一种新的畜禽粪便污染处理方法

李继连,王 丽,李忠浩

(河北北方学院动物科技学院,河北张家口075000)

近年来,随着集约化畜禽养殖的蓬勃发展,畜禽养殖带来的环境污染已成为农村和城郊不可忽视的环境问题[1-4].有报道称,全国畜禽粪便每年的排放量超过40亿t,是工业废物的4.1倍[5],同时这些粪便大多都未经过处理而直接排放到环境中的,这对于农业环境带来了极大的威胁.也有研究报道显示,目前80%的畜禽粪便没有进行资源化利用,这样庞大的废弃物已成为造成资源浪费和环境污染最主要的原因[6-8].因此,开发出新的畜禽粪便综合利用技术,变废为宝,具有十分重要的现实意义.

1 能源短缺

随着工农业的蓬勃发展以及人民生活水平的不断提高,人类对于能源的需求越来越大,有关专家估计,在未来的10～20年里,世界能源的消耗量将翻一番,因此而带来了能源危机,这也正日益严重的困扰着整个世界[9].所以寻找并开发新的能源、减少环境污染的有效途径,显得越来越重要.石油危机的出现,引起了世界各国对能源危机的普遍担忧,虽然核能、水利发电等可以提供一些能量的来源,但是用于汽车燃料等的能源仍需开发.有报道称：生物能源就有可能成为与现代引擎技术相匹配的耐用型能源[10],目前许多国家将燃料酒精作为石油的替代品,开始了燃料酒精的发酵工业,这被认为是一种应用前景很好的环保能源.美国能源部为了减少能源消耗量和控制矿物燃料对环境造成的消极影响,他们制定了一个目标,就是将到2030年用燃料酒精代替30%的汽油燃料.另外,欧盟也制定了这样一个目标,即到2010年用生物燃料代替5.75%的汽油和柴油燃料[11-13].

2 纤维素类物质发酵生产燃料乙醇

纤维素是世界上资源量最丰富的,同时也是可再生的资源,每年植物通过光合作用就可以产生1 000亿t的纤维素,其中仅陆生植物产生的纤维素约500亿t,同时纤维素资源还是最主要的生物质资源,它占地球生物总量的60%～80%,这是自然界为人类提供的一笔巨大的物质财富.而中国也有相当丰富的纤维素原料,仅农作物秸秆、皮壳一项,每年的产量就可以达到7亿多t,其中中国的三大秸秆资源即玉米秸、小麦秸和稻草,占全世界秸秆总产量的20%～30%.可是这么丰富的秸秆资源仅很少量的用于造纸、建筑、纺织等行业,其余大部分都未开发利用而直接丢弃或焚烧,有很多甚至造成了严重的环境污染.近年来,随着科学技术的发展,以纤维素类物质为原料生产燃料酒精的研究异常活跃.因为纤维素类物质具有很多的优点,如来源丰富、品种多、再生时间短等特点.同时纤维素酒精燃料是以稻草和木屑等为原料,在燃烧时产生的能量要大大高于生产时耗费的能量[14].有研究显示：纤维素酒精燃料燃烧时所排放的温室气体不仅比汽油减少90%,而且远低于谷物类乙醇燃料,而且产能效率高,不生成有毒的一氧化碳气体等优点.因此,发展纤维素降解发酵生产燃料酒精工业是一个具有巨大潜力的新领域.目前,直接将纤维素物质生物转化成燃料酒精的工艺已得到美国、巴西和日本等国家的广泛重视.美国政府积极鼓励燃料酒精的生产和使用,酒精燃料在美国的燃料市场上的份额已经达到了8%,同时以纤维质为原料生产酒精的技术还申报了大量的科学专利技术.巴西从20世纪80年代就利用榨汁后的蔗渣发酵燃料酒精[15],而且其国内生产的汽车90%采用酒精燃料的发动机.日本的研究者也进行了纤维素制备燃料酒精的大量研究,目的是为了降低成本进行工业化生产,至今酒精发酵技术已基本完善.世界上很多的发达国家也都在进行生产燃料酒精的工程[16].

