低碳校园生态循环模式的研究

摘要:本文探讨目前中小学校园能源的利用现状及校园各种能耗的运行状况,充分发展低碳效益的环保生态概念,对西安周边中小学的沼气及其他能源利用状况调研取证,并对经济、环境等多个方面进行合理的比较分析,通过对实行低碳生态循环模式的校园实地考察,参考诸多详实资料,在一定程度上预算出该循环系统的支出和收益。同时评估绿色、低碳校园的环境、社会等积极效应,以期构造一套更符合当地或特定地区的优化循环系统,使低碳经济模式更具常规性质。

Abstract: The survey is aimed at getting to know the present situation that energy sources are used in middle school and primary school and how diversified energy consumption is going, in order to promote the concept of environment friendly zoology. The scheme begins with a research into the status that marsh gas and other kinds of energy are utilized and then includes a series of reasonable comparisons and analysis about economy and environment etc.. After a filedwork of the way low-carbon zoology recycles and amounts of related materials' being referred to, the output and input of the system is expected to be budgeted out. Simultaneity evaluating the positive effects of the green and low-carbon campus environment is to construct a suit of suitable and unique optimized circulative system so as to make low-carbon economy mode more universal.

关键词:低碳校园;沼气;优化系统;预算;收益

Key words: low-carbon campus;marsh gas;optimized system;budget;the input

中图分类号:G47文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)31-0006-03

0引言

哥本哈根气候大会已经结束将近半年了,但其“低碳经济”的理念对全世界产生了巨大影响。低碳经济是一种发展方式的转变,它要求改变能源结构,发展新能源和可再生能源;其次要改变经济增长方式、调整产业结构,优先发展高新科技产业、服务业等第三产业。再次要减少能源消耗,改变消费方式。围绕本次会议的主旋律,因此低碳能源的发展已成为全球公认的主流。作为新一代青少年的教育主阵营,我们应当把“低碳”概念引入校园。本团队在通过对西安周边学校的调研采访,了解到目前低碳校园生态循环的结构主要应用沼气技术,结合太阳能和其他一些低效能源,围绕绿色生态的理念建立相对简单的循环系统。笔者在对西安周边中小学沼气供能应用系统调查后,发现较为成功的有高陵县高家小学,通过调查研究其沼气系统的物质能量循环、设备资金投入、及对建成后的运营费用支出与收益进行预算,期望将预构造的优化系统在各地推广为低碳生态校园模式。因此希望在调研中收集到的数据和相关研究为此提供详实的参考依据。

1沼气系统的原理简介

对于主核心的沼气系统,其主要原理为:当沼气池内有机物质(常用的添加物质有农作物、人畜粪便等),在厌氧条件下经过许多种微生物协同发酵产生可燃性气体。产生的气体称为沼气(主要含有甲烷气体),储气间内的沼气由于产气和用气能维持压力平衡,利用通气设备可以将沼气用于供热、发电等。

2高陵县高家小学沼气生态系统综合描述

2.1 高家小学简介高陵县地处东经108°58′-109°10′,北纬34°25′-34°35′,位于西安市辖域北部,属暖温带半湿润大陆性季风气候。最高气温41.4℃,最低温度-0.8℃,年平均气温13.2℃。无霜期212天,年均日照2247.3小时,年降水540毫米左右,是农作物生长的适宜气候。高家小学位于高陵县鹿苑镇,占地面积108600平方米,现有校舍面积3250平方米,教学班10个,学生242人,教职工30人,属一所公办学校。

2008年实施“新农村卫生新校园工程”建设以来,高家小学在县委县政府的指导下实施该项目。目前,已完成投资76.8万元,分别建成了蔬菜大棚、养殖基地、卫生厕所、沼气系统、清洁厨房等沼气综合利用系统。

2.2 高家小学沼气循环系统原理高家小学沼气循环系统采用“四位一体”模式[1],该模式是以沼气为纽带,将沼气池、厕所、猪圈和温室大棚四结合的生态校园模式。生态猪舍、卫生厕所、温室大棚以及沼气系统的结合,使得猪等动物的粪尿和厕所粪污经过沼气系统厌氧发酵,实现资源转化与循环利用。畜禽粪、厕所粪污入池发酵产生的沼气输送至食堂供炊事,产生的沼液用于冲厕和叶面施肥,沼渣进入贮肥塔输送至菜地对蔬菜进行施肥。

