固定燃烧源，3.7%来自工业过程，1.3%来自其他过程。大气中的SOx来源中主要是人为源，2000年时为1×t，煤炭和油品燃烧排放占80.5%左右。前者是造成大气光化学污染的主要原因，后者是造成酸雨的主要原因。可以通过假设来计算煤和燃油释放的硫氧化物和氮氧化物。燃油中硫元素1.0%，氮0.5%，1t秸秆按照14%产率产乙醇，则得到0.14t乙醇。若生产2 000×乙醇(按热值只相当于1 600×汽油)，则燃油中硫元素少排放了1.12kg，氮元素少排放了0.56kg。即减少了0.86的二氧化硫，0.98的二氧化氮。
因此，利用园林废弃物发酵产生乙醇更能有效地解决环保问题，这主要体现在：乙醇燃料是一类含氧量高的环保型的新型石油替代燃料，乙醇燃料单独使用需要修改发动机，但少量乙醇掺入汽油中燃烧，不需要对发动机进行改动就能使用，乙醇燃料可以减少尾气中污染物的排放，特别是二氧化硫等硫化物的排放，有效地改善环境质量，而且是一种可再生资源。园林废弃物生产乙醇，既达到减轻废物占地处理问题的目的，又产出清洁燃料，利于环境保护。
5.2　社会效益
发展新能源可以减少对化石能源的依赖，一定程度上缓解我国的能源危机和粮食危机。目前的主流燃料——石油、煤、天然气等不但资源数量日益减少，而且所造成的环境污染日趋严重。石油、天然气和煤等化石能源都是不可再生资源，美国能源部和世界能源理事会作出的一项预测表明，地球化石能源的可开采期限分别为石油39年、天然气60年、煤211年。目前石油的需求量大约是每天8千万桶到9千万桶(7桶约相当于1吨)，即需求量的波动是正负10%。每桶从最高近150美元到最低20多美元，石油的价格波动已经危及各国的经济稳定，同时也对各国的社会稳定造成了非常严重的影响。
我国的能源结构是相对富煤贫气少油，1993年开始，我国已经由石油出口国转变为了石油进口国。我国很多进口石油要通过马六甲海峡运输，一旦出现特殊情况，就会对我国的能源安全造成威胁。研究和开发新型清洁能源已经势在必行。我国新的能源中长期规划纲要中提出：要尽快调整优化能源结构，拓展醇类等替代能源的清洁高效开发利用。
发展新能源可以通过用纤维素和半纤维素为原料来制造生物燃料，这样可以腾出更多的耕地来种粮食，以应付粮食危机。美国、巴西对生物燃料的发展下了很大的力量， 美国用玉米做乙醇，巴西用甘蔗做乙醇，这是第一代生物燃料技术。但我国不可以那样做，因为我国有13亿多人口，要保证我国的粮食产量要达到人均约400kg的水平，就要保证有足够的耕地面积。我国和一些国家正在研究用纤维素和半纤维素来制造乙醇。我国也有专家提出用甜高粱秆来制造乙醇，也就是传统的秸秆生产乙醇技术。但是秸秆技术自身存在一定的限制，那就是产量的限制，一旦当年农作物产量不佳，那么秸秆的储存量便相应减少，秸秆生产燃料的产量也会相应减少，不具有普遍适用性和可行性。
5.3　经济效益
与传统的燃料乙醇生产工艺相比，以生物质(园林废弃物)纤维为原料来生产燃料乙醇，从经济学的角度来看，这是融清洁生产、资源综合利用、生态设计和可持续消费为一体的“促进人与自然的协调与和谐”的“低开采、高利用、低排放”的新型工艺，它实现了“经济活动对自然环境的影响减少到尽可能小的程度”的目的，是经济循环性很强的生产活动。具体表现在：(1)减量化。本生产活动从源头上采用园林废弃物，与传统工艺的粮食淀粉相比减少了资源的投入，而废弃物的合理利用减少了废物的排放。(2)再利用。本生产活动生产过程中无需采用耐强酸、强碱的设备，减少了一次性污染；产品燃料乙醇是可以很好再利用的清洁能源。(3)再循环。本生产活动结束后，主产品燃料乙醇在利用过程中不会对环境造成任何污染；生产废水可以通过环境友好处理达标排放，同时还可以产生沼气等再生能源；废渣可以成为高蛋白饲料被高效利用；等废气可以作为化工或饮料的重要原料。
以北京市为例。据调查统计，北京市除了街道及大型公园产生枯枝园林废弃物外，花卉种植基地、绿化隔离带和大型社区也产生大量的园林绿化废弃物。参照表1，北京市2005年年产园林绿化废弃物约195×，2006年约204×，2007年约236×，这说明园林废弃物的排放量是逐年增多的。

仅行道树而言，目前北京市的“三道绿色屏障”、“五河十路绿化带”、“市区绿化隔离带”等绿化带正为北京市城市生态环境的改善做出巨大的贡献。然而，北京市绿化树种多为本地生园林废弃物乔木，如国槐(Sophora japonica)、白蜡(Fraxinus chinensis)、毛白杨(Populus tomentosa)、银杏(Ginkgo biloba)、栾树(Koelreuteria paniculata)等，每年可产生大量园林废弃物。传统的废弃物处置方式主要是填埋和焚烧，这不仅造成了环境的污染，也带来了资源的浪费，绿化养护单位还必须为运输和焚烧投入大量资金。利用园林废弃物生产乙醇技术把这些废弃物转化为可以利用的清洁燃料，不但可以减少填埋场的面积，减少病原菌的繁殖场所，同时也解决了园林植物废弃物的处置问题，降低了城市绿化维护成本。总之，生物质(秸秆)纤维燃料乙醇生产是符合循环经济的运行法则的，是对国家、企业和个人都负责的环境、经济双盈利的生产活动。
6　小结
园林废弃物循环利用是实现园林绿化科学发展的方向，是实现园林垃圾零排放和资源再利用的有效途径，是与可持续发展协调统一的。采用园林废弃物生产乙醇这一新技术，可以实现生态效益、社会效益和经济效益的有效统一，因此应在新能源开发和利用中进行反复实验的广泛推广，并使之向市场化运行的方向发展，以更好解决园林废弃物循环利用中存在的问题，加快推进园林废弃物的循环利用，促进新能源的开发和低碳经济的发展。
文献引用：李智.浅谈新能源发展模式：园林废弃物生产乙醇技术[J].生态经济，2011(11)：161～165.
本技术实验由北京林业大学环境学院2007级本科生张延君主持，经实验证明，该技术有效可行。