来源:Frontiers of Agricultural Science & Engineering 发布时间:2023/10/12 10:51:38
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FASE专辑 | 畜禽废弃物资源化与碳中和

论文标题:畜禽废弃物资源化与碳中和

期刊:Frontiers of Agricultural Science & Engineering

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畜禽废弃物资源化与碳中和

Valorization of Livestock Waste and Carbon Neutrality

Volume 10 · Number 3 · September 2023

近日,《农业科学与工程前沿》(英文简称FASE)出版了2023年第3期题为“畜禽废弃物资源化与碳中和”的专辑。中国农业大学刘志丹教授、浙江大学林宏建研究员、中国农业大学张帅教授、农业农村部农村经济研究中心金书秦研究员、中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所朱志平研究员、河南农业大学胡建军教授、西北农林科技大学姚义清教授、东北农业大学孙勇教授、华中农业大学晏水平教授共同组织了本期专辑,主要关注畜禽废弃物的资源化处理与低碳发展方面的最新进展和观点。本期专辑共有12篇论文,包括来自国内外学者和同行的研究。围绕(1)畜禽养殖粪污源头减排,(2)生物处理,(3)热化学转化,(4)碳捕获、利用与封存,(5)种养一体化模式五个主题进行详细论述,同时提出建议。帮助读者系统了解畜禽养殖低碳发展的研究进展。

· 专 辑 概 述 ·

随着居民对肉蛋奶的需求不断提高,我国畜禽养殖规模化趋势明显,工厂化养殖主体数量不断扩大。然而,规模化畜禽养殖场面临着生产环境、空气质量、粪污处理及资源利用等诸多影响其绿色可持续发展的挑战。其中,畜禽废弃物含有诸多营养物质,如氮和磷,同时也含有一些对环境有害的物质,如重金属、抗生素和抗性基因。畜禽粪污科学处理与资源化利用有利于消减污染物、减少养分流失、促进规模化畜禽养殖业的可持续发展,进而实现资源节约和生态循环的可持续畜牧业。

为了减少碳排放、助力碳中和,需要在整个供应链上减少畜禽养殖过程中的温室气体排放,同时考虑粪污的处理和增值利用。通过利用现代工程和生物技术的力量,有可能开发出可持续和生态友好的粪便回收方法。这不仅维护了生态系统安全和区域生态稳定,也为构建低碳、高效的畜禽废弃物利用模式奠定了基础,符合生态文明理念。

考虑到全球对实现碳中和的激励和对农业绿色发展需求的不断增长,《农业科学与工程前沿》(英文)出版了“禽废弃物物资源化与碳中和”专辑。与以往关于畜禽废弃物处理问题的研究不同,本期专辑试图探讨“新兴的碳中和全球共识”与“畜牧业可持续发展的迫切需求”对现代畜粪管理技术、工程、市场和政策产生的影响。具体而言,本期专辑涉及五个广泛的主题领域:(1)畜禽养殖粪污源头减排,(2)生物处理,(3)热化学转化,(4)碳捕获、利用与封存,(5)种养一体化模式。

在本期专辑中,张乐礼、刘志丹等(DOI: 10.15302/J-FASE-2023509)从碳中和视角综述了中国畜禽粪污资源化技术与管理系统。与以往畜禽粪污处理相关研究不同的是,该文从“以资源化为导向”的粪污处理思路深入到“以减污降碳协同为导向”的思路,归纳了畜禽粪污碳排放的影响因素及其影响机理,综述了碳交易体系现状及发展潜力,并从粪污处理技术、方法学、交易机制和养殖方式、经济、政策、饮食结构的调整等方面提出提升畜禽粪污碳减排潜力的对策和建议,旨在为中国畜禽粪污管理系统碳减排方法学的成立、碳交易体系的形成和发展提供参考。

▎畜禽养殖粪污源头减排

研究已证实,饲料生产过程是动物生产中碳排放的主要来源。目前,将营养策略应用于动物生产是缓解环境压力、节约饲料资源的一个新视角。孙健、李蒙蒙等通过《反刍动物甲烷排放机理及营养减排策略的研究进展》(DOI: 10.15302/J-FASE-2023504)一文详细介绍了反刍动物甲烷生成的起源——瘤胃微生物群,以及反刍动物甲烷生成的主要途径。此外,根据最新发表的研究成果,该文还总结了饲粮养分、微生物和化学的调控策略。

