农业废弃物资源化利用技术的应用进展3

陈智远 石东伟 王恩学 张 正

(1.浙江省生物质燃料利用技术研究重点实验室,浙江杭州310020;2.杭州能源环境工程有限公司,浙江杭州310020)

农业废弃物也称为农业垃圾,是指农业生产和农村居民生活中不可避免的非产品产出,具有数量大品种多形态各异、可储存再生利用、污染环境等特性,主要包括植物性纤维性废弃物(农作物秸秆、谷壳、果壳及甘蔗渣等农产品加工废弃物)和动物性废弃物(畜禽粪便、冲洗水、人粪尿)。中国是世界上农业废弃物产出量最大的国家,据统计,我国每年产生放入畜禽粪便量26亿t,农作物秸秆7亿t,蔬菜废弃物1.0亿t,乡镇生活垃圾和人粪便25亿t,肉类加工厂和农作物加工场废弃物1.5亿t,林业废弃物(不包括薪炭柴)0.5亿t,其它类有机废弃物约有0.5亿t,折合7亿t的标准煤[1,2]。从资源经济学上讲,它是一种特殊形态的农业资源,如何充分有效地利用将其加工转化不仅对合理利用农业生产和生活资源、减少环境污染、改善农村生态环境具有十分重要的影响,而且对能源日益枯竭的今天具有重大意义。近年来,国内外农业废弃物的资源化利用技术与研究得到较大的发展,其资源化利用日益多样,从总体来看,国内外农业废弃物的资源化利用主要分为肥料化、饲料化、能源化、基质化及工业原料化等几个方向。

1 肥料化

农业废弃物肥料化利用是一种非常传统的用方式,分为直接利用和间接利用。直接利用是一种最直接最省事的方法,在土壤中通过微生物作用,缓慢分解,释放出其中的矿物质养分,供作物吸收利用,分解成的有机质、腐殖质为土壤中微生物及其他生物提供食物,从而一定程度上能够改善土壤结构、培育地力、增进土壤肥力、提高农作物产量,但自然分解速度较慢,尤其是秸秆类废弃物腐熟慢,发酵过程中有可能损害作物根部[3]。

间接利用是指废弃物通过堆沤腐解(堆肥)、烧灰、过腹、菇渣、沼渣、或生产有机生物复合肥等方式还田。堆沤腐解还田是数千年来农民提高土壤肥力的重要方式,传统的堆沤腐解具有占用的空间大,处理时间较长等缺点[4],随着科学技术水平的提高,利用催腐剂、速腐剂、酵素菌等经机械翻抛,高温堆腐、生物发酵等过程能够将其高值转化为优质的有机肥,具有流水线生成作业、周期短、产量高、无环境污染、肥效高、宜运输等优点;烧灰还田主要指秸秆通过作为燃料、田间直接焚烧的方式,由于田间直接焚烧损失肥力、污染空气、浪费能源、影响交通等缺点[5],现政府已出台相关禁止焚烧的法律法规;过腹还田具有悠久历史,是一种效益很高的方式,是适当处理的废弃物经饲喂后变为粪肥还田,对保持与促进农牧业持续发展和生态良性循环有积极作用;菇渣还田是指培育食用菌后,菇渣进行还田,经济、社会、生态效益兼得;沼渣还田是指厌氧发酵后副产品沼液、沼渣还田,其养分丰富、肥效缓速兼备,是生产无公害农产品良好选择;生产有机生物复合肥是能够进行工业化制作、商品化流通、高效利用方式。

