能源环境与可持续发展论文选题

摘 要 厌氧消化技术能够实现废弃物污染防治和综合利用的双重目标，是有机固废处理与处置的趋势。对厌氧消化技术处理有机固废的微生物学机理、因素以及消化工艺的进展进行了综述。 关键词 厌氧消化 有机固体废物 两相消化 有机固体废物通常是指含水率低于85%～90%可生化降解的有机废物,它们一般具有可生化降解性。这些废物中蕴含着大量的生物质能,有效利用这类生物质能源,对实现环境和的可持续发展具有重要意义。 有机固体废物处理的很多。由于有机固废的可生化降解性高，利用生物技术处理有机废物具有潜在优势。生物处理法包括好氧堆肥法和厌氧消化法。近几年来，欧洲各国纷纷将目光投向厌氧消化，兴建有机固废厌氧消化处理厂，日本等国也先后建设了有机固废厌氧消化处理示范工程。但在国内，尽管早有小型沼气池的，高浓度有机污水及污泥处理中也普遍采用厌氧消化的工艺，但应用于固废处理领域的实践很少。因此，很有必要针对国内的实际情况，对有机固废的厌氧消化进行系统研究。1 厌氧消化机理 在研究方面，国内外一些学者对厌氧发酵过程中物质的代谢、转化和各种菌群的作用等进行了大量的研究，但仍有许多需进一步探讨。对厌氧消化的微生物学认识，经历了一个由肤浅到逐渐完善的过程。20世纪30年代，厌氧消化被概括地划分为产酸阶段和产甲烷阶段，即两阶段理论。70年代初Bryantlzgl等人对两阶段理论进行了修正，提出了厌氧消化的三阶段理论，突出了产氢产乙酸菌的地位和作用。与此同时，Zeikuslao等人提出了厌氧消化的四类群理论，反映了同型产乙酸菌的作用。该理论认为厌氧发酵过程可分为四个阶段，第一阶段（水解阶段）：将不溶性大分子有机物分解为小分子水溶性的低脂肪酸；第二阶段（酸化阶段）：发酵细菌将水溶性低脂肪酸转化为H2、CH3000H、CH3CH2OH等，酸化阶段料液pH值迅速下降；第三阶段(产氢产乙酸阶段)：专性产氢产乙酸菌对还原性有机物的氧化作用，生成H2、HCO3－、CH3COOH。同型产乙酸细菌将H2、HCO3－转化为CH3COOH，此阶段由于大量有机酸的分解导致pH值上升；第四阶段(甲烷化阶段)：产甲烷菌将乙酸转化为CH4和CO2，利用H2还原CO2成CH4，或利用其他细菌产生甲酸形成CH4。无论是三阶段理论，还是四类群理论，实质上都是对两阶段理论的补充和完善，较好地揭示了厌氧发酵过程中不同代谢菌群之间相互作用、相互影响、相互制约的动态平衡关系，阐明了复杂有机物厌氧消化的微生物过程。 2 厌氧消化影响因素1 底物组成 研究发现不同底物组成，其可生化降解性大不相同（5%～90%）。Borja等研究了不同底物组成和浓度的有机固废的厌氧消化过程，认为在其他条件相同时沼气产量相差很大，甚至达到65％。这个结果与Jokela等的研究所得基本一致。另外，底物组成不同,在发酵过程中的营养需求与调控也不同。对于像以秸秆为主的底物，须补充N源的营养，以达到厌氧消化适宜的C/N比。国内外很多机构开展了生活垃圾、污泥及畜禽粪便联合厌氧消化产沼的研究。联合发酵可以在消化物料间建立起一种良性互补，从而提高产气量，而且仪器设备的共享在提高经济效益方面的作用也是非常明显的。Kayhanian评估了以城市固体垃圾生物可降解部分为底物的高固体厌氧消化示范试验。结果表明,美国典型B/F(可降解垃圾与总物料之比)的垃圾缺乏活跃而又稳定降解所需要的宏量或微量元素,若补充以富含营养的污泥和畜禽粪便,可以提高B/F，大大提高产气率并增加过程的稳定性。国内在这方面的研究仅限于实验室水平，未见相关工程应用的报道。2 温度 有机固废厌氧消化一般在中温或高温下进行,中温的最佳温度为35℃左右,高温为55℃左右。Ghosh等利用厌氧消化处理垃圾衍生燃料(RDF)，对比了单相式和两相式反应器的处理效果，发现在传统单相式反应器中高温(55℃)比常温(35℃)消化的甲烷产量仅提高7％；RDF粒径从1mm降至1mm在中温消化下对甲烷产量无明显影响，但当反应条件转变为高温消化时甲烷产量可提高14％。高温消化可以比中温消化有更短的固体停留时间和更小的反应器容积。然而高温消化所需热量多,运行也不稳定。最近有研究表明厌氧消化在65℃时水解活性可进一步提高。还有将超高温水解作为一个专门的反应器，对厌氧消化进行处理研究。 高温可以比中温产能多，但高温需要更多的能量，在实际情况中加热所需的能量往往与多产出的能量差不多。虽然沼气产量和生物反应动力学都表明高温消化更有优势，但理想的条件决定于底物类型和使用的系统情况。3 pH值 产甲烷菌对pH值的要求非常严格，pH值的微小波动有可能导致微生物代谢活动的终止。在发酵初期由于产生大量有机酸，若控制不当容易造成局部酸化，延长发酵周期，进而破坏整个反应体系。研究发现pH值为6～8范围内，水分含量为90%～96%时产甲烷速率较高；pH值低于1或高于3时，产甲烷菌可能会停止活动。 