劉 陽,靳晨生,張海亞,張新波*,張玉盼(.天津城建大學環(huán)境與市政工程學院,基礎設施防護和環(huán)境綠色生物科技國際聯(lián)合研究中心,天津 300384;.中國環(huán)境科學研究院水生態(tài)環(huán)境研究所,北京 5080)
自工業(yè)革命以來,人類活動對化石燃料依賴程度日益增加,而化石燃料的大規(guī)模使用,導致以CO2為代表的溫室氣體(GHG)排放量急劇增加[1],造成了一系列的環(huán)境問題,最為顯著的表現(xiàn)是全球性大氣溫度的上升[2].全球性氣候變暖,引發(fā)了諸如干旱、洪災、海平面上升等極端的自然災害,引起了政府、工業(yè)界、學術界的廣泛關注.2015年《巴黎協(xié)定》[3]提出要將全球平均升溫控制在較工業(yè)化前水平2℃以內,并為升溫溫度控制在1.5℃以內而努力.世界各國為此制定了多類型的碳減排政策,并構建相應的碳減排體系.目前,碳減排體系建設主要集中在低碳終端用能優(yōu)化[4]和零碳電力結構調整[5]等方面.值得注意的是,除了大幅度減少碳排放量,負排放技術同樣不可或缺[6-8],這也是雙碳目標實現(xiàn)的關鍵之一,生物炭固碳封存作為一種利用土壤碳匯實現(xiàn)負排放的技術[9-10],由于其不以能源為導向,以碳的使用為技術主路線,在生物炭制備-利用過程中呈現(xiàn)出了典型的負碳排放特征[11],在固廢資源化與碳減排方面具有重要的學術研究價值與實際應用前景.
限氧熱解得到的秸稈生物炭作為一種富碳材料[12],由于其在無氧狀態(tài)下進行生物質原料的低溫(小于700℃)熱解,減少了能量向熱量的轉化,避免了碳逃逸[13],實現(xiàn)了一定量的碳固定.同時在秸稈生物炭制備的過程中,產生的副產物(生物油和熱解氣)可作為高品質的能源,減少整體工藝中的能耗.結合農業(yè)應用,將生物炭施用于土壤后,秸稈生物炭的較大比表面積和石墨烯結構等可以有效改善土壤的通透性和水分的保持能力[12].并且,氮肥與生物炭配施可以提高作物對氮素需求與土壤氮素有效性的時間同步性,既可以調節(jié)氮素的利用,也減少氮素的流失率,進而緩解N2O 的釋放,減少對環(huán)境的負面影響[14].另外,秸稈生物炭在無氧低溫熱解后,本身含有較高的無機碳(SIC)[15-16],無機碳量的增加可以改變土壤中碳組分,也就是生物炭的加入可以降低有機碳(SOC)的礦化率[17],減弱土壤與大氣環(huán)境的交互作用.總體上,秸稈生物炭除自身固碳外,還可以發(fā)揮土壤碳庫儲存碳的能力[18-19],減少土壤向大氣中N2O 的排放量.
有研究表明,以田間秸稈作為生物炭制備的原料來代替露天焚燒的處置方式具有更高的碳減排效益[20],生物炭獨特的負碳排放效應已被關注.但是,秸稈生物炭在生產、利用和廢棄等生命周期過程中所消耗的能源也會對碳減排產生不利影響;并且,生物炭長期的施用土壤,可能會對施加的環(huán)境造成未知危害.因此,需要識別和量化整個生命周期的碳排放和對環(huán)境的危害潛勢.本研究基于生命周期評價(LCA)的基本方法,分析了生物炭制備、應用及廢棄的全生命周期過程,通過收集公開發(fā)表的資料確定清單數(shù)據庫,建立了從原材料生產制備到廢棄階段CO2排放的模型;通過評價系統(tǒng)中100年尺度下的全球變暖潛勢(GWP100)對生物炭系統(tǒng)各個過程的碳釋放和碳封存進行具體描述;借助GaBi 軟件量化了其非生物耗竭潛勢(ADP)、酸化潛勢(AP)、富營養(yǎng)化潛勢(EP)、人體毒性潛勢(HTP)、光化學氧化潛勢(POCP)和臭氧層耗竭潛勢(ODP)等多種環(huán)境影響類別,對生物炭的環(huán)境效應進行了探討與分析.本研究旨在探明生物炭在固碳封存過程中的固碳潛力和在實施過程中所產生的環(huán)境影響,為生物炭在固碳減排與資源化利用上提供一定的科學依據與參考.
