双碳背景下农林有机废弃物资源化利用模式研究

甘福丁唐健甘贵作蒋湖波石媛媛潘波覃祚玉赵隽宇

(1.广西壮族自治区林业科学研究院，广西 南宁 530002；2.广西优良用材林资源培育重点实验室，广西 南宁 530002； 3.广西电力职业技术学院，广西 南宁 530200)

农林有机废弃物主要是农林生产、加工、畜禽养殖和农村居民生活排放的有机废弃物的总称，主要包括植物纤维性废弃物和畜禽粪污2大类。植物纤维性废弃物又包括作物秸秆、林业生产剩余枝丫树叶、木材加工剩余木皮边角料、甘蔗渣等。

我国自2020年9月提出应对气候变化的“双碳”目标后，就正式进入了“双碳”时代。“双碳”目标的提出，为农林有机废弃物综合利用迎来了重要的发展战略机遇期。我国农林有机废弃物种类多、数量大、利用率偏低。在“双碳”的背景下，探讨农林有机废弃物资源化利用模式对实现“双碳”目标具有重要的现实意义。

1 农林有机废弃物可利用性

我国是农业大国，农林有机废弃物量多面广。据统计和估算，全国农作物秸秆产量约为8.7×108t，畜禽粪便产量约为3.3×109t，林业废弃物5×108t[1]。但是不同有机废弃物，其来源、收集难易程度、利用方式、处理难度相差很大。农林有机废弃物可利用性对比情况见表1。

表1 农林有机废弃物可利用性对比

依据不同地域、品种类型、技术条件，农林有机废弃物资源化利用模式有多式多样，但主要为能源化、饲料化、肥料化、原料化等模式。

2 农林有机废物资源化利用模式

2.1 能源化利用模式

能源化利用是减量化、无害化处理农林有机废弃物的主要途径。另外作为一种生物质能，具有实现负碳排放的潜力，是应对气候变化战略的关键组成部分[2]。农林有机废弃物能源化利用方式主要有直接燃烧、压块固化、气化等。

2.1.1 直接燃烧

薪柴、枝丫树叶、作物秸秆、木皮边角料直接燃用是我国农村传统能源利用方式。由于其结构疏松，体积大，长距离运输不经济，因此大多就地利用。

直接燃烧大致可分为炉灶燃烧、锅炉燃烧和固型燃烧等。炉灶燃烧是最原始的利用方式，一般适用于农村或山区分散独立的家庭，燃烧效率低。锅炉燃烧一般采用现代技术，适用于大规模利用，燃烧效率较高。

我国北方地区农作物秸秆产量大、覆盖面广、资源充足，打捆直燃是其能源化利用的一种有效方法。以秸秆收储运体系为基础，通过秸秆搂草机、收获机、打包机作业，将田间秸秆收集、打捆成大圆包、小方包后，配送至秸秆直燃锅炉进行集中供热或工业生产使用。

直接燃烧发电是由锅炉设备利用薪柴、秸秆、木皮边角料、甘蔗渣直接燃烧生产蒸汽，再利用蒸汽推动汽轮发电系统进行发电的技术。该利用技术比较成熟，在原料充足的地方容易推广。

2.1.2 压块固化

植物纤维性废弃物分布不均，且不易运输。将废弃物压块固化是一种比较好的方法。通过一定的机械过程，将疏松结构的植物纤维性废弃物用粉碎机粉碎，使用“固型燃料成型机”把粉碎的废弃物加热、压制成“植物生物质煤”，或利用干馏技术将其干馏变成“人工生物质炭”[3]。制成商品性的炊事、供热燃料，密度大，热值高，燃烧时间长，并且便于运输、存储、销售及燃用。

2.1.3 气化

2.1.3.1 直接气化

直接气化是以农林有机废弃物为气化原料，在缺氧条件下加热，使之发生热解气化反应的能量转化过程。此过程实质是植物生物质中的C、H、O等元素的原子，在一定反应条件下，变成CO、CH4、H2等可燃性气体的分子，从而使植物生物质中的大部分能量转移到这些气体中[3]。