一般说来酸化相对保持略偏酸性,产甲烷相需要略偏碱性,但没有一个绝对合适的量,只需系统能够保持稳定高效便是最佳状态。pH值是厌氧消化过程的重要监测指标和控制参数。4 抑制 厌氧消化过程中抑制作用非常普遍，包括pH抑制、氢抑制、氨抑制、弱酸弱碱抑制、长链脂肪酸(VFA)抑制等。 许多学者都研究了厌氧消化中氨抑制的问题。当氨氮浓度从740mg/L至3 500mg/L时，葡萄糖降解速度急剧下降，可以认为氨积聚对糖酵解过程有一定的抑制作用。Sung等研究了以有机固废为底物的常温厌氧消化过程中氨氮浓度对甲烷产气量的影响，常温消化当总氨氮浓度(TAN)从40g/L依次升至20、05、92、77g/L时，反应器内呈现慢性抑制的现象。TAN为92或77g/L时，甲烷产量分别降低39％和64％。Fujishima等研究了常温下污泥含水率对厌氧消化的影响，发现污泥的含水率低于91％时甲烷产量减少，这主要由于系统中高氨含量对氢营养甲烷菌的抑制作用。 Salminen指出渗滤液回流与pH值调节相结合可以降低酸积累的抑制效应，加速消化降解速率。然而当系统中活性产酸菌和产甲烷菌数量较少时，回流渗滤液会引起VFA积聚。Clarkson和Xiao对废报纸进行厌氧消化的研究发现，水解反应是其中限制性步骤，高浓度的丙酸盐对其具有抑制作用。5 搅拌 当消化底物为固态时，水解通常成为整个反应的限制性阶段。很多经典中强调了消化过程中应充分混和搅拌以促进反应器中酶和微生物的均匀分布。然而近年来有试验表明降低搅拌程度可以提高反应器的效率。Vavilin VA常温消化下搅拌强度的，试验表明当有机负荷偏高时，搅拌强度加大会导致反应器运行失败，低强度搅拌是消化过程顺利完成的关键；当有机负荷偏低时，搅拌强度对反应无明显影响。由此Vavilin VA提出搅拌阻碍反应器中甲烷区形成的假设，认为甲烷区的形成对抵抗酸化过程中产生的抑制起重要作用。在此基础上他提出了均质柱形反应器的二维分布式模型（2D distributed models），模型基于以下假设：在维持产甲烷菌繁殖代谢处于较优水平的前提下，反应器中甲烷区所占空间存在一个最小值。通过对消化过程的模拟，认为有机负荷高时，反应初始阶段甲烷区与产酸区在空间上分离是固废物转化为甲烷的关键因素，而初始阶段甲烷区中生物量的多少则是这些活性区保留的决定性因素。此时如果高强度搅拌，甲烷区由于VFA的抑制作用会逐渐萎缩直至消失。然而当有机负荷偏低时，大部分甲烷区均能幸存并逐步扩大到整个反应器。 Stroot等学者认为剧烈搅拌会破坏微生物絮团的结构，从而打乱了厌氧体系中有机体间的相互关系。一个连续运转的消化器在启动阶段应逐步增大有机负荷以避免运转失败。当产甲烷阶段是限制性反应时高强度搅拌并不合适，因为产甲烷菌在这种快速水解酸化的环境中很难适应，因此在启动阶段应采取适量搅拌。如果水解阶段为限制性反应，此时反应器内底物浓度较大，高强度搅拌对水解起促进作用。因此为达到有机物厌氧转化的最佳条件，应综合考虑搅拌所带来的积极和负面影响。 6 预处理 根据现有的研究发现,固体厌氧消化的速度较慢,对固体废物采用物理法、化学法、生物法等预处理可以提高甲烷产气量。Liu等人通过对消化底物进行240℃的蒸汽热处理5分钟，使甲烷产气率提高一倍，最终的甲烷产量增加40％。木质素和纤维素由于其本身结构，是公认的难降解物质，也是很多厌氧消化过程中的限制性因素。Clarkson等对废报纸进行厌氧消化研究，发现碱预处理可以显著提高废纸的可生物降解性，但延长浸泡时间或增大反应温度并不能提高转化率。 Hartmann等在传统的厌氧反应器前端设计了一个生物活性反应器，对厌氧消化进行预处理研究。该反应器用于68℃对底物进行超高温水解，这种反应器分离的设计是为了更大程度降解有机物为VFA，从而获得更高的产气量，同时超高温反应器可以有效去除氨的影响。结果表明VS去除率为78～89％，产气量640～790mL/g。超高温反应器中氨负荷降低7％。 对固态厌氧消化底物的物理和化学预处理研究较多，对生物预处理的研究则较少。Peter等从高温反应器中分离到能分解有机固体废物的嗜温微生物,用该微生物对污水污泥进行预处理,在1～2d内近40%的有机物被分解,而且与没有经过该预处理相比,厌氧消化过程中沼气产量提高50%；Ejlertsson研究表明，在消化开始阶段进行间歇曝气能有效去除易降解的固废，克服高浓度VFA带来的抑制；Mshandete等研究了纸浆厌氧发酵系统中，启动阶段进行9h堆肥预处理后甲烷产量提高26%；Katsura和Hasegawa进行了类似的预处理研究，对污泥进行微好氧热处理后甲烷产量提高50％。研究者认为高温好氧菌分泌的胞外酶比一般蛋白酶在溶解污泥方面更具活性。 3 厌氧消化工艺 厌氧消化处理固体废物，通过技术革新逐步形成了以湿式完全混合厌氧消化、厌氧干发酵、两相厌氧消化等为主的工艺形式。 湿式完全混合厌氧消化工艺（即湿式工艺）的最早也最为广泛。