本研究以田間廢棄的小麥秸稈制備生物炭,在實驗室中通過慢速熱解法制備生物炭,準確獲得生物炭的產率、含碳率等指標,以進行體系的評估.具體來講,從田間收集的小麥秸稈(來自天津市東麗區(qū)),首先用去離子水清洗掉角殼和雜質,經過烘干、粉碎后,測定小麥秸稈的含水率為3.07%.在管式爐中以5 ℃/min的升溫速度升溫至500℃,進行限氧慢速熱解,最終得到生物質殘體的秸稈生物炭,生物炭產率為35.76%.取上述生物炭在750℃灼燒恒重后,獲得生物炭的灰分為47.00%;然后,繼續(xù)在950℃灼燒恒重后,獲得生物炭的揮發(fā)份為18.00%;根據灰分、揮發(fā)份和含碳率關系[21],計算得到生物炭固碳率為35.00%.
本研究目標是評估慢速熱解的秸稈生物炭在生產制備和田間施用過程中的環(huán)境行為潛勢及相關的碳效益.系統(tǒng)邊界圖如1所示,界定范圍從原料田間秸稈的收集開始到生物炭施用于田間結束,其中包括秸稈的收集與轉運、熱解場所的建造與運維、生物質殘體的熱解、生物炭的轉運和生物炭田間施用等過程,據此核算固碳潛力和環(huán)境危害潛勢.
在邊界范圍內,生物炭在收集、轉運的過程中,評估應考慮運輸設施的能源消耗,其主要為化石能源的輸入和燃燒化石能源后的溫室氣體輸出.生物炭在制備過程中,評估應考慮原料干燥、熱解過程的電能消耗以及冷凝設施的水資源消耗;另外,將熱解廠的建造及熱解系統(tǒng)運維所產生的環(huán)境影響放到此生命周期階段.生物炭在田間施用過程中,其被用作農田的土壤改良劑,評估中應考慮作物產量的增加量、肥料施用的減少量、土壤N2O 排放及有機碳含量的減少值等多種環(huán)境效益.在抵消能源消耗中,將熱解產生的生物油和生物氣用于抵消燃煤發(fā)電,輸入到整個生物炭應用階段.因此,系統(tǒng)輸入主要有燃煤電力、柴油、建筑材料、自來水等;系統(tǒng)輸出主要有生物炭、可再生能源電力及溫室氣體等.本研究生命周期建模是在 GaBi 軟件(http://www.gabisoftware.com/china/index/)中實現(xiàn),建立秸稈收集、秸稈轉運、生物炭制備、生物炭田間施用和抵消燃煤發(fā)電6 個數(shù)據流程模塊,將各個輸入、輸出的數(shù)據進行界定(圖1),并將數(shù)據進程鏈接到數(shù)據模塊上,基礎數(shù)據采用DATABASE2020.
圖1 系統(tǒng)邊界圖Fig.1 System boundary diagram
在系統(tǒng)邊界內的所有物質和能量數(shù)據均基于一個功能單位(1t 秸稈生物炭)進行收集,收集數(shù)據的時間單位為1年.清單數(shù)據主要來自國內外文獻,一般選取典型值或平均值,常見的能源消耗值,根據燃料的熱值和利用率進行合理推算.
根據上述系統(tǒng)邊界,對秸稈生物質原料收集、轉運和生物炭制備、運輸以及應用過程中的生命周期清單數(shù)據進行收集、分析和選取,如表1所示,各個環(huán)節(jié)的數(shù)據分析與處理如下.
表1 基于1 功能單位生物炭的生命周期清單Table 1 Life cycle inventory based on 1t of biochar
1.4.1 生物質收集 在進行生物質殘體制備生物炭材料時,首先需要在田間進行農作物殘體的收集.在小麥秸稈收儲運的計算分析中,有研究報道在田間收集并打捆1t 秸稈的能耗約為351~588MJ[22],由于秸稈是我國典型的農業(yè)生物質殘體,本研究中田間收集秸稈的能耗取用平均值469.5MJ,也就是1t秸稈田間運輸消耗9.70kW·h[23].根據秸稈原料與生物炭的轉化產率,1 功能單位的生物炭在生物質收集階段的能耗為392.34kW·h.
