人工湿地植物生物质发电利用的环境效应研究

Biofuel as a renewable energy has attracted worldwide attention. Clean biofuel production is an effective way to mitigate global climate change and energy crisis. Biofuel may offer a promising alternative to fossil fuels, but serious concerns arise about the adverse greenhouse gas consequences from using nitrogen fertilizers. Waste-nitrogen recycling is an attractive idea. Here we advocate an alternative approach that efficiently produces cellulosic biofuel using waste nitrogen through wastewater treatment with constructed wetlands in China. This project will carry on environmental effect analysis of constructed wetland as biomass power generation system through field surveys and controllable simulated experiments on the basis of previous research during doctoral studies. This project intends to evaluate net energy balance, net greenhouse effect potential and ecosystem service of constructed wetland as biomass power generation system, and make comparation with two single system (thermal power plant and straw biomass power plant). This study can provide the innovation mode in order to solve the dilemma between the energy crop competed crops on production land and excessive nitrogen fertilizer of our traditional energy plant production. In addition, the study will also contribute to the methodology of quantitative ecosystem service assessment of coupled biofuel production system.

生物质能源作为一种可再生的能源一直以来都是科学界关注的焦点，然而当前的生物质能源原料依赖氮肥供给且排放温室气体，未能达到清洁能源的要求。人工湿地废弃氮的循环利用来制造生物能源是一项颇具吸引力的方法。本项目结合博士阶段研究基础，开展对人工湿地植物生物质发电利用联合系统的环境效应研究。研究拟采取从调查、模拟可控实验到模型评估的整体路线开展，通过在长三角地区选取野外应用样地跟踪实验和可控的室外模拟人工湿地实验，分析人工湿地植物生物质发电利用系统全生命周期过程的产能效应和净温室效应潜力，定量评估人工湿地生物质发电联合系统的生态服务，并与两个单个系统(秸秆发电厂、火力发电厂)的环境影响方面的作用大小及影响潜值进行对比。本研究可以为解决我国农作物与能源植物生产争地、传统能源作物氮肥施用过多的难题提供创新模式，同时为定量化评估多个系统耦合形成的复合人工生物质能发电系统的生态服务提供方法。

近十几年来发展起来的人工湿地污水处理系统是一种模拟自然湿地生态系统中的物理、化学和生物作用而人工建造的用来专门污水处理的生态工程技术。人工湿地能够利用基质-微生物-植物这个复合生态系统的物理、化学和生物的三重协调作用，通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对废水的高效净化，同时通过营养物质和水分的生物地球化学循环，促进绿色植物的生长并使其增产，但是收割下来的植物地上部分却往往被人们抛弃。如果把这部分植物收集起来，用来制成生物质能并进行发电便可实现人工湿地系统的再资源化，同时有可能解决传统生物质发电的原料供应问题。为此，本研究开创性地提出了人工湿地-生物质能发电联合系统，即在人工湿地分布当地用热能将生物量转变为电能用于当地居民生产生活等发电，可以为同时实现能源挑战、污水处理和环境保护的可持续发展提供研究基础。在研究中，我们利用在长三角地区选取野外应用样地跟踪实验和可控的室外模拟人工湿地实验，分析人工湿地植物生物质发电利用系统全生命周期的环境效应，研究结果发现，人工湿地植物生物质发电利用系统在净能量利用效率、温室气体减排能力等方面优于玉米、大豆、柳枝稷、低输入-高多样性（LIHD）草地等传统的生物质产能系统，同时与传统的单个污水处理厂相比具有较高的生态系统服务功能。研究结果可以为我国东部农村地区污水处理和能源减排提供新的耦合技术方案，用热能将生物量转变为电能用于当地居民生产生活等发电，可以同时实现能源挑战、污水处理和环境保护。