论文研究-低碳生态能源经济循环农业系统工程典型模式及配套技术.pdf

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论文研究-低碳生态能源经济循环农业系统工程典型模式及配套技术.pdf,  面对中国当前低碳生态能源经济循环农业系统工程复杂动态系统中存在的一些关键问题,仅凭单个学科的理论方法难以解决, 在研究德邦牧业及其所在地高塘乡复杂动态生态能源经济系统发展问题中,将系统工程理论方法与其它学科理论方法交叉结合, 进行集成创新,建立了区域双充分低碳生态能源经济循环农业系统工程典型模式和全乡四责任制低碳生态能
126 系统工程理论与实践 第31卷 固定资产1()+猪头数n2()+规模养殖利润2()+固定资产n1( i)猪粪污染制约核心变量集合:{猪头数v2(1),猪粪量v1(t),猪粪NPK(氮磷钾)含量v5(t)},此变量集 合中因为猪粪NPK(氮磷钾)未开发,形成1条5(t)至n2(t)的负因果链,构成猪粪资源未开发制约负反 馈环 猪头数2()-猪粪量1(1)猪粪NPK氮裤钾)含量(1+猪头数2(1 ⅲ〕猪尿污染制约核心变量集合:{猪头数v2(t)、猪尿量v8(t)、猪尿NPK含量v(t)},同理,此变量集 合中,υ2(t)、s(t)和vg(t)构成猪尿资源未开发制约负反馈环 猪头数α2(t)—猪尿量w(t)-猪粪NPK(氮磷钾)含量v9(t)-猪头数?2() 3个反馈环由公共变量猪头数α2(t)构成系统现行发展增长制约基模. 2)建立系统现行发展的顶点赋杖图模型进行深入分析 通过对实地数据深入分析,为9个变量顶点赋值,建立原系统发展各阶段的顶点赋权图模型,定量揭示 优势和问题.依据得自德邽牧业2(05年至2009年各年所发生的实际经营数据.同时,进行德邦牧业粪便氮 磷钾含量检测.分别进行德邦牧业2005年至2009年规模养殖年利润増长正反馈和粪尿氮磷钾未开发两制 约负反馈制约的各顶点值进行计算,分别建立五个顶点赋权图6 进一步利用公式进行计算猪粪尿能源资源开发量:猪尿产沼气量(m3)=鲜猪尿量(吨)×3%(千物率)× 2573(m3/吨)(千猪粪产气量),猪粪产沼气量(m3)=鲜猪粪量(吨)×18%(干物率)x257.3(m3/吨)(干猪粪产 气量),叮得到:德邦规模养殖2005-2009年流入豬场附近的近5亩排污水塘的猪尿3154吨,猪尿叮产沼气 量为:3154吨×3%(干物率×2573(m3/吨(干猪粪产气量)=24345726(m3);德邦规模养殖2005-2009年 鲜猪粪量12666(吨),可产沼气量为:12666×18%(干物率)x2573(m3/吨)(干猪粪产气量)=586613124 进一步分析沼气的主要成分及功能.甲烷沼气的主要成分是甲烷,古55%70%左右,二氧化碳占25 40%左右.此外还有少量氢气、硫化氢、一氧化碳、氮和氨等.1m3沼气煤当量=3.1318(kg/m3);1m3沼气薪柴 当量=3.06(kg/m3).徳邦规模养殖2005-2009年猪尿可产沼气量24345.726m3)、煤当量=76245.945(kg) 薪柴当量=73183.252(kg).德邦规模养殖2005-209年猪粪可产沼气量58661.3124(m3),煤当量=183715.497 (kg),薪柴当量=176335904(kg) 由上分析,如果区域内农户仍以砍柴来解决生活能源问题,那么造成植被的破坏将是巨大的.同样,规模 养殖户如果不妥善处理每天出产的猪粪尿,对环境的污染也将是严峻的.这就急需建设沼气工程,开发生物 质能源,消除规模养殖环境污染,用新玕发的生物质能去替换原始的薪柴燃烧获取热能的方式 3)生成的农业系统工程典型模式建设的管理对策 针对增长制约顶点赋权反馈图结构,根据现代管理大师 Senge博上提出的针对增长上限基模的管理方 针,团队经反复研究和思考,提出消除两条负反馈制约的两大管理对策 管理对策1养殖场以猪尿资源为原料充分开发沼气能源,结合周边养种循环充分开发沼液资源,创建 区域双充分低碳生态能源经济循环农业系统工程典型模式炇配套技术. 