1.4.2 生物質轉運 運輸過程的主要物質投入為運輸車輛消耗的柴油.根據農業(yè)部門的相關資料表明,農用卡車運輸油耗率為0.06L/(t·km)[24],設置熱解場所距田間20km,計算得到秸稈到熱解廠的油耗為1.2L/t.根據柴油的平均密度和功能單位,轉運秸稈的總油耗為0.96kg/t.同時,在進行秸稈運輸?shù)倪^程會不可避免地造成收集所得原料質量的損失,本研究中將秸稈的質量損失率設定為1.00%.
1.4.3 慢速熱解 生物炭的制備是對秸稈進行慢速熱解,此過程需考慮熱解廠的建設和熱解設備的安裝等,如果長期運行還要考慮熱解系統(tǒng)運維所需的物質和能源的投入.本研究以處理規(guī)模為生物炭1000t/a 的熱解工廠的建設和運維進行評估分析,運行時間為20年,占地面積10000m2.依據 Yang 等[25]對中國生物質熱解工廠建設和運維的評估分析數(shù)據,在本生命周期清單中,基于建設和運維1000t/a 生物炭的規(guī)模下,生產1t 秸稈生物炭需要23.62kg 的磚,0.0072m3混凝土及1.07kg 的鋼.在熱解和冷凝過程中,每年 1t 田間秸稈生物質原料還需投入205.47kW·h 的電能和272040kg 的自來水[26].
生物質經5℃ /min慢速升溫到500℃,限氧熱解后會產生生物炭、生物油及生物熱解氣3 種產物.通過本研究生物炭制備實驗,得到3 種生物質產品的平均產率分別為生物炭35.76%,生物油29.17%,生物熱解氣35.07%.
1.4.4 生物炭轉運 生物炭運輸過程類似于秸稈的轉運過程,主要物質投入為運輸車輛消耗的柴油.裝卸與運輸過程也會不可避免地造成收集所得原料質量的損失,將此過程質量損失率設定為 1.00%.
1.4.5 抵消燃煤發(fā)電 秸稈在制備生物炭的過程中,生物裂解油和生物熱解氣作為其副產物可用于電力生產,抵消運輸和熱解過程中部分能源消耗.依據Baloch 等[27]、Laird 等[28]的生物油和熱解氣的相關研究結果,本研究選用兩者的熱值分別為17.5 和6MJ/kg.在目前文獻報道中,生物油和熱解氣的發(fā)電效率為26%~35%[29],因此本研究將生物油和熱解氣的電力轉化率設定為30%.
1.4.6 生物炭田間施用 秸稈生物炭作為炭基肥料進行田間施用,可以減少氮磷肥料的施用量、增加肥料的利用率[30].針對肥料施用減少率的核算,依據文獻報道,本研究對肥料的施用量選取相對保守值,即生物炭的施用可使氮磷化肥的使用減少20.00%[31].并且,在田間施加生物炭后,實驗室和現(xiàn)場試驗的研究結果均表明,生物炭可促使土壤N2O的排放量降低約54.00%[14].Bonilla 等[32]研究了降雨梯度對作物N2O 排放率影響,在生長季的秸稈類農田中,N2O 平均排放率為0.71~0.82kg/(hm2·a).本研究考慮到北方地區(qū)的秸稈類農田,生長季的降雨量較少,選取N2O 排放率為0.71kg/(hm2·a).根據對我國秸稈資源利用的研究,同時考慮我國北方的農業(yè)現(xiàn)狀,施加生物炭的增產量取0.73t/hm2,1t 生物炭可增加還田面積大約為250hm2[33].針對土壤SOC 礦化率減少的研究,Zhang 等[34]報道了在15~35℃的環(huán)境,施用生物炭與氮相互作用,能夠減少土壤SOC 礦化率10.20%~22.00%和6.85%~30.4%.本研究中選取相對保守值,即生物炭能夠減少15.00%的SOC礦化率.依據楊秋爽等[26]對我國華北地區(qū)農田中SOC 的平均儲量統(tǒng)計,本研究中設定土壤中的SOC 初始值為42t/hm2(在0~30cm 的土壤表層).在進行評估核算時,采用生物炭的施用比例為50t/hm2[35],實驗土壤面積設定為1000hm2.