此工艺条件下固体浓度维持在15%以下，其液化、酸化和产气3个阶段在同一个反应器中进行，具有工艺过程简单、投资小、运行和管理方便的优点。这种工艺条件下浆液处于完全混合的状态，容易受到氨氮、盐分等物质的抑制，因此产气率较低。 厌氧干发酵又称高固体厌氧消化，在传统的厌氧消化工艺中固体含量通常较低，而高固体消化中固体含量可达到20%～35%。高固体厌氧消化主要优点是单位容积的产气量高、需水量少、单位容积处理量大、消化后的沼渣不需脱水即可作为肥料或土壤调节剂。随着固体浓度的加大，干发酵工艺中需设计抗酸抗腐蚀性强的反应器，同时还得解决干发酵系统中输送流体粘度大以及高固体浓度带来的抑制问题。两相厌氧消化工艺即创造两个不同的生物和营养环境条件，如温度和pH等。Ghosh最早提出优化各个阶段的反应条件可以提高整体反应效率,增加沼气产量，从而提出了两相厌氧消化。动力学控制是两相系统促进相分离最常用的手段，根据酸化菌和产甲烷菌生长速率的差异来进行相分离。还有一些技术可促进厌氧系统的相分离，如滤床在处理不溶性的有机物时可用来达到相分离。渗析、膜分离和离子交换树脂等也可用于相分离。 大多数观点认为，采用相分离技术创造有利于发酵细菌的生态环境，避免有机酸的大量积累，会提高系统的处理能力。Ghosh等利用厌氧消化处理垃圾衍生燃料(RDF)，对比了单相式和两相式反应器的处理效果，发现两相消化比传统单相式反应器，甲烷产量提高20％左右。Goel等人对茶叶渣进行两相厌氧消化研究，发现每去除1kgCOD，平均产气量为48m3，COD去除率93％，甲烷含量73％。 两相厌氧工艺的主要优点不仅是反应效率的提高而且增加了系统的稳定性，加强了对进料的缓冲能力。许多在湿式系统中生物降解不稳定的物质在两相系统中的稳定性很好。虽然两相工艺有诸多的优点，但由于过于复杂的设计和运行维护，实际应用中选择的并不多。目前为止，两相消化在应用上并没有表现出明显的优越性，投资和维护是其主要的限制性因素。4 结语 Edelmann利用生命周期(LCA)认为，厌氧消化是最适宜的有机固废处理方法。有机固废的厌氧消化技术已引起国内外的广泛关注，它们在消纳大量有机废物的同时，可获得高质量的堆肥产品和沼气，实现生物质能的多层次循环利用。 我国目前在有机垃圾厌氧消化工程应用方面的研究很少，厌氧消化的研究主要集中在水处理方面。各种厌氧发酵工艺实际应用中所存在的最大问题是规模化运行的自动化程度较低，技术装备差。因此，对厌氧消化的最佳生物转化条件、生态微环境以及设计完善的过程控制系统等方面，还需要进一步深入研究，以达到最佳的处理效果。 文献1 Borja R，Rincon B，Raposo F et al．Kinetics of mesophilic anaerobic digestion of the two-phase olive mill solid waste[J]．Biochemical Engineering Journal，2003（15）2 Ghosh, S，Henry MP，Sajjad A et al．Pilot-scale gasification of municipal solid wastes by high-rate and two-phase anaerobic digestion[J]．Water Science and Technology，2000(3) 3 Hinrich Hartmann，Birgitte K Ahing．A novel process configuration for anaerobic digestion of thermophilic post-treatment[J]．Biotechnology and bioengineering，2005(7)4 Peter F Pind，Irini Angelidaki，Birgitte KAhring． Dynamics of the Anaerobic Process: Effects of Volatile Fatty Acids[J]．Biotechnology and Bioengineering，2003(7)5 Ejlertsson J，Karlsson A，Lagerkvist A et al．Effect of co-disposal of wastes containing organic pollutants with municipal solid waste-a landfill simulation reactor study[J]．Adv Environ，2003（7）