管理对策2以养殖场猪粪资溟为原料,仝乡实行以农户为中心的凹目标责任制,促进全乡户用沼气池 开发(猪粪运输方便),且各农户实施沼液种植,创建全乡四责任制低碳生态能源经济循环农业系统工程典型 模式及配套技术 2005-2009年的德邦牧业规模养殖猪粪尿顶点赋权反馈图顶点值的变化情况证明了两大对策方向的正 确性 3.2拟实施的典型模式建设管理对策的效应仿真评价 对拟实施管理对策的进行效应仿真评价首先要建立管理对策实施效应评价指标体系;其次基于评价指标 体系建立流位流率系;然后建立流率基本入树模型;再基于五个顶点赋权图顶点值及德邦规模养殖规划(十 二五期间达到年出15000头,十三五期间达到年出20000头)建立仿貞方程,最后通过定量模型仿貞对策未 来实施的效应。由于篇幅所限,现直接给岀由流率基本入树模型生成的系统动力学仿真评价模型(见图1) (详见《系统工程理论与实践》即将发表的对应论文) 基于仿真评价模型,仿真2005-2020年德邦牧业年猪粪中的氮磷钾量、猪尿中的氮磷钾量、猪尿可产沼 气量、猪粪产沼气量的变化趋势 增刊1 贾仁安,等:低碳生态能源经济循环农业系统工程典型模式及配套技术 127 规模养殖年利润 猪粪资源开发 出栏年变化量年出栏L(0(头)规模养弹利润年变 促进因子M32(t) L2()(万元) 户猪粪年产沼气量 R()(头/年) 化量R()(万年/年) L1(t)(m3) 户猪粪产沼气 变化量R1()(m3年) 利润促进 月均存烂保 日为存栏一Ⅹ 因子M31(r) 户猪粪沼气促 障因子M1() (0(0)月均存栏年变化一 进因了Mn(0 量R)(头/年)录 年猪咏量 种植沼气年开发猪 猪尿年变化量 猪尿资源开发 粪中的氮M(t)(吨) 和植年开发猪粪 R(1)(吨/年) 促进因子M3() 种植年开发猪粪 中的钾K()(吗) 中的磷P1()(吨 种植年开发猪尿 种植年开发猪尿 中的钾K(O)(吨 屮的磷P2(t)(吨 场猪尿年产沼气量 种植沼气年开发猪 尿口的氮N2()(吨) 猪场尿沼气促 场猪尿产沼气年变 L(1)(m2) 进因子Mn2(t) 猪炎年变化星年猪粪量L)(吨 化量R()(m3/年) R(1)(吨/年) 图1德邦牧业规模养殖系统发展对策未来实施效应系统动力学仿真评价模型 1)2005-2020年开发猪粪中的氮磷钾不断增加,2020年氮、磷、钾分别达27.76(吨)、427(吨)、10.68(吨)(见 年开发猪粪中的氮N()(吨) 年开发猪粪中的磷P1()(呵) 6年开发猪粪中的钾K(吨) 10 1.5 0 200520072009201120132015201720192005200720092011201320152017201920052007200920112013201520172019 时间(年) 时间(年) 时间(年) 图220052020年开发猪粪中的氮磷钾年变化曲线 2)20112020年开发猪尿中的氮磷钾不断增加,2020年氮、磷、钾分別达41.36(吨)、4.7(吨)、25.99(吨)(见 图3) 年开发猪尿中的氮N(吨) 年开发猪尿中的磷P()吨) 年开发猪尿口的钾K2()(吨) 4.5 10 0 20052007200920112013201520172019 2007200920120132015201720192005200720092012013201520172019 时间(年) 时间(年) 时间(年) 图320052020年开发猪尿中的氮磷钾年变化曲线 3)德邦牧业场猪猪尿可产沼气由2009年795057(m3),到2020年猪尿可产沼气20465.6(m3)(见图4) 128 系统工程理论与实践 第31卷 GRAPH 4,000 场猪尿产沼气年 场猪尿年产沼 40.000 变化量R()(m)/年) 气量3(m3) 2.000 20.000 0 200520072009 0112013201520172019 时间(年) 图4场猪尿产沼气及年变化曲线 GRAPH 户猪粪广沼气中 变化量Om△ 户猪粪年产沼 气 里L0m2) 10.000 0 时间(年) 2005 2007200920l1 20132015201 019 图5场猪猪粪产沼气及年变化量 1)德邦牧业场猪猪粪产沼气由2009年19151.19(m3,到2020年猪粪叮产沼气50747(m23)(见图5) 仿真信息评价表明,提出管理对策开发生物质能源非常有效.