秸稈生物炭系統(tǒng)的固碳潛力計算依據上述生命周期清單提供的相關設定值,通過評價系統(tǒng)100年尺度下的全球變暖潛勢(GWP100)對生物炭系統(tǒng)各個過程的碳釋放和碳封存進行具體描述.生物質收集、生物質轉運、慢速熱解、生物炭轉運等生命過程只需考慮相關原材料和能源的輸入,而在抵消燃煤發(fā)電和田間施用這兩個生命階段,還需要考慮相關碳產品產生的固碳效益.具體來講,在抵消燃煤發(fā)電環(huán)節(jié),需要對生物油和熱解氣的電力轉化量進行碳減排量核算;在田間施用環(huán)節(jié),需要對生物炭在促進農作物增產的可固碳量和對N2O 的釋放抑制等方面進行碳減排量核算.因此,本研究從生物炭自身的土壤封存量、作物的固碳量、N2O 抑制排放量進行了固碳潛力評估,如公式1~5所示.
式中:Eo/g是生物油/熱解氣轉化的電力,kW·h;Mo/g是為生物油/熱解氣質量,kg;CVo/g是為生物油/熱解氣熱值,MJ/kg;CEo/g是為生物油/熱解氣電力轉化效率,%.
式中:Ccs是土壤碳封存,kgCO2e;Mb是生物炭質量,kg;Cb是生物炭碳含量,%;Csc是生物炭穩(wěn)定碳含量,%;3.67 是C-CO2轉化系數(shù).
式中:Cci是作物產量增加帶來的碳封存,kgCO2e;rb是生物炭施用比例,t·hm2;yc是農作物增產量,t/hm2;Cc是作物中碳含量,%;Sc是生物炭還田面積.
式中:AJ是減少N2O 排放量,kg;Sc是作物種植面積,hm2;PN是N2O 平均排放量,kg;Rj是N2O 排放量降低率,%.
式中:RSOC是減少SOC 礦化帶來的碳封存,kgCO2e;R是土壤SOC 平均儲量,t/hm2;rSOC是SOC 礦化減少率,%.
秸稈生物炭系統(tǒng)的環(huán)境危害潛勢估算同樣依據上述生命周期清單提供的相關設定值,對生物炭系統(tǒng)各個生命階段的環(huán)境危害程度進行具體描述.生物質收集、生物質轉運、慢速熱解、生物炭轉運、抵消燃煤發(fā)電等生命過程的環(huán)境影響按照GaBi 軟件設定的流程進行,即主要考慮相關原材料使用和能源消耗對環(huán)境造成的壓力,本研究選取ADP、EP、HTP、ODP、AP 和POCP 這6 種主要環(huán)境影響指標來進行評估.此外,在田間施用環(huán)節(jié),需要考慮生物炭與化肥共同施用所減少的化肥量所產生的環(huán)境影響,如公式6所示.
式中:AN是減少的氮肥質量,kg;Af,N是田地氮肥施用量,kg;Sc是作物種植面積,hm2;RN是氮肥施用減少率,%.
為了識別生物炭系統(tǒng)中的關鍵參數(shù),更好地指導生物炭的應用實踐,對 LCA 結果進行了敏感性分析(表2).在各個評價指標中,選取GWP100,ADP和HTP 三個重要指標分別代表系統(tǒng)在固碳潛力和環(huán)境危害的影響.根據系統(tǒng)每個參數(shù)變化的靈敏度系數(shù)來確定系統(tǒng)中的關鍵參數(shù),各個參數(shù)值浮動值設定為±20%,當對某一參數(shù)進行敏感性分析時,僅在LCA 模型中更改該參數(shù)的值,而其他參數(shù)保持不變,如公式7所示.另外,本研究中生物炭產率和碳含率是通過實驗獲得的固定值,因此沒有進行敏感性分析.
