陳智遠 石東偉 王恩學 張 正

(1.浙江省生物質(zhì)燃料利用技術研究重點實驗室,浙江杭州310020;2.杭州能源環(huán)境工程有限公司,浙江杭州310020)

農(nóng)業(yè)廢棄物也稱為農(nóng)業(yè)垃圾,是指農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)村居民生活中不可避免的非產(chǎn)品產(chǎn)出,具有數(shù)量大品種多形態(tài)各異、可儲存再生利用、污染環(huán)境等特性,主要包括植物性纖維性廢棄物(農(nóng)作物秸稈、谷殼、果殼及甘蔗渣等農(nóng)產(chǎn)品加工廢棄物)和動物性廢棄物(畜禽糞便、沖洗水、人糞尿)。中國是世界上農(nóng)業(yè)廢棄物產(chǎn)出量最大的國家,據(jù)統(tǒng)計,我國每年產(chǎn)生放入畜禽糞便量26億t,農(nóng)作物秸稈7億t,蔬菜廢棄物1.0億t,鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活垃圾和人糞便25億t,肉類加工廠和農(nóng)作物加工場廢棄物1.5億t,林業(yè)廢棄物(不包括薪炭柴)0.5億t,其它類有機廢棄物約有0.5億t,折合7億t的標準煤[1,2]。從資源經(jīng)濟學上講,它是一種特殊形態(tài)的農(nóng)業(yè)資源,如何充分有效地利用將其加工轉(zhuǎn)化不僅對合理利用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活資源、減少環(huán)境污染、改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境具有十分重要的影響,而且對能源日益枯竭的今天具有重大意義。近年來,國內(nèi)外農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化利用技術與研究得到較大的發(fā)展,其資源化利用日益多樣,從總體來看,國內(nèi)外農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化利用主要分為肥料化、飼料化、能源化、基質(zhì)化及工業(yè)原料化等幾個方向。

1 肥料化

農(nóng)業(yè)廢棄物肥料化利用是一種非常傳統(tǒng)的用方式,分為直接利用和間接利用。直接利用是一種最直接最省事的方法,在土壤中通過微生物作用,緩慢分解,釋放出其中的礦物質(zhì)養(yǎng)分,供作物吸收利用,分解成的有機質(zhì)、腐殖質(zhì)為土壤中微生物及其他生物提供食物,從而一定程度上能夠改善土壤結構、培育地力、增進土壤肥力、提高農(nóng)作物產(chǎn)量,但自然分解速度較慢,尤其是秸稈類廢棄物腐熟慢,發(fā)酵過程中有可能損害作物根部[3]。

間接利用是指廢棄物通過堆漚腐解(堆肥)、燒灰、過腹、菇渣、沼渣、或生產(chǎn)有機生物復合肥等方式還田。堆漚腐解還田是數(shù)千年來農(nóng)民提高土壤肥力的重要方式,傳統(tǒng)的堆漚腐解具有占用的空間大,處理時間較長等缺點[4],隨著科學技術水平的提高,利用催腐劑、速腐劑、酵素菌等經(jīng)機械翻拋,高溫堆腐、生物發(fā)酵等過程能夠?qū)⑵涓咧缔D(zhuǎn)化為優(yōu)質(zhì)的有機肥,具有流水線生成作業(yè)、周期短、產(chǎn)量高、無環(huán)境污染、肥效高、宜運輸?shù)葍?yōu)點;燒灰還田主要指秸稈通過作為燃料、田間直接焚燒的方式,由于田間直接焚燒損失肥力、污染空氣、浪費能源、影響交通等缺點[5],現(xiàn)政府已出臺相關禁止焚燒的法律法規(guī);過腹還田具有悠久歷史,是一種效益很高的方式,是適當處理的廢棄物經(jīng)飼喂后變?yōu)榧S肥還田,對保持與促進農(nóng)牧業(yè)持續(xù)發(fā)展和生態(tài)良性循環(huán)有積極作用;菇渣還田是指培育食用菌后,菇渣進行還田,經(jīng)濟、社會、生態(tài)效益兼得;沼渣還田是指厭氧發(fā)酵后副產(chǎn)品沼液、沼渣還田,其養(yǎng)分豐富、肥效緩速兼?zhèn)?是生產(chǎn)無公害農(nóng)產(chǎn)品良好選擇;生產(chǎn)有機生物復合肥是能夠進行工業(yè)化制作、商品化流通、高效利用方式。

