利用草本生物质转化天然气：环境保护与经济效益双赢
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过去几十年来，美国爱荷华州的草原和湿地面积显著减少，这主要是因为这些土地被转化为农田用于玉米和大豆的种植。土地利用变化和农业实践（如化肥使用）会导致温室气体排放增加。而玉米和大豆种植对化肥、农药和机械设备的高要求使得温室气体排放量进一步增加。
为了应对气候变暖等环境问题恶化的情况，爱荷华州的小城——艾姆斯市（Ames）就战略性地在玉米和大豆田中种植多年生草本植物来帮助解决种植经济作物带来的意外环境后果，包括应对土壤侵蚀、肥料流失和温室气体排放等问题。
但是这种做法必然会导致农作物的产量下降，因此将部分农田改回草原必须对农民具有经济意义，这就是为什么由爱荷华州立大学景观生态学家丽莎·舒尔特·摩尔（Lisa Schulte Moore）领导的一个研究小组在过去六年中一直在研究如何有效地将收获的草转化为有利可图的可再生天然气，以此来实现当地环境保护和农民经济收入的双赢。研究小组最近发表的两篇同行评审文章从不同的角度模拟了草改气技术的经济可行性，这些分析有助于充实该系统的双赢潜力。
图一草改气流程中使用的厌氧消化池，来源：Iowa State University
丽莎·舒尔特·摩尔在文章中表示：“恢复原生草地植被可以大大改善农业流域的生态系统服务成果，但需要有利可图的途径来激励传统作物的转化。鉴于对可再生能源的需求不断增长，利用草生物质生产生物燃料提供了一种潜在的解决方案。”
利用草本生物质转化天然气的流程较为繁琐，所以研究团队的目的就是分析该流程的经济可行性。首先，从厌氧消化池周围的圆形区域收集和切碎草生物质，然后通过卡车运输到消化器。然后将草生物质与水混合并泵入沼气池中。每个消化池由一个在20-42°C下运行的连续搅拌罐式反应器（CSTR）组成。在消化池中转化的原始沼气（主要是碳氢化合物和一氧化碳），以及由沼气池生产的油气被压缩并由卡车装在气体容器中运输到中央升级设施。这些原始沼气可以通过分离一氧化碳升级为可再生天然气以及满足管道质量天然气规范的其他惰性气体。剩余的物质，如被分解成营养丰富的液体沼渣，可以作为肥料施用于农田；而富碳的固体沼渣可以作为退化土壤上的土壤改良剂。
图二草转气的工艺流程图，来源：《Techno-economic and life cycle analysis of renewable natural gas derived from anaerobic digestion of grassy biomass: A US Corn Belt watershed case study》
基本情况是，在艾姆斯，整个系统每天可以处理101吨草生物质，这相当于13.5吨/公顷基线情景下可用的总生物量，每年生产4.3亿兆焦耳的可再生天然气，同时生产液体和固体沼渣作为副产品。在基于生产力的设想中，每年环境改善的相关数值为：减少氮1 800万美元，磷减少140万美元，减少沉积物250万美元，土壤碳储存1 400万美元。
另一项发表在《全球变化生物学生物能源》（Global Change Biology Bioenergy）上由马克·姆巴-赖特（Mark Mba-Wright）主导的研究也模拟了利用草本生物质转化天然气工艺的经济与环境影响。根据研究人员的分析，在预期的20年使用寿命内，在最佳条件下，沼气池将产生超过4亿美元的综合利润。二十年间产生的4500万吉焦耳的可再生天然气（相当于约125亿千瓦时）的碳足迹将比化石燃料衍生的天然气低83%。预计排放量也将低于玉米基乙醇或大豆基生物柴油的排放量。该技术被证明有着环境和经济的巨大的双重潜力。
目前，关于草转气技术的研究已经获得了美国政府2065万美元的拨款，这些资金将继续用于技术的研究和扩大厌氧消化池的使用。丽莎·舒尔特·摩尔说，研究人员与爱荷华州几个城市的市政废水官员讨论了厌氧消化和草转气的问题，他们很重视这项技术的未来潜力。
“研究人员的目标是在这两项研究中尽可能务实，考虑所有已知的成本包括资本支出。但随着方法的改进和新的研究成果的涌现，它们在未来几年将更加准确。” 丽莎·舒尔特·摩尔补充道。
注：
【1】碳足迹
碳足迹（carbon footprint）是指个人、组织或活动在其生产和消费过程中产生的温室气体总量。主要的温室气体包括二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亚氮（N2O）等，通常使用CO2当量（CO2e）来统一衡量不同温室气体的影响。碳足迹的计算可以帮助评估一个个体或者组织对气候变化的贡献，促进减少温室气体排放的措施，推动可持续发展。
【2】厌氧消化池
厌氧消化池（Anaerobic digester）是一种用于处理有机废物的设施，特别是在污水处理和有机废物管理中应用广泛。它们主要用于在无氧条件下分解有机物质，产生沼气和消化后的有机残渣。厌氧消化池通过将有机废物转化为可用能源和资源，起到了环保和经济效益的双重作用。
编译：陈志浩
—— 译者系中国生物多样性保护与绿色发展基金会（CBCGDF）国际部与北京师范大学-香港浸会大学联合国际学院（BNU-HKBU UIC）全球化与发展（GAD）专业联合发起的“可持续发展人才培养计划”的学生
审核：Richard
编辑：绿叶
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（注：本文仅代表资讯，供读者参考，不代表平台观点。）
【参考资料】
1. ISU studies explore win-win potential of grass-powered energy production. (2024, Jul 26). Iowa State University. Retrieved from: https://www.news.iastate.edu/news/2024/07/26/grasstogas
2. Olafasakin, O., Audia, E. M., Mba-Wright, M., Tyndall, J. C., & Schulte, L. A. (2024). Techno-economic and life cycle analysis of renewable natural gas derived from anaerobic digestion of grassy biomass: A US Corn Belt watershed case study. https://doi.org/10.1111/gcbb.13164
3. Martin, I.M., Aui, A., Dubey, P. et al. (2024). Optimal Production and Dispatch of Renewable Natural Gas, Electricity, and Fertilizer in Municipal-Scale Anaerobic Digestion Supply Chains. Bioenerg. https://doi.org/10.1007/s12155-024-10767-y
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