表2 敏感性過程參數(shù)Table 2 Sensitivity process parameters
式中:SCEI是參數(shù)對環(huán)境影響值(GWP100/ADP/HTP)的靈敏度系數(shù),%;EI-20%是參數(shù)值減少20%時獲得的環(huán)境影響值(GWP100/ADP/HTP)kg CO2e/kg Sbe/kg DCBe;EI+20%是參數(shù)值增加20%時獲得的環(huán)境影響值(GWP100/ADP/HTP),kg CO2e/kg Sbe/kg DCBe;EIbase是參數(shù)為基準值時獲得的環(huán)境影響值(GWP100/ADP/HTP),kg CO2e/kg Sbe/kg DCBe.
本研究生物炭系統(tǒng)的固碳減排潛力通過評價系統(tǒng)中的GWP100 系數(shù)來評估,固碳潛力評估針對于1 功能單位的生物炭進行評估,LCA 模型計算結果如表3所示.當前能源結構仍以化石燃料為主[36],因此需要將化石燃料的輸入換算為CO2的輸出.
表3 生物炭生命周期固碳潛力分析指數(shù)Table 3 Biochar life cycle carbon sequestration potential analysis index
在進行固碳減排潛力測算時,由于生物質收集、轉運過程和生物炭轉運過程均是依靠農業(yè)機械進行轉運或運輸,消耗了柴油、汽油等燃料,因此將這三個生命周期階段一起進行固碳效益統(tǒng)計分析.根據LCA 模型計算結果可知,秸稈殘體在田間進行收儲所消耗的能源產生了141.97kgCO2e的碳排放量,秸稈殘體和生物炭的轉運過程產生了 25.59 和9.14kgCO2e的碳排放量.
在慢速熱解制備生物炭過程中,熱解廠建設、熱解和冷凝等過程的能源和資源消耗,共計產生了128.75kgCO2e的碳排放量.對于慢速熱解產生的生物油和熱解氣,可抵消燃煤發(fā)電所需的化石燃料,如前文所述,本研究將生物油和生物熱解氣的電力轉化率設定為30%,大約獲得了1682.08kW?h 發(fā)電量.因此,慢速熱解制備生物炭階段共實現(xiàn)了97.78kgCO2e的碳固定.隨著生物油和熱解氣高效利用研究的深入,更高品質的燃料在不斷被開發(fā),電力轉化效率將會進一步得到提高[37-38],其固碳效益也將會更加顯著.
在生物炭田間施用播撒過程中,將生物炭與其他土壤添加劑摻入土壤里,除了自身的固碳作用外,還可以有效改善土壤的性質,在促進農作物增產、減少化肥施用、抑制N2O 釋放等方面具有間接的固碳效益[39].根據LCA 模型的計算結果可知,土壤固定的碳封存量為655.10kg CO2e,農作物產量增加可實現(xiàn)固碳量為4420.52kgCO2e,減少SOC 帶來的碳封存量為462.42kgCO2e,共計實現(xiàn)固碳量為5.53×103kgCO2e;N2O減排量為0.383kg,根據N2O-CO2的轉換關系[40],間接實現(xiàn)了114.25kgCO2e的碳減排.在此生命周期過程,減去施用生物炭的能源消耗(49.51kW·h)造成的碳排放量,田間施用生命周期過程實現(xiàn)了5.58×103kgCO2e的碳固定.
基于上述分析可知,生物炭系統(tǒng)的全生命周期階段,可以實現(xiàn)5.50×103kgCO2e的碳減排量.其中,對碳減排量貢獻最大生命周期階段是田間施用過程(5.58×103kgCO2e固定量)和抵消燃煤發(fā)電過程(226.53kgCO2e固定量).而生物炭制備的慢速熱解是最大的碳排放過程(128.75kgCO2e排放量)和生物質收集過程(141.97kgCO2e碳排放量),碳排放量主要來自熱解工廠的建設和運維.由于生物炭系統(tǒng)減少了碳排放量,全球氣候變化也出現(xiàn)了緩解的現(xiàn)象.
生物炭系統(tǒng)的環(huán)境影響評估是通過生物炭對環(huán)境的危害潛勢來體現(xiàn).由表4 可知,秸稈殘體生物炭系統(tǒng)能夠較好地緩解ADP 和EP,分別減少了5.15×10-5kgSbe和5.35×10-3kgPO43-e.分析認為,具有較大比表面積和多種微量元素的生物炭與化肥共同施用于田間后,改善了土壤性質,可以有效減少氮肥的施用量[41].經清單分析,1 功能單位生物炭可減少1092.4kg 的氮肥施用量,顯著降低了非生物資源的耗費.并且,土壤中化肥施用量的減少,相當于降低了土壤養(yǎng)分流失導致水體富營養(yǎng)化的環(huán)境風險.