2 飼料化

農(nóng)業(yè)廢棄物的飼料化主要包括植物纖維性廢棄物飼料化和動物性廢棄物飼料化。植物纖維性廢棄物主指秸稈類物質(zhì),秸稈中的木質(zhì)素與糖結合在一起使得瘤胃中的微生物及酶很難分解,并且蛋白質(zhì)低及其他必要營養(yǎng)缺乏,導致直接飼喂不能被動物高效吸收利用,需要對其進一步的加工處理改進其營養(yǎng)價值、提高適口性和利用率[6]。歸納為:機械加工、輻射、蒸汽等物理處理,NaOH、氨化、Ca(OH)2-尿素、氧化等化學處理,青貯、發(fā)酵、酶解等生物學處理,還有就是多種方法復合處理。各種處理方法對于改進營養(yǎng)價值、提高利用率均有不同程度的作用,究竟采用何種方法好,應根據(jù)具體條件因地適宜的綜合選擇[7]。例如孫清等[8]采用黑曲霉、白地霉組合菌株對榨汁后的甜高粱莖稈渣及發(fā)酵殘渣進行發(fā)酵,所得蛋白飼料的粗蛋白含量由2.01%提高到21.43%,粗纖維由12.37%降為2.34%;英國Aston大學的研究者從農(nóng)作物秸稈中篩選出一種白腐菌屬真菌,它能降解木質(zhì)素,但不能降解纖維素,用這種真菌發(fā)酵農(nóng)作物秸稈 ,能最大限度地提高農(nóng)作物秸稈的消化率,使農(nóng)作物秸稈的消化率從9.63%提高到41.13%,效果極為明顯。據(jù)粗略測算,如果我國秸稈資源的40%用于發(fā)酵飼料,就會產(chǎn)生即相當于112億t糧食的飼用價值。

而動物性廢棄物飼料化主要指畜禽糞便中含有為消化的粗蛋白、消化蛋白、粗纖維、粗脂肪和礦物質(zhì)等,經(jīng)過熱噴、發(fā)酵、干燥等方法加工處理后摻入飼料中飼喂利用[9,10],該技術需要特別注意滅菌徹底消除飼料安全隱患。有試驗表明利用米曲霉和白地霉接入鮮雞糞與麩皮等混合料中進行固態(tài)發(fā)酵,并在發(fā)酵過程中添加氮源制的飼料適口性較好,可替代部分配合飼料,添加40%雞糞飼料喂豬后,豬日增重比單喂配合飼料增加10.83%[11]。

3 能源化

農(nóng)業(yè)廢棄物的能源化利用主要分為厭氧發(fā)酵及直燃熱解兩個方向。厭氧發(fā)酵分為制沼氣和微生物制氫技術;厭氧發(fā)酵制沼氣技術是指農(nóng)業(yè)廢棄物經(jīng)多種微生物厭氧降解成高品位的清潔燃料—沼氣(甲烷含量50%-70%)及副產(chǎn)品沼液和沼渣的過程。研究表明,農(nóng)作物秸稈、蔬菜瓜果的廢棄物和畜禽糞便都是制沼氣的好原料[12,13],并且混合廢棄物共處理比單獨處理時生物氣的產(chǎn)量有顯著提高[14]。沼氣除了可供日常生活(如燒飯、照明、取暖)外,還可以進行大棚溫室種菜、孵化雛雞、增溫養(yǎng)蠶、發(fā)電上網(wǎng)、車用燃氣供應等,副產(chǎn)品沼液沼渣含有豐富的氮、磷、鉀等營養(yǎng)物質(zhì),可作為優(yōu)質(zhì)的有機肥,采用熱電肥聯(lián)產(chǎn)模式,實現(xiàn)資源高效利用,廢物零排放[15]。據(jù)報道,截至2007年底,全國沼氣工程總數(shù)到達26871處[16],并且主要以畜禽養(yǎng)殖業(yè)的廢棄物為原料工程居多[17,18]。而微生物制氫技術是指利用異養(yǎng)型的厭氧菌或固氮菌分解小分子的有機物制氫的過程,具有微生物比產(chǎn)氫速率高、不受光照時間限制、可利用的有機物范圍廣、工藝簡單等優(yōu)點,是農(nóng)業(yè)廢棄物利用非常具有潛力的方向[19],目前對其有較多的實驗研究[20-24],但該技術至今沒有被廣泛的利用,工程實例較少,只在哈爾濱有世界首例發(fā)酵法生物制氫[25]。