前言第1章　绪论1 自然资源与环境概述1 自然资源的概念2　环境的概念3　自然资源、环境与经济的关系2 自然资源与环境经济学产生的背景1 资源问题不断突出2　环境污染问题不断加剧3 早期主流经济学对自然资源和环境的忽视3 自然资源与环境经济学的产生与发展1 自然资源经济学的产生与发展2　环境经济学的产生与发展4 自然资源与环境经济学的研究对象及研究方法1 自然资源与环境经济学的研究对象2 自然资源与环境经济学的研究内容3 自然资源与环境经济学的发展趋势4 自然资源与环境经济学的研究方法本章小结复习思考题第2章　资源的稀缺性及其缓解途径1　资源稀缺的含义及其现状1 资源的稀缺性及其经济含义2　造成资源稀缺的主要原因3　我国资源稀缺的现状与特点2　资源稀缺的衡量1　衡量指标的选择标准2　资源稀缺衡量指标的设计3　资源稀缺衡量指标的局限性与克服3　资源稀缺对经济的影响与缓解途径1 资源稀缺与经济发展的关系2　缓解资源稀缺的途径本章小结复习思考题第3章经济增长与自然资源可持续利用1 自然资源与经济增长1　经济增长理论概述2　古典经济增长理论关于增长要素的研究3　现代经济增长理论关于自然资源的研究4　经济增长中自然资源的可替代性2　可持续发展1 可持续发展的产生背景2　可持续发展的定义3　可持续发展理论关于资源、环境的观点3 自然资源的可持续利用1 自然资源可持续利用的含义2　资源可持续利用的实现途径3　可供选择的资源与环境政策4　循环经济与资源可持续利用1　循环经济概述2　循环经济在发达国家资源可持续利用中的作用3　循环经济对发展中国家资源可持续利用的意义本章小结复习思考题第4章　经济发展与环境问题1　环境问题1　环境问题的概念2　环境问题的历史发展3　环境问题产生的原因4　全球性的环境问题2　经济发展与环境问题1 经济与环境协调发展的理论2　环境库兹涅茨曲线3 贸易与环境的关系本章小结复习思考题第5章　资源、环境配置的经济学原理1 自然资源合理配置的基本原理1 自然资源配置的相关内容概述2　资源配置的市场理论3　资源配置的产权理论4　资源配置的外部性理论2　利润最大化与资源配置1　利润最大化理论2 不同类型市场的利润最大化3　资源配置中的利润最大化研究3　市场失灵与资源配置1 市场失灵2　市场失灵纠正4　资源配置中的福利经济问题1　福利经济理论2　资源配置中的福利经济问题研究本章小结复习思考题第6章　非再生资源的可持续利用1　非再生资源的概念与基本特征1　非再生资源的概念2　非再生资源的特征2　非再生资源可持续利用的经济学分析1 非再生资源的耗竭原因分析2　非再生资源可持续利用的经济学原理3　非再生资源的跨时间有效配置3　保障非再生资源可持续利用的经济、政策手段1 确立资源价值，理顺价格关系2　建立非再生资源核算体系3 建立和完善非再生资源的经济补偿机制4 明确和强化非再生资源资产的财产所有权5 政府通过经济杠杆对不可再生资源市场进行宏观调控6　政府的直接管理与临界控制本章小结复习思考题第7章　可再生资源的可持续利用1　可再生资源的概念与基本特征1 可再生资源的概念2　可再生资源的分类3　可再生资源的基本特征2　可再生资源的生态增长模型1 与密度无关的增长模型2　与密度有关的种群增长模型3　具有时滞的种群动态增长3　可再生资源的最优化利用1　种群数量变动2　资源开发与种群平衡3　资源的最优利用4　典型可再生资源的可持续利用1 森林资源的可持续开发与利用2　渔业资源的可持续开发与利用本章小结复习思考题第8章　公共资源及其可持续利用1　公共资源的概念及其基本特征1　公共资源的概念及含义2　公共资源的基本特征2　公共资源利用中存在的典型问题1　公共资源开发利用的外部性影响2　公共资源利用中的“公地悲剧”3　公共资源可持续利用的途径及需要解决的矛盾1　公共资源可持续利用的内涵和基本原则2　公共资源可持续利用的可能途径3 实现公共资源可持续利用需要解决的矛盾4　道德观、伦理观与公共资源的可持续利用1 环境道德、生态伦理的概念与内涵2　公共资源开发利用中的道德规范和法律法规的关系本章小结复习思考题第9章 环境污染控制理论与方法1　环境污染控制理论概述1 环境污染控制的一般原理2 污染损害3　污染控制的成本2　污染控制的目标1　社会有效率的污染排放水平2　污染控制的目标3　污染控制的手段1　管制手段2　经济手段3　几种流行的经济手段本章小结复习思考题第10章 环境与自然资源价值评估1　环境与自然资源价值观1 环境与自然资源无价值论2　环境与自然资源有价值论3 环境与自然资源价值的经济学意义4　环境与自然资源价值的分类5 环境与自然资源价值评估的理论框架6　环境与自然资源价值评估方法的选择2　直接市场估价法1　直接市场估价法概述2　剂量—反应法3　生产率变动法4　疾病成本法和人力资本法5　机会成本法3　揭示偏好价值评估法1基本概念2 内涵资产定价法3　防护支出法与重置成本法4　旅行费用法4　陈述偏好法1 陈述偏好法的概述2　投标博奕法3　比较博奕法4　无费用选择法5　成本—效益分析1　静态成本—效益分析2　动态成本—效益分析6　环境与自然资源案例1　达维台风2　污水排放3　顺德的桑基鱼塘本章小结复习思考题第11章 自然资源与环境核算1　环境资源核算的背景及意义1 环境资源核算理论性的背景2　环境资源核算的意义2　环境与经济综合核算体系SEEA1 SEEA概述2 SEEA3 自然资源核算1 资源核算的内容和程序2　将自然资源核算纳入国民经济核算体系3 自然资源核算方法4　环境核算1 市场价值法2　替代市场法3　意愿调查法4　其他核算方法5　环境资源核算的实践1 国外环境资源核算实践2 国内环境资源核算实践本章小结复习思考题