周丹妮、林宏建等(DOI: 10.15302/J-FASE-2023510)开发和评估了一种用于监测商业生产中平养肉鸡体重的自动无应力称重平台。该平台的平均准确率为99.5%,标准差为2.3%。精确的每日体重监测将使养殖户在肉鸡养殖过程中,能有效地优化饲养模式和环境控制。辛宜聪、刘德钊等(DOI: 10.15302/J-FASE-2023501)对养猪场排放的以氨气为代表的空气污染物进行了比较。通过基于流体动力学的三维模拟结果和与现场数据的比较,他们发现多层猪舍的氨分散距离远大于单层猪舍,为今后多层猪舍的发展提供依据。

▎生物处理

厌氧消化和堆肥等生物处理技术可以在温和条件下将畜禽粪便转化为有价值的资源,还可以减少温室气体污染和对化石燃料的依赖,从而为清洁、安全和可持续的农业做出贡献。本期收录了两篇关于该主题的论文。(1)黄金芝、姚义清等(DOI: 10.15302/J-FASE-2022471)比较了在单一基质(干玉米秸秆和鲜玉米秸秆)和与牛粪共消化条件下产甲烷的潜力,得出鲜玉米秸秆具有更高的甲烷生产效率。(2)占源航等(DOI: 10.15302/J-FASE-2023506)将碱性预处理与空气混合,进一步增强小麦秸秆和畜禽粪污的联合厌氧消化。碱处理促进了底物降解,空气混合使微生物活性增强,共同促进了甲烷的生成。

▎热化学转化

近年来,畜禽废弃物因其对生态系统和公共卫生的不利影响而成为一项重大的环境挑战。热转化技术,如热解、水热转化、气化和燃烧,为畜禽废弃物的可持续管理和增值提供了有希望的途径。B. Brian HE等(DOI: 10.15302/J-FASE-2023507)通过探究牛粪水热碳化过程中重金属含量的变化,证明牛粪水热炭作为富磷有机肥和/或土壤改剂用于农业应用是可行的。此外,考虑到原料特性,畜禽粪污的供热化学转化是一种更经济可行的替代方案。胡玉琳等(DOI: 10.15302/J-FASE-2023490)模拟了木屑与马铃薯皮共气化过程。他们发现农业有机废物,包括木屑和马铃薯皮,可以产生有价值的合成气,认为共气化制备合成气是马铃薯皮回收利用的一种可行、环保的选择。另外,张亚军、姚森等(DOI: 10.15302/J-FASE-2023500)通过模拟牛粪的热解气化过程,发现利用最优反应条件可使产氢量最大化,蒸汽气化能有效提高产氢量。

▎碳捕获、利用与封存

碳捕获、利用与封存是一个从源头捕获CO2并再利用或储存的过程,进而避免其进入大气。孙涛等(DOI: 10.15302/J-FASE-2022473)利用中空纤维膜接触器中通过可再生氨水溶液(RAA),改变RAA吸附剂、杂质浓度、CO2负荷和反应温度来研究RAA去除CO2和H2S的性能。他们的论文提供了有趣的结果,揭示了沼气中几乎所有的H2S都可以被RAA去除,并且在0.5 mol·L−1 RAA的条件下可以去除约90%的CO2

▎种养一体化模式

绿色农业发展的关键在于建立生态一体化的农牧业体系。在此背景下,本专辑纳入了两篇值得关注的论文(DOI: 10.15302/J-FASE-2023480;DOI: 10.15302/J-FASE-2023503)。它们体现了一种综合作物?畜禽养殖系统的可能性,其系统利用具有成本效益的高浓度粉煤灰,显著去除化学需氧量(COD)和总磷(TP),确保工艺的经济可行性。此外,光催化处理为厌氧消化废水和其他类型废水的后处理提供了希望。