表4 生命周期各個環(huán)節(jié)的污染指標Table 4 Pollution indicators for each life cycle segment
值得注意的是,在增加人體毒性潛勢環(huán)境指標上,根據LCA 計算結果,生物炭系統(tǒng)增加了2.01kg DCBe,田間施用過程對此類環(huán)境指標影響貢獻最大.分析認為,在生物炭田間施用后,生物炭隨著地表徑流、灌溉和降雨等作用進入土壤、水環(huán)境中.生物炭熱解過程中產生的持久性自由基(PFRs)會刺激細胞產生活性氧(ROS)[42],ROS 在細胞內的過度積累,影響細胞的代謝甚至造成細胞的凋零死亡[43].此外,生物炭作為一種粒徑較小的材料,其生態(tài)足跡難以預測[44],一旦進入生物體內,易于細胞表面聚集粘附或調節(jié)細胞內的氧化應激[45],產生生物毒性.與此同時,在生物炭運輸和制備過程中消耗的能源,所產生的溫室氣體對環(huán)境的侵害也對該類指標增加起到了一定作用.生物炭系統(tǒng)對ODP(8.28×10-14kg R11e)、AP(0.0576kgSO2e)和POCP(7.38kgC2H4e)也產生了負面環(huán)境效益,主要由于生物炭在制備過程中的能源消耗(燃煤發(fā)電)所導致,盡管負面影響有限,但在生物炭制備方式上應給予一定關注.
本研究中生物炭產率和碳含量是通過實驗獲得的固定值,因此沒有進行敏感性分析.通過對生命周期階段中其他主要參數(shù)進行敏感性分析計算后,發(fā)現(xiàn)對GWP100 敏感性最大的過程參數(shù)是生物油、熱解氣的電力轉換效率,轉化率從24%增加36%時,GWP100SCEI敏感性系數(shù)達到了42.8%,其次是熱解過程的能源投入,GWP100SCEI敏感性系數(shù)達到了42.6%,田間生物炭的施用比例也對系統(tǒng)固碳潛力產生了一定影響(GWP100SCEI=0.4%),而生物質收集、轉運和生物炭轉運過程,由于耗能在系統(tǒng)中占比較小,主要參數(shù)調整不會影響GWP100 的變化.對ADP和HTP 敏感性最高的過程參數(shù)是熱解過程的能源投入,當系數(shù)從-20%到+20%變化時,其分別增長了53.6%和22.7%.
本研究僅是針對秸稈生物炭制備和以土壤施用為應用場景進行的碳減排和環(huán)境影響的量化研究與探討,不同生物質原料制備的生物炭和應用場景所具有的固碳潛力和環(huán)境效應也會有所不同.隨著污泥、餐廚垃圾等多類型生物炭研究的深入開展,以及其作為吸附劑、催化劑、建筑材料等應用場景的拓展,未來的研究中需要建立更加完善的LCA 評估模型.并且,大數(shù)據和人工智能的發(fā)展將會進一步提高固碳潛力和環(huán)境影響量化與評估的準確性和適用性.
3.1 生物炭以自身實現(xiàn)生物性碳封存的獨特固碳方式,展現(xiàn)出了較大的固碳潛力和應用前景.根據LCA 測算和分析,每年1 功能單位的秸稈生物炭系統(tǒng)可以實5.50×103kgCO2e的碳減排.在整個生命周期中,抵消燃煤發(fā)電過程和生物炭田間施用過程是最主要的固碳環(huán)節(jié),慢速熱解制備生物炭是系統(tǒng)中最大的排碳環(huán)節(jié),其次為生物質的收集及運輸過程,生物炭的田間施用碳排放量較小.
3.2 在環(huán)境影響的危害潛勢方面,秸稈生物炭系統(tǒng)能夠較好地緩解了ADP 和EP,對ODP、AP、POCP和HTP 產生了較小的負面影響.基于此,在生物炭的資源化與碳減排的研究,生物炭的生態(tài)足跡應給予關注,這將有利于明確生物炭所造成的多類型環(huán)境影響潛勢.