2 饲料化

农业废弃物的饲料化主要包括植物纤维性废弃物饲料化和动物性废弃物饲料化。植物纤维性废弃物主指秸秆类物质,秸秆中的木质素与糖结合在一起使得瘤胃中的微生物及酶很难分解,并且蛋白质低及其他必要营养缺乏,导致直接饲喂不能被动物高效吸收利用,需要对其进一步的加工处理改进其营养价值、提高适口性和利用率[6]。归纳为:机械加工、辐射、蒸汽等物理处理,NaOH、氨化、Ca(OH)2-尿素、氧化等化学处理,青贮、发酵、酶解等生物学处理,还有就是多种方法复合处理。各种处理方法对于改进营养价值、提高利用率均有不同程度的作用,究竟采用何种方法好,应根据具体条件因地适宜的综合选择[7]。例如孙清等[8]采用黑曲霉、白地霉组合菌株对榨汁后的甜高粱茎秆渣及发酵残渣进行发酵,所得蛋白饲料的粗蛋白含量由2.01%提高到21.43%,粗纤维由12.37%降为2.34%;英国Aston大学的研究者从农作物秸秆中筛选出一种白腐菌属真菌,它能降解木质素,但不能降解纤维素,用这种真菌发酵农作物秸秆 ,能最大限度地提高农作物秸秆的消化率,使农作物秸秆的消化率从9.63%提高到41.13%,效果极为明显。据粗略测算,如果我国秸秆资源的40%用于发酵饲料,就会产生即相当于112亿t粮食的饲用价值。

而动物性废弃物饲料化主要指畜禽粪便中含有为消化的粗蛋白、消化蛋白、粗纤维、粗脂肪和矿物质等,经过热喷、发酵、干燥等方法加工处理后掺入饲料中饲喂利用[9,10],该技术需要特别注意灭菌彻底消除饲料安全隐患。有试验表明利用米曲霉和白地霉接入鲜鸡粪与麸皮等混合料中进行固态发酵,并在发酵过程中添加氮源制的饲料适口性较好,可替代部分配合饲料,添加40%鸡粪饲料喂猪后,猪日增重比单喂配合饲料增加10.83%[11]。

3 能源化

农业废弃物的能源化利用主要分为厌氧发酵及直燃热解两个方向。厌氧发酵分为制沼气和微生物制氢技术;厌氧发酵制沼气技术是指农业废弃物经多种微生物厌氧降解成高品位的清洁燃料—沼气(甲烷含量50%-70%)及副产品沼液和沼渣的过程。研究表明,农作物秸秆、蔬菜瓜果的废弃物和畜禽粪便都是制沼气的好原料[12,13],并且混合废弃物共处理比单独处理时生物气的产量有显著提高[14]。沼气除了可供日常生活(如烧饭、照明、取暖)外,还可以进行大棚温室种菜、孵化雏鸡、增温养蚕、发电上网、车用燃气供应等,副产品沼液沼渣含有丰富的氮、磷、钾等营养物质,可作为优质的有机肥,采用热电肥联产模式,实现资源高效利用,废物零排放[15]。据报道,截至2007年底,全国沼气工程总数到达26871处[16],并且主要以畜禽养殖业的废弃物为原料工程居多[17,18]。而微生物制氢技术是指利用异养型的厌氧菌或固氮菌分解小分子的有机物制氢的过程,具有微生物比产氢速率高、不受光照时间限制、可利用的有机物范围广、工艺简单等优点,是农业废弃物利用非常具有潜力的方向[19],目前对其有较多的实验研究[20-24],但该技术至今没有被广泛的利用,工程实例较少,只在哈尔滨有世界首例发酵法生物制氢[25]。

直燃热解又分直燃和热解两方面。直燃作为一种传统获得热能的技术一直存在,例如使用秸秆(其能源密度能达到13 376-15 466 kJ/kg[26])和草原地区牛马粪便直燃做饭、取暖,但随着社会发展与人民生活水平的提高,绝大部分正逐步由煤、燃气或电取代,目前只有在贫困地区少量使用,在城市周围或比较富裕地区秸秆消耗为零[27]。而现阶段直燃有表现为生物质固体成型燃料供热与发电和有机垃圾混合燃烧发电,例如使用生物质能成型燃料在工业锅炉和电厂中代替部分煤、天然气、燃料油等化石能源[28],将收集的废旧农膜、城市垃圾直接放进焚烧炉里焚烧,产生的热能可以用于采暖或发电。农业废弃物通过热解技术可以转化为清洁的气体燃料、热解油和固体热解焦等产品,富氢燃料气体部分可以进入锅炉燃烧、进行城镇(或集中居住的较大乡村)的集中供热供气、供发电机发电或者供燃料电池等;热解液体经过加工制备生物柴油、生物汽油或者生产酸、醇、酯、醚等有机化工产品,对我国的原油资源短缺有所缓解;固体热解焦由于空隙发达、比表面积较大可作为吸附材料用于环境污染治理,或者作为燃料供热解所需的热源。迄今为止,国内外对与农业废弃物有关的生物质进行过多方面的加工研究。例如:唐兰等[29]对生物质在高频耦合等离子体中的热解气化行为进行研究表明该技术能大幅度提高生物质气的热值及产率;张振华等[30]对锯末、稻壳、纸屑、橱芥、塑料和橡胶6种固体废弃物热解表明除谷壳外液体产物收率都在50%左右,并且其中汽油和柴油馏分共达到60%以上,是一种具有很高价值的粗成品;梁新等[31]通过对生物质热裂解制得热解油并进行热解油的精制研究;德国进行固体废弃物热解的工业化示范[32]。