直接气化需要使用热解气化炉。热解气化炉以秸秆等植物纤维较多的有机物为原料，气化成高品位气体燃料。可燃性气体可用于农户集中供气、锅炉供热、作物子实烘干、农副产品加工，也可用于驱动内燃机、热气机等动力装置。固体副产品可用于制作“炭基肥”，促进秸秆炭化还田，发展绿色有机农业。液体副产品可用作家畜消毒杀菌液或作物叶面肥等。

2.1.3.2 厌氧发酵产沼气

厌氧发酵实质上是人畜粪尿、生活有机污水和植物茎叶等有机物质在一定的湿度、温度和厌氧条件下，经微生物发酵生成的一种清洁、优质、高品位的沼气燃料的过程。糖厂、酒精厂等轻工食品加工过程产生的有机污水也是沼气发酵的优质原料。

作物秸秆也可以作为沼气发酵原料，而且原料产气率较高。由于秸秆原料含有大量纤维素、半纤维素和木质素，C/N较高，不适宜沼气发酵微生物的正常成长，需要先通过物理、化学、生物等方式进行预处理[4]。若能与畜禽粪污按比例混合发酵，效果更好。

户用沼气池沼气可以直接用于农户炊事和照明；中小型养殖场沼气工程沼气可用于集中供气、发电、畜禽幼仔保温、职工生活用能等；大型沼气工程沼气可用于集中供气、提纯净化制作生物天然气、发电上网、车用燃料等。产生的沼肥，可用于生态循环农业，提升土壤肥力，生产绿色农产品。

2.1.4 其他能源化利用

主要为有机废弃物液化技术。从农林有机废弃物中直接提取碳氢化合物，制成液体燃料；将秸秆、甘蔗、玉米、薯干等经过微生物的糖化发酵生产甲醇、生物乙醇等；隔绝空气的情况下，对有机废弃物加热至750～860K[3]，使之转化为液体燃料等。但这些技术还不太成熟，市场化程度低。

2.2 饲料化利用模式

秸秆饲料化利用模式是将农作物茎叶直接或调制后喂饲家畜。在禁牧、舍饲条件下，秸秆是重要的粗饲料来源，可以被牛、羊等反刍牲畜吸收和利用。但是秸秆质地粗硬，直接饲喂存在适口性差、采食量低、消化率低、营养价值不高等。要提高秸秆饲料化综合利用率，往往需要通过物理、化学或生物等方法加以处理，如秸秆粉碎处理、青储处理、压块处理、碱化处理等。蒸汽爆破预处理可破坏玉米秸秆纤维结构，提高瘤胃微生物黏附效率，增强秸秆瘤胃降解率和发酵能力，给牛、羊提供更多的能量和营养。

2.3 肥料化利用模式

肥料化利用模式是将秸秆、畜禽粪便、糖厂滤泥等有机废弃物进行肥料化处理与利用技术。有机废弃物肥料化利用可以增加土壤有机质，改善土壤结构，尤其是土壤中各种微生物的组成和数量。土壤微生物可通过自身的生理作用对土壤中的各种元素进行转化，使之能被植物吸收利用。土壤中有机质含量和成分是影响微生物数量和种类的主要因素。肥料化利用可减少化学肥料施用，提高作物产品品质和产量，促进生态循环农业的发展，有助于减污降碳，保护环境。

农林有机废弃物肥料化模式一般有秸秆机械翻埋还田技术、秸秆粉碎覆盖还田技术、添加腐熟剂秸秆还田技术、秸秆生物反应技术、秸秆有机肥生产技术、秸秆粪便混合堆肥技术和糖厂滤泥发酵、沼渣沼液制作有机肥等。

2.4 原料化模式

甘蔗是主要糖料作物之一，甘蔗渣是糖厂的副产品，且易于收集和储运。经榨糖后剩下的甘蔗渣，含纤维素32%～48%，半纤维素19%～24%，木质素23%～32%[5]，纤维长度约为0.65～2.17mm，与阔叶树纤维相当，经除髓后的甘蔗渣是一种良好的造纸原料。据2018—2019年广西糖业年报制糖期数据，广西全区甘蔗种植面积约7.433×105hm2，年产原料蔗5.473×107t，蔗渣打包量2.5×106t左右，可产漂白甘蔗渣绝干浆6.0×10t多t[6]。