能源科技:可持续发展的动力支撑　　—专访《国家中长期科学和技术发展规划纲要》能源专家组成员倪维斗院士　　采写/张文娟 本刊记者　　“认识自然、热爱自然、善待自然、争取与自然最大可能和谐相处，是一个民族、一个国家，乃至整个世界可持续发展的前提。应该说，由于人类对于自然无序的、掠夺性的索取已经造成了当前十分严重的、不可逆转的后果，并且还在不断凸现出来。人类已经遭到了大自然的惩罚，并还要继续加重。在这种情况下，教育年轻人认识自然、理解自然有迫切的意义”，在清华大学舜德楼倪维斗院士的办公室里，倪维斗以他为《理解自然》这本书里所作的序言为开端，开始了我们的谈话，“自然资源的有限性和人们使用的无限性，将会导致我们吃子孙的饭，断子孙的路，因此，政府需要有一个宏观的纲领性的文件，从而对未来相当长一段时间内的中国发展作出建设性的规划”，倪维斗话锋一转，进入了我们采访的正题。　　《规划纲要》 意义隽永　　记者：《国家中长期科学和技术发展规划纲要》是我国科技发展的纲领性文件，为什么国家要选择这样一个时期，出台这样的一个文件？　　倪维斗：未来20年，是中国经济和社会发展的重大机遇期。《国家中长期科学和技术发展规划纲要》是关系我们新世纪现代化事业和实现中华民族伟大复兴的重大战略性文件。　　首先，全面建设小康社会、走新型工业化道路对科技发展提出了新的要求，要实现我国GDP到2020年比2000年翻两番，经济总量将可能进入世界前三位，必须走新型工业化道路，坚持以科技进步与创新为主要动力，对经济结构进行战略性调整，有效解决能源供应、生态环境和自然资源的约束，解决城乡之间、地区之间发展的不平衡性问题，逐步形成以高新技术产业为先导的产业格局。因此，制定新时期的中长期科技发展规划，是站在国家前途和民族命运的战略高度，统筹考虑，全面规划的战略之举。　　其次，从国际政治经济形势来说，随着经济全球化，尤其是科学技术的迅猛发展，世界政治经济格局已进入了一个最为活跃的变动时期，新的主导技术结构以及新的技术经济范式正在迅速形成。科学技术已经成为推动经济发展、促进社会进步、维护国家安全的主导力量，科技竞争成为综合国力竞争的焦点，各国政府纷纷调整其发展战略，把促进科技进步与创新当作其基本国策之一。目前, 我国的科技发展水平与发达国家相比还有很大差距，科技竞争力较弱。我们必须抓住机遇，从积极参与国际竞争的高度安排科技发展战略，发展科技事业，提高科技竞争力。　　此外，科技自身发展的新趋势迫使我们必须从战略的高度做出前瞻性的部署。21世纪，纳米科技、生命科学与生物技术、信息技术，以及认知科学等新兴领域的诸多技术将有机结合，学科交叉、渗透、融合将日益增强，科技发展正在孕育着历史性的重大突破，面临质的飞跃，对国民经济、社会发展与国家安全的影响越来越大。许多国家政府在相应领域进行了重点部署，实施了一批重大科技战略工程，推动科学技术的发展。因此，我们必须根据科技自身发展规律，在总体布局和发展方向上做出战略性、前瞻性的部署。《国家中长期科学和技术发展规划纲要》是新时期我国科技发展的重要的战略举措。　　能源形势 考验中国　　记者：作为能源领域的专家，《国家中长期科学技术发展规划》能源组的专家成员之一，请您介绍一下我国能源发展的形势状况。　　倪维斗：能源是人类赖以生存的五大要素之一，是国民经济和社会发展的重要战略物资。经济、能源与环境的协调发展，是实现中国现代化目标的重要前提。由于能源对于国家经济、文化和安全的重要作用，能源问题，过去是，现在是，将来仍然是各国发展战略中优先考虑的问题，在国际政治经济的舞台上，从来都占据着极为重要的地位。我国改革开放以来的二十多年经济持续增长，相应的我国能源发展取得了巨大成就。但是，由于需求量巨大，供应不足，以及全国的环境不断恶化，能源作为国民经济发展的支撑，瓶颈问题十分突出，主要表现在以下几个方面：　　首先，能源需求的持续增长与能源供给之间产生了巨大的矛盾。我国是当今世界第二大能源生产国和第二大能源消费国。2004年，我国一次能源生产量增长1%，而能源消费量增长1%，占世界能源消费总量的5%，是当今世界上能源消费增长最快的国家。我国存在巨大能源需求，目前中国人均能源消费水平只是世界平均水平的一半左右，甚至只是经合组织(OECD)国家平均水平的六分之一（中国人均能源消费量约为3吨标准煤，世界平均值是38吨标准煤左右，OECD国家能源消费量为8吨标准煤，北美人均能源消费量超过11吨标准煤）。