3 畜禽粪便的排放及危害

中国是一个农业大国,同时也是世界上畜禽养殖的大国,在农业和畜牧业生产中的废弃物种类繁多、数量巨大.这些废弃物大多未经过妥善处理而直接排入环境中,从而造成了严重的环境污染.据统计资料显示,2003年我国畜禽粪便产生量约31.90亿t,远超过当年工业固体废弃物10.00亿t的总量.畜禽粪便中的总氮量为1 394.60万t,总磷量为378.50万t[17].畜禽粪便很容易流入水体中,据估算,我国畜禽粪便主要污染物的流失量化学耗氧量为728.26万t、生化耗氧量为498.83万t、氨氮为132.20万t、总磷为41.95万t、总氮为345.50万t,其中化学耗氧量的流失量已接近全国工业废水中化学耗氧量的排放总量,总氮和总磷的流失量超过化肥的流失量[18].随着中国养殖业的进一步发展,畜禽粪便排放量还会进一步加大,由此造成的环境污染将会更加严重.畜禽粪便给人类带来的不利影响已经不容忽视,如不及时处理,还会造成水源、空气、土壤的污染以及传染性疾病的流行,给人类的生产生活造成更恶劣的影响.

近年来,将畜禽粪便无害化处理和废弃资源的再利用,以最大限度地满足环境的可接受性成为人们追求的目标,同时也随之产生了许多畜禽粪便的处理方法,如畜禽粪便肥料化[19,20],将其转化成有机饲料[21,22],或者利用畜禽粪便生产沼气用做燃料[23-25]等.虽然这些治理方法在一定程度上解决了畜禽粪便对环境污染的问题,但是在具体的处理技术上仍然存在着一些不足之处,还有待进一步的研究利用.

4 利用畜禽粪便生产燃料酒精

畜禽粪便是一种非常宝贵的资源,有报道称,畜禽粪便中含有丰富的纤维素[26],而人们却将其浪费掉,忽略了把它作为生产燃料乙醇的原料[27-30].纤维素制备燃料酒精的工业技术研究在国外已有很多报道[31,32],而中国在这方面的研究起步较晚[33-38].有研究显示,牛粪中纤维素含量为40%、半纤维素为27%[39]；猪粪中纤维素含量为32%、半纤维素为23%；鸡粪中含有纤维素10%～16%.如果按目前的统计资料,国内1 000头以上的猪场、100头以上的牛场、10万只以上的鸡场共近15 000余家,每年畜禽养殖业产生的粪便量约为17.3亿t,其中纤维素和半纤维素的含量就达11.1亿t,如果将其作为制备燃料酒精的新型原料,会有非常好的发展前景.这不仅可以减少畜禽粪便带来的环境污染、保护环境[40],同时,也是解决能源短缺问题的重要途径,还可以使养殖户增加收益,为社会创造巨大的经济效益.

畜禽粪便对环境的影响已成为全世界各个国家面临的共同问题,因此,防治畜禽粪便的污染已刻不容缓.二十一世纪是一个崇尚绿色、注重环保、节约能源的时代,一切活动与生产活动都将在环保的前提下进行,解决畜牧业污染问题也是保护生态环境的一项重要内容.法国空想社会主义者傅立叶曾说：“垃圾是放错了地方的财富”.实现农村有机废物的资源化,变废为宝,将对畜牧业的发展起到举足轻重的作用.目前,以纤维素作为燃料酒精的生产原料,依靠高新技术,通过筛选种植高能、高产的生物资源,利用我国大量的畜禽粪便资源,从而实现利用纤维素生产燃料酒精技术的产业化,才能在一定程度上满足人类对液体能源的大量需求.那么如何让畜禽粪便不再是垃圾,如何更好的发挥其应有的价值,值得我们做更进一步的研究探讨.

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