甘蔗渣属草类纤维范畴，易煮易漂，化学药品耗量少，制浆及碱回收工艺技术和设备也比其它草类纤维原料成熟简单。漂白化学浆在掺配一定量的长纤维后可抄造各种高档文化和生活用纸。使用适当的抄造工艺，也可以生产出优质的铜板原纸和新闻纸等。

农林有机废弃物也可用于制作生物质炭。生物质炭是由富含碳的生物质在无氧或缺氧条件下经热化学转化生成的一种具有高度芳香化、富含碳素的多孔固体颗粒物质。其含有大量的碳和植物营养物质、具有丰富的孔隙结构、表面含有较多的含氧活性基团，是一种多功能材料。使用与常量元素肥料配伍制成的炭基复合肥料，可增加土壤碳含量，改善土壤透气性，增加农作物光合作用，改善农作物品质。

另外，秸秆也可进一步加工成菌棒，替代木材用于种植食用菌。部分秸秆还用于生产板材、非木纸浆、包装材料、编织品等，提高综合利用效益。

3 农林有机废弃物开发利用对推动实现“双碳”目标的意义

现在人类面临解决全球气候变化带来的能源环境问题。即是由以煤、石油、天然气为基础的化石能源结构转为以风电、光电、水电、核电、生物质能为主的新能源结构。而在新能源结构里，生物质燃料是零碳原料。据测算，将我国农作物的秸秆、稻壳、玉米芯、花生壳、甘蔗渣等农产品初加工的剩余物，林业枝条和木材加工废弃物，禽畜粪便，食品加工产生的有机污水，以及生活有机垃圾、厨余垃圾等生物质原料加在一起，可生产出总量约为3.26×108tce·a-1的生物质燃料[7]。

从促进“双碳”目标角度看农林有机废弃物的合理化利用，最好的方式是对于干的废弃物，先制成成型燃料，再燃烧；对于湿的废弃物，可通过厌氧发酵生产沼气，或再经提纯净化，制成生物天然气。

沼气是一种优质、廉价、清洁的气体燃料，是可再生的生物质能源。沼气的主要成分是CH4和CO2，高位热值一般为22～25MJ·m-3。经提纯净化后可提高CH4的相对含量，热值可达39.8MJ·m-3。由于沼气是处理各类有机废弃物的产物，使用CH4作为能源不会增加CO2排放。因此，在实现“碳中和”目标进程中，沼气能源将会得到更大关注，沼气工程发展将大有可为，迎来新的发展机遇。据测算，2030年、2060年我国农业有机废弃物资源量分别约为5.4×109t、4.8×109t。2060年我国农业有机废物产生沼气潜力达2.5×1011m3，可实现减排4.5×108t CO2当量[8]。沼渣沼液加工成优质有机肥，可以部分替代化肥，产生减碳减肥效果。

将秸秆做成成型燃料，这时产生的CO2是庄稼生长过程中通过光合作用从大气中固化而来，不需要计算在碳排放中，这样秸秆制成的成型燃料就成为零碳燃料。用甘蔗渣造纸，可减少林木砍伐，保护森林，增加林业碳汇。

因此，农林有机废弃物资源化利用，对改善农村能源结构，减少农村地区对化石能源的依赖，保护农村生态环境，助力我国实施减污降碳，实现“双碳”目标具有十分重要意义。

4 我国农林有机废弃物资源化利用主要存在的问题

4.1 出台政策不少，但落实力度不强

我国重视农林有机废弃物资源化利用工作，出台了许多扶持政策。但在实践中仍然存在技术、政策、产业化等层面的各种瓶颈。如涉及部门多，牵头部门不明确，政出多头，原则性支持意见多，具体可执行落实的措施少，力度不强，政策引领发展的效果难以彰显。