据有关部门分析得出的结果，我国能源消耗总量大致是2020年一次能源的需求在25亿～33亿吨标准煤之间，2050年的一次能源需求将在50亿吨标准煤左右。我国的常规商品能源资源占世界总量的7%，水能资源居世界的第1位，煤炭第3位，石油第12位，天然气第22位，但是由于我国人口众多，人均可开采储量远远低于世界平均水平，保持能源供应量将是我国长期面临的严重挑战。　　第二，液体燃料的短缺问题十分严重。能源需求日益增长的同时，我国液体燃料消费量必然会逐年增加,目前我国石油进口依靠率已达到40%，根据国际能源机构（IEA）预测，到2010年、2020年我国的年液体燃料消费将分别达到55亿～71亿吨、06亿～41亿吨，进口依靠率将要超过60%。我国的石油供需矛盾日益突出，关系到国家的能源战略安全，更为严重的是，将有可能导致社会的动荡不安，因此，解决大规模石油短缺问题将是我国能源战略的一个极为重要的问题。　　第三，能源利用中的环境污染问题日益严重。同发达国家相比，中国能源利用效率仍然相对较低、能源消费的总体结构仍然处在相当不合理的状态。目前中国单位产值能耗是发达国家的3～4倍，主要工业产品能量单耗比国外平均高40%，在今后的相当长一段时间内，煤炭仍然将是我国最主要的一次能源。我国的煤炭利用存在高污染、低效率的问题。在我国SO2排放总量中由于煤炭直接燃烧占90%，在NOX排放总量中煤炭占67%，在CO2的排放中煤炭占85%，随着煤炭及其他化石燃料消费总量的增加，来自环境负担和控制费用的压力将进一步加重。如何大幅度提高煤炭及其他化石燃料的利用效率，降低污染物排放，改善对生态环境的影响是能源领域可持续发展所面临的另一个严峻的挑战。　　第四，农村及边远地区用能问题。我国目前农村人口多，居住面积广，收入水平低，目前仍有60%的农村依靠柴草、秸秆做饭取暖，不仅效率低下（仅10%～15%），而且造成较大的烟气和微颗粒污染，低效率的利用还造成了对燃料的过度需求，是造成毁林、草场破坏、水土流失、沙化面积逐年扩大等问题的重要因素之一，随着新农村政策的提出，解决农村能源的使用问题也日益提上议事日程。　　第五，温室气体和气候变化问题。中国是《京都协议书》的成员国之一，虽然目前我国还没有承诺温室气体二氧化碳的减排任务，但是由于我国庞大的人口基数，温室气体的排放量仅次于美国，到2030年前，中国有可能超过美国居世界第1位。温室气体的减排压力将会越来越大，如果等到不得不减排的时候再着手处理这一问题，将会使我国付出巨大的代价。因此，从现在开始，就应该从各个方面做好减排的准备。　　直面挑战 谋划发展　　记者：从您刚才的介绍，我们可以看出，我国能源发展存在“供需矛盾突出、利用效率低下、环境污染严重”的三大挑战，您能否结合《国家中长期科学技术发展规划》谈谈解决的途径。　　倪维斗：《国家中长期科学和技术发展规划纲要》将能源作为第一个重点发展的领域和优先主题，可见国家政策的高瞻远瞩，我国能源科技的发展应为我国实施“保障供应、节能优先、结构优化、环境友好”的能源可持续发展战略提供经济、高效、清洁的先进能源技术。研究的重点主要表现在以下的几个方面：　　首先，要加强对煤的高效开发和清洁利用的研究。它包含三个方面的内容。(1)煤的高效洁净发电过程的研究。未来我国经济发展过程中的主要一次性能源中，煤炭担当主力军的角色，至2030年，我国将有70%的煤用于发电，因此，应大力探索有可能广泛使用的洁净高效发电的途径。应大力开展燃煤联合循环发电技术的研究，如IGCC和APFBC，其中，APFBC技术能够和超临界、超超临界技术相结合。鉴于我国是煤炭大国，煤种复杂且地区分布极广，因此宜于发展多种有希望的技术路线。(2)开展煤的大规模气化研究。煤气化是煤高效清洁利用的重要途径。洁净、高效的燃烧和发电、多联产、用煤制造液体燃料的第一步都是气化，我国应及早争取建立适合中国国情的大规模气化装置。(3)开展多联产技术的研究。煤气化生成的合成气用于生产液体燃料、化工产品和发电，并把这些过程优化耦合起来。　　第二，开展解决液体燃料短缺问题的研究。它也包含三个方面的内容。(1)开展常规及非常规石油资源、天然气资源的高效开采。包括深层资源形成机理，多选回叠合盆地油气形成与分布研究，海相、岩性和不整合底层圈闭油气藏形成规律，以及地物勘探新方法和非常规油气藏的勘探等等。(2)加强煤基液体车用燃料的技术研究，液体燃料包括F-7合成燃料，甲醇和二甲醚，与此同时，要加强这类替代燃料在发动机中的应用研究。(3)展开大规模氢能系统的建立的研究。由于我国以煤为主的能源结构，开展煤制氢技术的研究对于我国意义与前景重大。在多联气条件下，如何捕捉和利用CO2是实现煤的高效及近零排放的主要途径之一，是当前国际上煤利用技术研究的热点，我国有必要抓紧时间开展相关研究，为我国的煤的可持续发展打下基础。　　