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最後更新 : 17-04-21


農業與節能減碳20160901    首頁 > 新鮮情報

農業與節能減碳

文/倪禮豐、范美玲、黃鵬 花蓮區農業改良場,製圖/柯皓翔

農業,相較於增加碳排放的工業,不但可以開源(生質燃料)、節流(固碳、遮蔭),更有機會逆轉(炭化)。本文針對農業副產物(廢棄物)介紹簡易的處理方法,不僅讓農業副產物加值再利用,也對節能減碳有所貢獻。

根據全球統計,目前用在發電、工業及交通工具所產生的二氧化碳,約占總碳排的80%,而所謂「碳排放」,代表原本不屬於生物圈,經排放來到生物圈的碳。將地球表面粗分為四個領域--大氣、水體、土壤及岩石,則前三者和包含其中的生物統稱為「生物圈」,碳在三者間不斷循環,達到動態平衡,稱為「生物碳」。燃燒稻草、樹枝,甚至森林大火,都不會增加生物圈中的碳,只能算是加速碳的循環;人為的開採石油、煤炭、天然氣,則將原本不屬於生物圈的碳,從岩石圈排到了生物圈中,才算是碳排放。利用農業副產物等有機物製成的生物炭,具有不易分解的特性,可以長時間的將生物碳固定成礦物碳,藏碳於地,達到真正的減碳、逆轉溫室效應所導致全球暖化的環境問題。

碳化與炭化

簡介「生物炭」

生物炭(Biochar),是指有機物在不完全燃燒或缺氧環境下,經高溫熱裂解(Pyrolysis)後的固體產物。森林大火後未燒盡的焦黑植體殘株,就是自然界製造的生物炭;而人工的炭更是不勝枚舉,像是木炭、竹炭、稻殼炭等都是。整個高溫熱裂解過程即所謂的「炭化」或「乾餾」,除了產生固體的炭之外,同時也會產生液體與氣體,產生的液體包含乾餾液(或稱醋液)及焦油等,氣體則有一氧化碳及其他可燃性氣體。由於生物炭的碳鏈為生物惰性,不易經生物分解,有研究指出,生物炭在自然環境下的半衰期高達500∼1000年甚至更長,因此若將有機物燒成生物炭再存於土壤中,可成為長期碳匯,降低碳排量。

一、生物炭的應用

生物炭為微鹼性,具有多孔性及高「比表面積」(即單位重量的表面積),可中和酸性土壤、增加土壤的保水力及通氣性,並吸附土壤養分使養分不易流失。生物炭中的大小孔隙也能作為土壤微生物的棲所,提高族群數量及多樣性,維持土壤生態作用;若應用於受汙染的土壤中,則能暫時將汙染物吸附在孔隙中,避免汙染擴大。而生物炭因顏色較深,在冬季或早春時節適量添加,可加深土色吸收太陽能,以增高土溫、減緩寒害的程度。

作為栽培介質材料,生物炭耐腐性佳,可長期使用,並可吸附各種養分,慢慢釋出供給作物養份,有助於延長肥效、減少肥料浪費。此外,經高溫熱裂解成生物炭的植物體中,鹼性金屬元素像是鉀、鈣、鎂等,經炭化後成為作物容易吸收的形態,有助於供給植物養分,尤其炭化的稻殼及稻草富含矽與鉀,可使植株健壯,不易受病蟲危害。

其他用途像是將生物炭磨成細粉,裹覆於速效型的肥料外,可延長肥效;或作為微生物農藥或肥料活菌的載體,包裹於種子外,確保有益微生物能接種於植物根部;亦可作為生物膜的載體,或作為水產養殖的水過濾、畜產之廢水處理及廢棄物除臭等用途。

二、生物炭的資材來源

生物炭的原料來源相當廣泛,目前多利用農業副產物,物盡其用以提升作物的附屬價值,諸如稻殼、玉米穗軸、果樹修枝等,或是將木屑、椰子殼、乾草等資材經壓縮造粒成為顆料燃料,皆為可供直接燃燒與炭化的資材。