· 组 稿 专 家 ·

刘志丹

中国农业大学环境增值能源实验室教授、博士生导师。长期从事农业农村废弃物处理与能源资源化、能源?水?环境?材料交叉研究。入选2022年国际先进材料学会(IAAM)会士。现任中国农业大学首批青年科学家创新团队负责人,连续入选爱思唯尔中国高被引学者,入选全球前2%顶尖科学家、全球前10万名科学家、中国可再生能源学会优秀青年科技人才、北京市青年拔尖人才。

林宏建

浙江大学农业工程学科研究员。研究方向为智能家禽养殖技术、精准家禽养殖设备、家禽健康和废物管理。在家禽生长数字化模型、家禽养殖智能感知和管理决策等方面取得重要进展。现任中国农业工程学会畜牧工程分会主任,绿色饲料与健康养殖国家工程研究中心成员,农业农村部环境农业装备与信息化重点实验室成员。美国农业与生物工程学会可再生能源专业委员主席、中国农业机械学会理事、家禽科学学会理事。

张帅

中国农业大学动物科学技术学院教授,博士生导师。现任农业农村部饲料工业中心教研处处长、国家畜牧标准委员委员、中国高新技术产业化研究会饲料分会常务理事、中国畜牧兽医学会动物营养分会理事、中国畜牧协会智能畜牧分会理事、中国畜牧杂志编委会委员。研究方向为养猪生产中实现精确和可持续营养的数学模型,以及养猪生产中饲养策略和系统的环境影响评价。

金书秦

曾就读于北京科技大学、中国人民大学、荷兰瓦赫宁根大学,2010年获环境经济学博士学位,现任农业农村部农村经济研究中心可持续发展研究处处长、研究员,绿色发展小组首席专家,畜禽废弃物资源化利用技术指导委员委员,农业资源与环境标准化技术委员委员,重点流域农业面源污染控制委员委员。在农业资源经济和环境保护政策方面有10多年的专业经验。

朱志平

中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所研究员。2007年获中国农业大学博士学位。参与了家畜粪便处理和利用的研究,研究重点是畜牧业的氨和温室气体减排。农业农村部畜禽粪便资源化利用专家指导委员会成员。

胡建军

教授,河南农业大学机电工程学院院长。现任农业农村部可再生能源新材料与装备重点实验室副主任,担任河南省特聘教授和河南省农业生物环境与能源工程首席科普专家。在生物质能研究和开发领域有着丰富的经验,特别是在农业废弃物的处理和利用、生物质能利用和生物炭土壤改良方面。

姚义清

西北农林科技大学教授,主要研究方向为生物质能源转化与资源利用。曾入选中国“高层次人才计划”专家、陕西省“高层次人才计划”专家。在中国兰州大学获得生物能源博士学位。曾在美国华盛顿州立大学生物系统工程系从事博士后助理研究。农业农村部西部农村可再生能源开发利用科学观测实验站副主任,水肥一体化产业联盟副主任,美国化学会会员、美国微生物学会会员。

孙勇

东北农业大学教授,博士生导师。在25年的工作中,专注于寒区气候特征和农业废弃物资源特性研究,致力于农业废弃物资源化利用技术及配套设备的研究。现任黑龙江省农业废弃物综合利用产业技术协同创新与推进体系首席专家,中国农业机械学会能源与动力分会副主任委员,中国可再生能源学会生物质能源专业委员委员

晏水平

华中农业大学工学院教授。2009年获浙江大学博士学位。主要研究方向为开发可再生CO2吸附剂,筛选新型CO2吸附剂,改造CO2捕集工艺,实现低成本的沼气、烟气等富CO2气流中的CO2捕集,加强CO2在农业生态系统中的固定。

FASE诚挚感谢专辑组稿人,所有作者和审稿人对本专辑的鼎力支持和着重贡献!

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《前沿》系列英文学术期刊

由教育部主管、高等教育出版社主办的《前沿》(Frontiers)系列英文学术期刊,于2006年正式创刊,以网络版和印刷版向全球发行。系列期刊包括基础科学、生命科学、工程技术和人文社会科学四个主题,是我国覆盖学科最广泛的英文学术期刊群,其中12种被SCI收录,其他也被A&HCI、Ei、MEDLINE或相应学科国际权威检索系统收录,具有一定的国际学术影响力。系列期刊采用在线优先出版方式,保证文章以最快速度发表。

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