第三，展开可再生能源利用的研究。可再生能源是指在自然界中可以不断再生、永续利用、取之不尽、用之不竭的资源，它对环境无害或危害极小，而且资源分布广泛，适宜就地开发利用。可再生能源主要包括太阳能、风能、水能、生物质能等。风能是指风所负载的能量，风能的大小决定于风速和空气的密度。我国北方地区和东南沿海地区一些岛屿，风能资源丰富。据国家气象部门有关资料显示，我国陆地可开发利用的风能资源为53亿千瓦，10米高度主要分布在东南沿海及岛屿、新疆、甘肃、内蒙古和东北地区。此外，我国海上风能资源也很丰富，初步估计是陆地风能资源的3倍左右，可开发利用的资源总量为5亿千瓦。太阳能是指太阳所负载的能量，它的计量一般以阳光照射到地面的辐射总量，包括太阳的直接辐射和天空散射辐射的总和。太阳能的利用方式主要有：光伏（太阳能电池）发电系统，将太阳能直接转换为电能；太阳能聚热系统，即太阳能集热器;被动式太阳房；太阳能热水系统；太阳能取暖和制冷等。水的流动可产生能量，通过捕获水流动的能量发电，称为水电。小水电在我国是指总装机容量小于或等于5万千瓦的水电站。生物质能生物质能包括自然界可用作能源用途的各种植物、人畜排泄物以及城乡有机废物转化成的能源，如薪柴、沼气、生物柴油、燃料乙醇、林业加工废弃物、农作物秸秆、城市有机垃圾、工农业有机废水和其他野生植物等。整体来说,可再生能源是十分分散、能量密度很低的,尤其是生物质能,所以对它的应用不能照抄外国,必须结合我国广大小农经济的具体情况,原则上应是分散的能源分散用。譬如说,秸秆低耗能冷压缩成颗粒,用于广大农村的炊事,采暖和小城镇的小容量工业锅炉就是一个很好的应用方向。　　第四，展开节能技术的研究。据有关机构研究，按现行汇率计算的每百万美元国内生产总值能耗，我国为1274吨标准煤，比世界平均水平高4倍，比美国、欧盟、日本、印度分别高5倍、9倍、7倍和43倍。单位产品能耗方面，电力、钢铁、有色、石化、建材、化工、轻工、纺织8个行业主要产品单位能耗平均比国际先进水平高40%。主要耗能设备能源效率方面，燃煤工业锅炉平均运行效率65%左右，比国际先进水平低15～20个百分点；中小电动机平均效率87%，风机、水泵平均设计效率75%，均比国际先进水平低5个百分点，系统运行效率低近20个百分点；机动车燃油经济性水平比欧洲低25%，比日本低20%，比美国整体水平低10%；载货汽车百公里油耗6升，比国外先进水平高1倍以上；内河运输船舶油耗比国外先进水平高10％～20%。单位建筑面积能耗方面，我国单位建筑面积采暖能耗相当于气候条件相近发达国家的2～3倍。我国能源利用效率低下的主要原因是粗放型经济增长方式，结构不合理，技术装备落后，管理水平低。　　节能除了依靠技术进步以外，更重要的是相关的政策、法规及其实施的“刚”度。改革开放以来，我国开发、示范（引进）和推广了一大批节能新技术、新工艺和新设备，节能技术水平有了很大提高。但从总体上看，投入不足，创新能力弱，先进适用的节能技术，特别是一些有重大带动作用的共性和关键技术开发不够。同时由于缺乏鼓励节能技术推广的政策和机制，多数企业融资困难，节能技术推广应用难。针对工业部门能耗巨大的现实和交通运输、居民生活用能快速增长的趋势，应着重加强重点部门和共性关键节能技术的研究和推广应用，在2010年前，坚持自主开发和技术引进相结合的路线，大力推广现有成熟的、先进的节能技术，解决节能设备和产品的经济使用、高可靠性、大批量生产的工艺和技术问题，实现跨越式发展，通过大规模应用达到普遍节能。2010年后，大力发展节能高新技术，在新型能源使用及转化技术、可再生能源技术、高效节能技术及产品等方面取得突破，大幅度挖掘节煤、节油和节电潜力。　　第五，加强其他与能源相关的技术研究，如石油、天然气储量的探测、高效利用的研究。加强民用核能技术的研究，加强电网安全性与可靠性研究等。　　高校肩负发展重任　　记者：作为国家创新体系的重要组成部分，我国高校在能源科技发展中该怎样做？　　倪维斗：未来相当长一段时间内，我国高校科技工作的重点就是要注重优化结构、创新体制、凝练目标、重点突破，为国家的现代化建设提供基本的人才支持和一大批创新性科技成果。在能源科技领域，高校要在国家的支持下，结合高等学校在能源领域的研究特色和长处，强化高校之间的合作，努力将成果转化成生产力，建设国际上具有一流水平的清洁能源、新能源和环境保护高新技术实验研究的开发平台。保障措施有如下几个方面：　　首先，要注重学科的融合，加强和整合现有的能源科技研究机构，建立具有强大技术集成能力的综合性国家重点实验室。主要任务其一是从事清洁能源技术和新能源的研究开发，其二是注重国家能源供应系统研究，研究不同发展选择路径对生产成本、进口替代的影响，重视人文、管理学科的相互结合。　　第二，要吸引优秀人才，组织团队进行大项目攻关，保持精干和高效的科研管理队伍；积极争取国家在能源及相关领域下达的重大研究课题，提高科研的起点和质量，推动与国家大型科研机构及大型企业建立联合关系，促进科技成果的迅速转化，形成新的经济增长点；扩大国际合作，加强与国际一流大学、科研机构及大型公司的交流合作。　　第三，高校应突出高技术研究的特色，集中力量研究宏观思路，开展多学科交叉（如与交通、水利、土木行业的交叉）和基础性、战略性、前瞻性的工作，这是高校的优势所在。