稻殼的含水量低,燃燒後所產生的腐蝕性氣體(如二氧化硫等)非常少,量大且集中在碾米廠,取得的管道明確,是很好的替代燃料。其灰燼富含矽與鉀,可提高水稻抗病能力、作為有機農業鉀肥及酸性土壤改良,並可提供半導體工業矽原料及橡膠的添加材料。目前燃糠爐技術發展成熟,國內有三升及三久兩大廠牌。

果樹修枝雖缺乏背景資料,但以產業面積估算,廢棄枝條的數量應相當多。各類樹材的燃燒特性可能有所不同,但炭化後可望縮小材質間的差異性,提高其作為木炭或氣化燃料的可行性。顆料燃料則是藉由壓縮造粒的技術,將木屑、椰殼、乾草等製成顆料燃料,目前多採混煤燃燒方式利用;未來可研發高熱值、低汙染的材料(樹種),以及顆粒燃料專用爐,供給需熱源之產業應用,甚至可取代燃煤發電機。

三、市面常見的炭

1. 竹炭
民國88年九二一大地震重創原本日趨沒落的竹產業,林務局為振興竹產業,從日本引進竹炭技術,不但讓竹產業有新的發展,更成功營造消費端對「炭」產品的認識與需求,市面上開始流行著「竹炭」、「竹醋液」等相關產品。有別於傳統的木炭主要用於燃料,這些炭產品宣稱具有調節濕度、吸附重金屬、遠紅外線及屏蔽電磁波等效果,用於紡織、塗料,甚至於食用,以生活應用為主要訴求。

2. 炭化稻殼
相對於竹炭以生活應用為主要訴求,炭化稻殼則廣為利用於農業。目前炭化稻殼大多以批次式悶燒生產,炭化條件不易控制,時間、溫度、相對位置等,都會影響到炭的性質,造成研究及應用劑量推薦上的困擾。

民間應用中,以彰化縣鹽埔鄉大有社區的「金碳稻」為代表;研究機構則以花蓮農改場最早,於民國94年起開始進行炭化稻殼應用研究及製作機具研發,101年取得專利後技轉予三升農機公司。附掛裝置於現行燃糠式乾燥機,在「乾燥為主,炭化為副」的生產形態下,提高稻殼附加價值,但仍有改進空間。臺東區農業改良場及高雄區農業改良場稍後亦與工研院合作,進行炭化稻殼田間應用試驗。

目前花蓮區農業改良場仍進行蔬菜及花卉栽培介質試驗,及微生物肥料載體研究,未來將進行專用養液配方、炭化專用機研發、矽與鉀的肥效評估工作。

3. 其他生物炭
台南官田的菱角殼炭由行政力推動,曾被媒體報導。除了果樹修枝外,油茶殼、筍殼、龍眼殼、花生殼,若材料收集以及機具研發皆能配合,未來都有機會成為生物炭的材料。畜試所研發的雞糞炭化裝置,因雞糞中成分較複雜,伴隨焦油及臭味問題,研發難度較高。另有網路社團「生物炭技術分享與交流園地」,為數百人參與的大社團,常於其中分享相關新知並舉辦活動。

農業與節能減碳議題橫跨許多領域,如能源、材料科學、機械、環境工程、土壤、森林、生態、植物生理、微生物等,各面向看法不一,若能齊聚各領域人士,廣泛而深入的討論,相信有助於改善日趨急迫的環境問題。

生物炭具有善用資源及對環境的減碳效果,並可作為介質、土壤改良、過濾、脫色、除臭等農業及生活應用資材。製作過程中,理想上不希望使用石化燃料,才能完全符合節能減碳的世界潮流,但目前仍有煙霧、臭味及焦油等問題尚待解決。

未來推動生物炭在實務上的運作方式可由二方向進行,一為成立區域炭化中心,收購農業廢棄物,製成的生物炭經販賣營運或自行發電賣電;二是研發簡易小型爐具,由農民自行製作生物炭使用。若一般農民皆能利用簡易技術及小型機械製作,相信能擴大生物炭的影響層面。

【資料來源】:《豐年》雜誌 2016年08/16出刊 6616期

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