4 基质化

基质化是指利用经适当处理的农业废弃物作为农业生产(如栽培食用菌、花卉、蔬菜等,及养殖高蛋白蝇蛆、蚯蚓等)的基质原料。作为基质,主要起支持、固定植株,并为植物根系提供稳定协调的水、气、肥环境的作用,应达到有适宜理化性质,易分解的有机物大部分分解,施入土壤后不产生氮的生物固定,通过降解除去酚类等有害物质,消灭病原菌、病虫卵和杂草种子等标准[33];其关键在于原料的选取及配比,和原料的前处理。玉米秸、稻草、油菜秸、麦秸等农作物秸秆,稻壳、花生壳、麦壳等农产品的副产物,木材的锯末、树皮等,甘蔗渣、蘑菇渣、酒渣等二次利用的废弃有机物,鸡粪、牛粪、猪粪等养殖废弃物都可以作为基质原料[34]。刘伟等[35]采用炉渣、菇渣、锯末和玉米秸混配有机基质,施用有机固态肥,番茄产量最高达36.05kg/m3以上,蒋伟杰等[36,37]采用向日葵秆、玉米秆、玉米芯、菇渣、锯末等作为原料配制成基质栽培蔬菜,产量和品质均得到大幅度提高,李瑞哲等[38]使用蘑菇底料、动物粪便等农业废弃物对蚯蚓生长的影响进行研究,以便为低成本高效生产蚯蚓这种高效动物蛋白,制造优质饲料的添加剂。

5 工业原料化

农业废弃物中的高蛋白资源和纤维性材料可以生产多种生物质材料和农业资料,例如秸秆作为纸浆原料、保温材料、包装材料、各类轻质板材的原料,可降解包装缓冲材料、编织用品等,或稻壳作为生产白碳黑、炭化硅陶瓷、氮化硅陶瓷的原料;棉籽加工废弃物清洁油污地面;或棉秆皮、棉铃壳等含有酚式羟基化学成分制成聚合阳离子交换树脂吸收重金属;或利用甘蔗渣、玉米渣等二次利用废弃物制取膳食纤维食品,提取淀粉、木糖醇、糖醛等,或者把废旧农膜、编织袋、食品袋等经过一定的工艺处理后作为基体材料,同时加入适当的添加剂,通过一定的处理和复合工艺形成以球-球、球-纤维堆砌体系为基础的复合材料[39,40]。目前我国已经成功开发出了”秸秆清洁纸浆及综合利用新技术”,因此只要能科学合理地应用,适当扩大规模,实现清洁生产,在一定时期内秸秆仍将是一种较可靠的非木材纤维造纸原料[27]。使用秸秆制造各类轻质板材其保温性、装饰性、耐久性均属上乘,不仅可以弥补木材的短缺,减少森林的砍伐,保护森林资源,而且还可消耗大量以稻草、麦秸为主的秸秆资源,降低秸秆焚烧所带来的大气污染,具有较高的生态效益。原料化是农业废弃物利用的一个重要途径,其关键是依靠科技开发利用,最大程度的利用农业废弃物中有益的物质循环利用,是未来农业废弃物利用的一个重要方向。

6 小 结

针对农业废弃物的特性应用现代的生物工程技术提升农业废弃物的肥料化、饲料化、能源化、基质化及工业原料化水平,使技术上向机械化、无害化、资源化、高效化、综合化发展,产品上向廉价化、商品化、高质化、多样化和多功能化靠拢。物尽其用、变废为宝、高效利用废弃物达到消除污染、改善农村生态环境、促进农业可持续发展的目标。

(编辑:李 琪)

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