直燃熱解又分直燃和熱解兩方面。直燃作為一種傳統(tǒng)獲得熱能的技術一直存在,例如使用秸稈(其能源密度能達到13 376-15 466 kJ/kg[26])和草原地區(qū)牛馬糞便直燃做飯、取暖,但隨著社會發(fā)展與人民生活水平的提高,絕大部分正逐步由煤、燃氣或電取代,目前只有在貧困地區(qū)少量使用,在城市周圍或比較富裕地區(qū)秸稈消耗為零[27]。而現(xiàn)階段直燃有表現(xiàn)為生物質(zhì)固體成型燃料供熱與發(fā)電和有機垃圾混合燃燒發(fā)電,例如使用生物質(zhì)能成型燃料在工業(yè)鍋爐和電廠中代替部分煤、天然氣、燃料油等化石能源[28],將收集的廢舊農(nóng)膜、城市垃圾直接放進焚燒爐里焚燒,產(chǎn)生的熱能可以用于采暖或發(fā)電。農(nóng)業(yè)廢棄物通過熱解技術可以轉(zhuǎn)化為清潔的氣體燃料、熱解油和固體熱解焦等產(chǎn)品,富氫燃料氣體部分可以進入鍋爐燃燒、進行城鎮(zhèn)(或集中居住的較大鄉(xiāng)村)的集中供熱供氣、供發(fā)電機發(fā)電或者供燃料電池等;熱解液體經(jīng)過加工制備生物柴油、生物汽油或者生產(chǎn)酸、醇、酯、醚等有機化工產(chǎn)品,對我國的原油資源短缺有所緩解;固體熱解焦由于空隙發(fā)達、比表面積較大可作為吸附材料用于環(huán)境污染治理,或者作為燃料供熱解所需的熱源。迄今為止,國內(nèi)外對與農(nóng)業(yè)廢棄物有關的生物質(zhì)進行過多方面的加工研究。例如:唐蘭等[29]對生物質(zhì)在高頻耦合等離子體中的熱解氣化行為進行研究表明該技術能大幅度提高生物質(zhì)氣的熱值及產(chǎn)率;張振華等[30]對鋸末、稻殼、紙屑、櫥芥、塑料和橡膠6種固體廢棄物熱解表明除谷殼外液體產(chǎn)物收率都在50%左右,并且其中汽油和柴油餾分共達到60%以上,是一種具有很高價值的粗成品;梁新等[31]通過對生物質(zhì)熱裂解制得熱解油并進行熱解油的精制研究;德國進行固體廢棄物熱解的工業(yè)化示范[32]。