但是,开发此生物质能源是一个复杂系统 工程,仅靠养殖企业、农户、政府、高校硏究部门中仼何一个子系统都不能实现,只有四个子系统仝出动并有 效配合才有可能实现 4双充分低碳生态能源经济循环农业系统工程典型模式及配套技术 41德邦牧业以猪尿资源为原料在区域内充分开发利用沼气能源 为了达到猪尿资源的充分开发利用,德邦牧业以大力建设沼气工程为契机,采用福州北环环保技术开发 有限公司改进的台湾三段式红泥塑料畜禽污水处理T艺.红泥塑料厌氧发酵工艺核心技术以国家农业部发布 的农业行业标准(NY/T1220.1-2000)中《沼气工程技术规范》所推荐的CSTR-ABR工艺为基础该工艺在 台湾经过三十几年的发展使用,目前在大陆已成功建成近200项沼气工程.工艺流程见图6. 干清粪 猪舍 冲洗污水 沉砂池 滤液 集水井 化}千化物 出售 渣 引液分离机 粪渣堆场 场 浮澄 沉淀酸化调节池 红薯、蔬菜 红泥塑料 后沉池 氧化塘 心田间贮肥池、 沟灌渠 水稻、板栗、 厌氧池 鱼塘 沼只 恒压装置 卸压 水分离器 红泥塑料 贮压 阻火净化 集中供气 脱硫 贮气袋 压 分配器 本场生活 生产燃料 图6场猪尿沼气能源充分开发利用工艺流程图 增刊1 贾仁安,等:低碳生态能源经济循环农业系统工程典型模式及配套技术 129 此猪尿沼气能源充分开发利用系统红泥塑料厌氧池总容积1006m3,厌氧发酵池漏气率<3%,红泥塑料 贮气袋:15Um3.贮气袋漏气凇<5‰,贮供气系统脱水率>80%,脱硫率>90%,设有恒压装置、气水分离 器、脱硫装置、增压装置、贮压装置、阻火净化分配器,系统运行安全生、稳定性好.场全部猪尿进入厌氧池, 最大可年产沼气2万多m3,供给本场作为生活生产燃料及周边新农村等村135户村民作为生活燃料,解决 村民的生活用能问题.沼气充分利用,不外排污染大气 4.2场周边区域新建五项养种反馈循环沼液资源开发生物链工程技术 在区域内周边进行养种循环充分开发猪尿沼液资源生产无公害农广品 1)基亍沼液延迟储存分流排灌工程,开发“猪-沼液-水稻¨工程抆术 在养殖场的下流农区域,养殖场和农户共同建立两个沼液延迟过滤池和沼液与灌水分流排灌工程,并 开发水稻沼液种植应用,促进沼液系统内消化,以实现养殖污水零排放为目标,分流排灌工程成功地解决了 水稻青苗减产的问题 2)基于沼液储存工程开发的“猪-沼液-冬闲田”种植工程技术 基于养殖场和农户共同建立两个沼液延迟过滤池,冬闲田种植有机无公害蔬菜.且通过多目标规划,每 年选择不同品种,缓解匚业饲料重金属污染等问题 3)基于沼液延迟储存工程,开发的“猪-沼液-棉花”种植工程技术 基于养殖场和农户共同建立两个沼液延迟过滤池,及本地棉花种植的优势,开发“猪-沼液-棉花”种植 工程技术,促进沼液系统内消化. 4)基于沼液延迟储存工程,开发了“猪-沼液-旱地红薯-生物质饲料”种植工程技术 在养殖场的后山850亩省政府2010年投资建立的退山还田风域,养殖场建立一个200立方沼液延迟过 滤池工程.