①项目建设模式:卫生厕所+沼气系统+清洁厨房+大棚种植+养殖[3]。

②项目单元概况:

沼气系统:沼气池容积30立方米,装配有污物切割泵、自动冲厕、自动搅拌、控制配电箱等设备。

卫生厕所系统:建筑面积90平方米,32个蹲位。冲厕系统装备有污物切割泵和无人值守沼液冲刷设施。

清洁厨房系统:厨房内设置有固定砖垒灶台,燃气灶具为省上统一配备,输气系统按规定安装了脱硫沼气液压量表,沼气泄露保护报警等装置。

生态种植系统:学校有塑料大棚320平方米,种植蔬菜,校墙外有5.1亩杂果林。

生态养殖系统:学校建有猪舍面积40平方米,可养猪25头左右。

2.3 沼气循环系统设备资金的预算该校沼气循环系统主要设备包括沼气发酵系统、生态厕所、生态猪舍、温室大棚、食堂五大部分,各部分资金投入如下:

2.4 沼气循环系统的运营收支状况项目运行成本根据项目建设初期的设计和设备寿命分析得出:

系统总收支平衡至少需要:

(75.8万-3.829万)/3.829万≈19年。

2.5 小学沼气系统仍存在的缺点

2.5.1 没有充分评估该系统的潜在问题,缺乏相应的处理措施例如高家小学的沼气系统属于传统的地下池水压式发酵,其只能靠增加池的体积来提高产气量,而且由于埋在地下,只能靠地温产生的热能,因而造成夏季产气用不完,冬季产气不够用的现象。

2.5.2 没有充分搞好沼气的综合利用在校园内,沼气的综合利用是指将沼气、沼液、沼渣(简称“三沼”)运用到种植、养殖等生产过程中,降低生产成本,提高经济效益,改善生态环境,进而实现可持续发展的一项接口技术措施。该校没有充分搞好沼气的综合利用,主要表现在“三沼”利用范围太局限,沼气仅限于几个沼气灶而已,沼液仅限于做猪饲料的添加剂与叶面施肥,沼渣仅限于施肥等,这大大浪费了资源,不仅未能达到循环经济的效果,更未能达到低碳环保的目的。

2.5.3 大棚空间利用不够充分在该校的沼气循环生态系统中,对于大棚的利用不够充分,所种作物仅仅局限于西红柿、圣女果、辣椒、茄子等经济效益较低的蔬菜,这主要是考虑到小学生自身有限的认知能力和实践能力,大棚种植为新课改下学生的综合实践课程提供了良好的平台,为了兼顾不同层次学生的实践需求,尽快地收回经济成本,应该对大棚内的空间有合理规划,并且采用间种、套种、无土栽培等技术,使得大棚发挥其最大功效。

3对以上系统的优化

为了弥补类似于高家小学的沼气循环系统存在的缺点,笔者在综合多方面因素之后设计了一套比较合理的优化系统。虽然刚开始投入资金相对较高,但其潜在创利价值很高,投资风险小[4]。并且主要考虑了低碳、投入以及收益三方面相结合,具体如下:

3.1 菌种的选择。为了得到的沼气效率更高,应选择符合的发酵菌种。沼气菌种是许多种细菌的总称,根据作用的不同,可以把沼气菌分为两大类:第一类叫做分解菌;第二类叫做产甲烷菌。由于投入的原料偏向于纤维素类的废料,再综合产气的效果,着重添加纤维分解菌和产甲烷菌。预计投入资金较少,根据沼池大小,每年投入50元/m3,包括菌种的调研和购买。

3.2 发酵原料的配比[6]。沼气池的发酵原料,要有含碳酸较多的稿秆、青杂草和含氮较多的人、畜粪便,进行合理搭配,才能达到满意的产气效果。参考诸多资料,当粪(这里选择牛粪)与草(风干状态的作物稿秆)的重量比大于2:1时,发酵启动快,产气效果好;粪草比小于2:1时则发酵启动慢,产气效果较差。粪草比2:1相当于碳、氮比25:1。投入资金100元\次,更换次数依据实际情况来实施。