4 基質(zhì)化

基質(zhì)化是指利用經(jīng)適當處理的農(nóng)業(yè)廢棄物作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)(如栽培食用菌、花卉、蔬菜等,及養(yǎng)殖高蛋白蠅蛆、蚯蚓等)的基質(zhì)原料。作為基質(zhì),主要起支持、固定植株,并為植物根系提供穩(wěn)定協(xié)調(diào)的水、氣、肥環(huán)境的作用,應達到有適宜理化性質(zhì),易分解的有機物大部分分解,施入土壤后不產(chǎn)生氮的生物固定,通過降解除去酚類等有害物質(zhì),消滅病原菌、病蟲卵和雜草種子等標準[33];其關鍵在于原料的選取及配比,和原料的前處理。玉米秸、稻草、油菜秸、麥秸等農(nóng)作物秸稈,稻殼、花生殼、麥殼等農(nóng)產(chǎn)品的副產(chǎn)物,木材的鋸末、樹皮等,甘蔗渣、蘑菇渣、酒渣等二次利用的廢棄有機物,雞糞、牛糞、豬糞等養(yǎng)殖廢棄物都可以作為基質(zhì)原料[34]。劉偉等[35]采用爐渣、菇渣、鋸末和玉米秸混配有機基質(zhì),施用有機固態(tài)肥,番茄產(chǎn)量最高達36.05kg/m3以上,蔣偉杰等[36,37]采用向日葵稈、玉米稈、玉米芯、菇渣、鋸末等作為原料配制成基質(zhì)栽培蔬菜,產(chǎn)量和品質(zhì)均得到大幅度提高,李瑞哲等[38]使用蘑菇底料、動物糞便等農(nóng)業(yè)廢棄物對蚯蚓生長的影響進行研究,以便為低成本高效生產(chǎn)蚯蚓這種高效動物蛋白,制造優(yōu)質(zhì)飼料的添加劑。

5 工業(yè)原料化

農(nóng)業(yè)廢棄物中的高蛋白資源和纖維性材料可以生產(chǎn)多種生物質(zhì)材料和農(nóng)業(yè)資料,例如秸稈作為紙漿原料、保溫材料、包裝材料、各類輕質(zhì)板材的原料,可降解包裝緩沖材料、編織用品等,或稻殼作為生產(chǎn)白碳黑、炭化硅陶瓷、氮化硅陶瓷的原料;棉籽加工廢棄物清潔油污地面;或棉稈皮、棉鈴殼等含有酚式羥基化學成分制成聚合陽離子交換樹脂吸收重金屬;或利用甘蔗渣、玉米渣等二次利用廢棄物制取膳食纖維食品,提取淀粉、木糖醇、糖醛等,或者把廢舊農(nóng)膜、編織袋、食品袋等經(jīng)過一定的工藝處理后作為基體材料,同時加入適當?shù)奶砑觿?通過一定的處理和復合工藝形成以球-球、球-纖維堆砌體系為基礎的復合材料[39,40]。目前我國已經(jīng)成功開發(fā)出了”秸稈清潔紙漿及綜合利用新技術”,因此只要能科學合理地應用,適當擴大規(guī)模,實現(xiàn)清潔生產(chǎn),在一定時期內(nèi)秸稈仍將是一種較可靠的非木材纖維造紙原料[27]。使用秸稈制造各類輕質(zhì)板材其保溫性、裝飾性、耐久性均屬上乘,不僅可以彌補木材的短缺,減少森林的砍伐,保護森林資源,而且還可消耗大量以稻草、麥秸為主的秸稈資源,降低秸稈焚燒所帶來的大氣污染,具有較高的生態(tài)效益。原料化是農(nóng)業(yè)廢棄物利用的一個重要途徑,其關鍵是依靠科技開發(fā)利用,最大程度的利用農(nóng)業(yè)廢棄物中有益的物質(zhì)循環(huán)利用,是未來農(nóng)業(yè)廢棄物利用的一個重要方向。

6 小 結

針對農(nóng)業(yè)廢棄物的特性應用現(xiàn)代的生物工程技術提升農(nóng)業(yè)廢棄物的肥料化、飼料化、能源化、基質(zhì)化及工業(yè)原料化水平,使技術上向機械化、無害化、資源化、高效化、綜合化發(fā)展,產(chǎn)品上向廉價化、商品化、高質(zhì)化、多樣化和多功能化靠攏。物盡其用、變廢為寶、高效利用廢棄物達到消除污染、改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境、促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的目標。

(編輯:李 琪)

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