开发了“猪-沼液-旱地红薯-生物质饲料”种植工程技术,促进沼液系统内消化,生产生物质饲 料替代工业饲料,有利亍消除猪食用工业饲料而产生的重金属污染,生产无公害猪肉食品 5)基于沼液延迟储存工程,开发的‘猪-沼液-西瓜”种植工程技术 基于在养殖场的后山850亩省政府2010年投资建立的退山还囗区域养殖场建立的一个200立方沼液 延迟过滤池工程,有关种植公司和农户开发的“猪-沼液-西瓜”种植工程技术,生产无公害食品,且促进沼 液系统内消化 6)基于沼液延迟储存工程,开发的“猪-沼液-木苗”种植工程技术 木苗公司在周边10000多亩绿化木苗地开发“猪-沼液-木苗”种植工程技术,促进沼液资源开发利用 7)基于沼液延迟储存匚程,开发的“猪-沼液-鱼饲料种植”工程技术 在养殖场的下流农田区域,养殖场和农户共同建立两个沼液延迟过滤池上程,开发“猪-沼液-鱼饲料 种植”工程技术,生产无公害食 5全乡四目标责任制低碳生态能源经济循环农业系统工程典型模式及配套技术 以德邦牧业猪粪资源为原料和线索,通过落实以农户为中心的全乡四目标责任制,实现养殖企业、农户 政府、高校研究部门的各自利益日标和责仟,达到建设生态农业的总日标 51企业、政府、高校研究部门的目标责任及落实进程 1)成立专业合作社促进执行四目标责任制 2009年初,德安县农业局、九江市科技局、德邦牧业、高塘乡及农户、南昌大学联合成立了德安县高塘 乡沼气沼液开发利用专业合作社.通过这个平台,把四个子系统的分散的利益目标扭合起来,建立了较为明 确的实现生态农业建设的共同利益的协调组织,专业合作社围绕这个共同目标,按照各子系统的功能,明确 了各自的目标责任.这个平台的搭建有助于消除各系统的沟通障碍,促进交流;有助于消减各系统的功能缺 陷,实现优势互补 2)养殖企业的目标责任及落实进程 专业合作社章程明确养殖企业的目标责任:为农户沼气沼液开发利用提供猪粪发酵原料,实现农户和公 司双赢 养殖企业落实目标责任进程:在德邦牧业公司建设一个原料发酵贮存池,为不养殖农户和临时缺料农户 销售发酵原料.2010和2011两年无偿为合作社300户中非养殖农户和临时缺料农户提供发酵原料.德邦牧 130 系统工程理论与实践 第31卷 业将高塘乡农户沼气沼液开发利用列为国家项目《江西省德邦牧业大型沼气工程项目建设》和江西省有关项 目的重要研究内谷 3)政府的目标责任及落实进程 专业合作社章程写明政府的目标责任:建立农户沼气沼液开发利用服务系统,实现政府部门职责落实促 国家发展和农户发展双赢政府立项支持,部门具有一处固定服务场所进行培训人员,接待服务农户;配备一 套进出料设备,包括进出料车;配备一套检测设备;配备一套沼液优质肥料合理使用工具和技术. 政府落实目标责仟进程:江西省农业厅非常重视生态农业典型模式建设,江西省农业厅科技处负责人常 和我们研究团队交流江西省各牧业有限公司发展信息,增加了对江西省德邦牧业的了解.2008年为德邦牧业 的建设列入国家立项:《江西省德邦牧业大型沼气工程项目建设》(中央投资105万元).德安县委农工部、高 塘乡党委书记严安、乡长傅小川分别和南昌大学贾仁安教授团队、德邦牧业公司张南生总经理、高塘乡农户 代表在德安县委、乡政府详述沼气沼液开发利用方案落实的县政府、乡政府的职责与要求 4)高校的目标责任及落实进程 专业合作杜章程写明高校的目标责任:为农户沼气沼液开发利用提供服务,实现高校为经济社会发展服 务且促进教学任务落实和农户发展双赢 高校落实目标责任进程:争取科硏项目,提供新工程方案实施经费支持.组织ⅷ生科硏教学团队,深入实 地,和公司、农户、政府部门共同研究,发现问题,顶天立地,集成创新,进行深入的理论应用研究,用系统理 论服务“三农”,得出新工程实施方案和管理技术,且共同进行实施,促进四目标责任制实现.将高塘乡农户沼 气沼液开发利用列为南昌大学的江西省重大战略产品科技创新项目重要研究内容 52农户的目标责任及落实进程 1)农户的目标责任 专业合作社章程明确农户的目标责任:实现本户沼气沼液开发利用,实现农户和国家发展双赢.农户入 社自愿主动入社,入社农户主动享受合作社规定的服务,服务内容包括修建沼气池、培训、供应沼气池原料 沼液综合利用技术等.