自人类迈进二十一世纪以来，开发新能源成为全世界解决能源问题的共同出路。与化石燃料相比，新能源具有可再生、对环境友好等特点，更符合人类可持续发展的目标。其中，太阳能、风能、地热能、水能和潮汐能，是开发较早的新能源，已在实际生产生活中发挥了重要作用。曾一度被人们看好的核能，有着极高的能量值，可是其高额的研究经费和潜在的巨大危害，令世界大多数国家望而却步。而作为新能源中“排行”靠后的生物能源，却在最近几年内忽然人气锐增，势如破竹，被看作是“新能源家族中可实现度最高的未来能源”。那么究竟何谓生物能源呢，它又有哪些优势呢？　　生物能源主要是指在生物体（尤为植物）内，经一系列化学反应所释放出的能源。其实，世界上90％的能源消耗来自植物光合作用所积累的能源，比如地球演变的历史上所积累的矿物能源（煤、石油、天然气，因为它们是堆积在一起的有机物经地质作用形成的），但总有一天矿物能源会消耗殆尽。能源危机威胁着人类的发展。所以发展可再生能源，尤其是利用植物光合产物转化成便于利用的能源，引起了全球的广泛关注。人类利用生物能源，实质是将植物通过光合作用固定的碳的能量释放出来。它的好处在于: 一、中性的碳循环，即无温室效应；二、生物再生的能源有助于克服化石能源供应的萎缩。并且，发展生物能源不仅可以解决资源、环境的问题，还可以带动农业产业的发展，实现环境与经济效应的双赢。　　我国是粮食大国，同样也是资源匮乏的国家，发展生物能源十分符合我国国情。对此农业部成立了生物质工程中心，目的是加强农业生物质技术研究，在生物能源的开发等方面取得突出进展，并使我国在未来达到国际先进水平。与此同时，国内的众多科研院所也纷纷加入研发行列，试图开拓出自己的道路。巴西、美国等利用玉米淀粉转化成酒精已经取得很大成效。但是就世界上大多数国家和地区而言，不可以用有限的耕地去发展新的能源产业。所以利用荒地种植野生、半野生的能源植物已是大家认同的发展方向。另外，与某些国家采用把玉米、甘蔗转化成乙醇，或是从油料作物中提取生物柴油不同，我们国家把目光放在了更为高效的纤维素上。 纤维素是植物的木质部分，是地球数量最大的植物积累的产物，植物从太阳获取的绝大部分能量也都储存于其中。所以人类一旦掌握了释放出存储在纤维素中能量的技术，能源危机便可迎刃而解。在北京市科技俱乐部组织的活动中，我有幸与北京大学生命学院的老师交谈，并聆听纤维素技术。我了解到纤维素的降解和转化是十分关键的步骤，也是巨大的难点。纤维素犹如植物坚硬的骨架，因此它远比淀粉类物质难分解。而突破口是找到合适的能高效分解纤维素的酶。在这方面生物又给了我们很好的启示：牛吃的是充满纤维素的草，却能够胜任拉车、耕田的重活。牛胃的反刍作用，其中微生物产生的纤维素酶都是很值得我们去模拟的。我们的课外科技活动就从这里开始,从分离和改良纤维素酶基因开始。而从另一个角度，我们还可以通过提高植物体内的纤维素含量，来提高转化效率，降低成本。天然的甜高梁、柳枝稷是目前已知的高纤维素含量植物，而通过对它们进行转基因处理，我们能从单位植株中获得更多的纤维素。　　生物能源的开发与生物技术、基因工程密不可分。北大的老师向我讲述了基因工程在培育能源植物中的作用。其中包括促进光能产物的积累，促进采收后纤维素的降解，以及要使能源植物在缺水的环境中生长，要使这些植物耐受低温、增加一年中光能转化的时间。这些都是可以通过基因操作技术来实现。这些工作正是我们这一代人明天要做的事情。今天，我们要多学习这方面的高新技术知识。　　作为当代的青少年，我们需要放眼世界，密切关注生态环境和资源问题。过去，我们曾开展节水宣传、参与植树造林，为美化环境做出贡献。而现在我们要身体力行，加入到开发、宣传新能源的行列中。比如，我们可以在实验田里学农劳动，负责原料作物的种植和养护；有组织地进行野外考察，研究各种作物的成分及价值，提供给有关部门。或者科学合理地运用已有的知识，为增强农作物的环境适应性、解决荒漠化问题积极献言献策。我们还可以在学校内做培养微生物、植物的组织培养等实验，提高对生物工程技术的认识水平；加入青少年科技俱乐部，进入科研院所，与导师合作研究相关课题。或者是在学校、社区中宣传生物能源的使用前景…… 总之，有无数活动与创意等待我们去实施。在这个过程中，不但能丰富自己的文化知识，还可以提高科学素养，锻炼能力！其实，我们的力量并不微小。只要我们报有一颗热爱科学的心，将热情与智慧投入其中，就会获得意想不到的收获。而我们的家园，也必将在你我的行动中，变得越来越美丽！