4.2 利用率偏低，高值化利用途径欠缺

据农业农村部测算，2017年我国秸秆综合利用率不足80%，而发达国家在90%以上，与我国秸秆资源丰富实际不相符。农林有机废弃物利用率偏低，直接导致能源资源浪费，环境受到污染。一些地方原料供应的不确定性也妨碍了其利用供应链的可持续发展，生物质热解气化、生物天然气、沼气发电等高值化利用途径欠缺。

4.3 原料收储运体系未建立，收储运成本偏高

植物纤维性有机废弃物具有体积大、蓬松和难以收集的特点。靠人工收集，劳动强度大，人工成本高，导致农民收集利用的积极性不高。收储运体系仍处于初级阶段，相应的监管机制和技术工艺不完善，导致收储运成本偏高。

4.4 综合利用核心技术不够成熟

在我国，农林有机废弃物是大宗固体废弃物，但综合利用技术还不够成熟，主要集中于还田、饲料、农户薪柴做饭取暖等低附加值的方式上。用于制作沼气、直燃发电、沼气发电、注入天然气管网、车用燃料等新型工业化应用尚不能普及。

4.5 降碳减排方法学尚未制定

目前我国农林废弃物综合利用项目碳减排方法尚未制定，项目的社会效益、环境效益未能得到体现，期待相关部门创新研究，明确基准线排放以及监测、计算方法，方便碳减排量核算及开展碳市场交易等工作。

5 提高农林有机废弃物利用率的措施

5.1 重视农林废弃物的开发利用

农林有机废弃物是重要的可再生资源，富含热能和C、N、P、K及微量元素等营养成分，具有广泛的应用价值，在推动实现“双碳”目标进程中，降碳减排潜力巨大。作为能源，具有可储存性、可运输性、可灵活使用性。因此，需要重视技术研发，拓宽利用渠道，建立以绿色低碳为导向的有机废弃物生态补偿制度，提高集中供气、发电、锅炉供热等高值化利用水平。

5.2 构建农林废弃物综合利用长效机制

我国已经把碳达峰、碳中和纳入生态文明建设整体布局，强调“要实施重点行业领域减污降碳行动”、“减污降碳、协同增效”等。在未来10～15a都将是中国的主基调。因此，需要构建农林有机废弃物综合利用的长效机制，做好项层设计，制订和完善相关优惠政策，加大资金投入，培育市场化主体，鼓励开发利用技术，服务国家“双碳”战略。

5.3 因地制宜采用不同利用模式

农林有机废弃物采用不同利用模式，对环境、气候、碳排放也会有不同的影响，需要找到对环境影响最小、对实现“双碳”目标贡献最大的利用典型模式，形成可复制可推广的技术。

要重视地域差异，以及有机废弃物的可利用性，因地制宜选择合适的利用模式。对于有机废弃物资源优势明显且具备高质量发展要求的地区，应充分利用资源优势，适当加大技术投入，实现规模化工业化经济状态下运行，确保产业可持续发展。

5.4 科学制定农林有机废弃物项目降碳减排方法学

目前我国农林有机废弃物综合利用具有天时、地利、人和的优势。能源供给形势严峻，环境保护、“双碳”目标压力加大，美丽乡村建设、乡村振兴战略的实施都需要加大农林有机废弃物处理和利用力度。因此，需要科学制定农林有机废弃物项目降碳减排方法学，以实现项目的经济效益、社会效益和环境效益。

6 结语

我国对世界作出的“碳减排”和“碳中和”承诺，为农林有机废弃物资源化利用提供了难得的历史机遇。我国农林有机废弃物资源丰富，开发潜力巨大。推进农林有机废弃物资源化利用，有助于促进生态环境可持续发展，推动能源消费结构转型升级，在生态文明建设、实现“双碳”目标方面将起到十分重要的作用。

农林有机废弃物资源化利用具有多种模式。要结合实际，根据农林有机废弃物的可利用性，因地制宜选择合适的利用模式。要做好产业布局，加大技术投入，实现有机废弃物资源化利用项目在规模化工业化经济状态下运行，提高项目的经济效益、社会效益和环境效益。