入社成员每年交纳一定的会费(一般不超过30元),会费主要解决服务人员的工资报 酬,并参加服务内容和收费标准的社员代表讨论大会,公布讨论内容,进行群众监督 2)高塘乡300户地下式户用沼气池不断利用德邦牧业猪粪资源开发沼气能源 各家农户分别不断主动利用德邦牧业猪粪资源开发各自的10立方以下的地下式户用沼气池,使用各自 的地下式户用沼气池所产的沼气作为生活能源.通过执行四目标责任制,在生态农业建设中实施了场至户用 沼气池粪生物质资源定向转移技术,构建了场至户沼气能源产品供应链,见图7 公司 公司 规模 粪资 养殖 供池 源应 至 合作社 粪资溟 供应车 能 供 乡农 地下式 沼气油 农户使用 自沼气池 炊事能源 图7场至户诏气能源产品供应链 这个由养殖场至农户的沼气能源产品供应链由五个环节构成:场公司生产材料,供应材料,合作衬推销 材料,乡农户不断使用300个地下式沼气池生产能源产品,广大农户使用自沼气池生产的沼气产品作炊事能 增刊1 贾仁安,等:低碳生态能源经济循环农业系统工程典型模式及配套技术 131 源.场至农尸沼气能源产品供应链实现了猪粪的低排放、低污染,实现了沼气应用效果的低排放、低污染、低 能耗,实现了生物质能源开发的高效率 3)高塘乡300户农户不断实施六项养种反馈生物链上程技术开发户用沼气池的沼液资源 全面实施户用沼气池的沼液的六项养种反馈生物链工程技术,建设生态农业 工程技术1高塘乡农户用户用沼气池的沼液实现“猪-沼液-蔬菜、油菜”养种反馈生物链工程技术. 工程技术2高塘乡农户用户用沼气池的沼液实现“猪-沼液-水稻”养种反馈生物链工程技术. 工程技术3高塘乡农户用户用沼气池的沼液实现“猪-沼液-棉花”养种反馈生物链工程技术. 工程技术4高塘乡农户用户用沼气池的沼液实现“猪-沼液-鱼饲料种植”养种反馈生物链工程技术. 工程技术5高塘乡农户用户用沼气池的沼液实现“猪-沼液-玉米”养种反馈生物链T程技术 工程技术6高塘乡农户用户用沼气池的沼液实现“猪-沼液-果”养种反馈生物链工程技术 以上户用沼气池的沼液开发实施六大养种反馈生物链,生产出六大无公害农产品,极大促进了生态农业 建设进程.新构成了下场至农户无公害农产品供应链,见图8 德邦牧公司建合作社乡农户猪一沼液—水稻 无公害水稻农产品 业规模 立粪资 使用粪 使用地 猪—沼液—棉花 无公害棉花农产品 养殖牛 源供应 资源供下沼气猪一沼液一玉米 无公害玉米农产品 产粪资 池供应 应车供 池生产 猪一沼液一蔬菜 无公害蔬菜农产品 源 粪资源 沼液产 猪一沼液一果 无公害水果农产品 品 猪一沼液一鱼饲料 无公害鱼农产品 原材料 原材料 原材料 原材料 食品产品生产 用户 生产 供应 推销 加工 图8场至农户无公害农产品供应链 这个由养殖场至农户的无公害农产品供应链由六个环节构成:场公司生产材料,供应材料,合作社推销 材料,乡农户不断使用300个地下式沼气池加工原材料生产沼液原料,广大农户使用自沼气池生产的沼液原 料,生产绿色无公害食物产品,广大用户使用绿色无公害食物产品.场至农户无公害农产品供应链实现了猪 粪的低排放、低污染,实现了绿色无公害食物产品生产的低排放、低污染、低能耗,实现了绿色无公害食物产 品生产的高效率 6结论与展望 区域双充分和全乡四责任制这两种典型模式及配套技术是贾仁安及其团队在以德邦牧业及高塘乡的生 态建设问题为硏究实践对象,把系统工程理论与其它学科方法交叉结合起来集成创新,硏究-实践-再硏究 而探索岀的一条解决低碳生态能源经济循环系统中关键问题的有效途径.这两种典型模式刻画和厘凊了规 模养殖中以猪粪尿为关键点的超循环复杂动态系统及矛盾发展关系,对应的配套管理科学技术也为实施这 两种典型模式提供了有力支撑.毫无疑问,本文只是探讨了低碳生态能源中的部分关键问题,还有诸如生态 环境应急、生态能源使用的经济博弈等重要问题需要我们继续进行后续硏究.我们期望这种研究能为农业 农村、农民发展贡献力量,并促进系统理论的研究、发展和应用 参考文献 1 Forrester J W. 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