3.3 将沼气用于发电,废水可投入沼池。每立方米沼气可发1.44千瓦时。根据现行价格,单独用沼气发电,每千瓦时成本为0.13-0.14元。与柴油混合发电,每千瓦时成本为0.21-0.23元。按照高家小学立方数计算,日发电约60-80度电,按西安市现行电价0.5元计算,每度电至少节省0.25元,可见具有相当高的经济和环境效益。

3.4 增加沼液和沼渣的利用价值:鱼塘的循环价值和果园的配套设置。用沼液养鱼不仅能提高鱼的产量而且能减少鱼病发生,提高鱼的品质[5]。鱼塘设施投入2000元/亩,其他费用投入500元,年创利润预计可达3000元以上。同时果园的建造不仅绿化校园,而且可以合理利用沼渣,创造利润1000元左右/亩。

3.5 大棚可采用无土栽培技术,具有节肥、节水、省工、高产、优质,不受季节地域限制等特点,并且操作管理简单,系统排出液无污染,产品品质好。同时合理种植一些生产周期较短、经济效益又较高的蔬菜,如果条件允许,还可以种植一些花卉,作为美化之物、观赏之物。种植时采用间种、套种等技术,在有限的种植面积上力求最大的经济效益。

3.6 垃圾分类回收,对部分生活垃圾进行分类处理不但保证沼气系统的流畅运行,而且能达到低碳环保的效益。投入预计1000元/年。

具体如下:

优化系统总收支平衡至少需要:

(95787-43050)?鄢X-35500〉=758000

解出X=15年,比原系统少4年,虽然如此,但其生态效应明显优于原系统,是一项具有低碳性质的。

由于所有设施均属于学校管理,学校已拥有的大部分管理人员可以兼职参与,能大大减少管理投入费用。同时将一些能涉及开放课程的管理项目设置成地方校本课程,开发学生的时间学习能力,不但达到管理的目的,而且能全面培养学生的综合能力。

4结论与分析

4.1 低碳校园建设具有重要意义

4.1.1 教育效应推进基础教育改革,提高了学生的综合素质。例如温室大棚中菜蔬的栽种及管理等课程,不仅给新课改下校本课程学生综合实践课程的实施提供了良好平台,而且为学生的研究性学习、社会实践以及劳动与技术教育提供了前提基础,还锻炼了不同阶段学生的实践动手能力,更重要的是,可以让学生树立循环、低碳环保及可持续发展的理念。

4.1.2 生态效应改善了校园环境,为学生的学习创造了良好的绿色低碳氛围。

4.1.3 经济效应合理利用多种能源,变废为宝、节能减耗,增加经济收入。

4.1.4 社会效应普及科学知识,培养新型农民。

低碳经济,是当今世界最为关注的词语之一,低碳是地球环境问题越来越严峻而催生的产物,而要唤起大众关注环保和节约,是我们广大师生应该承担的使命。低碳校园的建设不仅可以解决校园的环境问题和能耗问题,而且可以通过校园低碳建设,对学生进行环保意识教育以及提升包括动手能力在内的各种综合能力[2]。从而将环保意识、精神向大众推广。

4.2 低碳校园――沼气循环系统综合利用的展望我们在以沼气为中心的循环系统构建低碳校园,综合利用了多种低耗能、可循环、高收益的能源,具有很好的发展潜能,尤其对于农村及城镇中小学具有更高的实际意义。

致谢:诚挚感谢陕西师范大学生命科学学院团总支各级领导对本次调研的关怀和支持;同时在本次调研过程中,高家小学的领导和老师给予了充分的帮助和支持,使本次活动能顺利进行,在此本团队表示真诚的感谢。

参考文献:

[1]王兰英,邱凌,贺光祥,孙玉芳.范家寨中学生态校园模式及经济效益分析.西北农林科技大学学报(自然科学版),2008,(8).

[2]阮为.构建低碳校园,培养创新人才[J].上海教育半月刊,2010.

[3]魏世清,李金怀,马奎.广西生态卫生学校沼气模式与效益.中国沼气(China Biogas),2009,28(1).

[4]颜丽,李景明,任颜笑.农村沼气工程的共生效应[J].农业工程学报(Transact ions of the CSA E),2006,(10).

[5]汪敏,郑师章.五里塘生态农场结构及系统生态经济效益的比较.农村生态环境,1993,(3).

[6]四川省生物研究所沼气组.怎样使新沼气产气快、产气好.微生物学通报,1977(04).