摘要：生物質(zhì)固廢是一類來源廣范、成本低廉、開發(fā)潛力大的資源。由于傳統(tǒng)的生物質(zhì)固廢處理方式既會對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響，又會造成資源浪費(fèi)，因而資源化利用成為實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)固廢增值的方法。研究在介紹生物質(zhì)固廢來源和利用的現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，總結(jié)了物理化學(xué)法、微生物法等生物質(zhì)固廢資源化利用技術(shù)，例舉了部分實(shí)際案例，提出了今后的發(fā)展策略。同時，建議根據(jù)生物質(zhì)固廢特點(diǎn)采用組合工藝，以及結(jié)合當(dāng)?shù)厥袌?、基礎(chǔ)設(shè)施和環(huán)境承載力等因素進(jìn)行綜合考量，以提高生物質(zhì)固廢的整體處置效率。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)固廢；整體處置；物理化學(xué)法；微生物法；資源化利用

引言

隨著社會的發(fā)展，日常生產(chǎn)生活中產(chǎn)生的大量秸稈、工農(nóng)產(chǎn)品副產(chǎn)物、餐廚垃圾、牲畜糞便等生物質(zhì)固體廢棄物（簡稱“生物質(zhì)固廢”）給環(huán)境帶來了很大影響，因此對生物質(zhì)固廢進(jìn)行合理的處理已成為一個不可忽視的問題。本文從物理化學(xué)法、微生物法的角度探討了生物質(zhì)固廢資源化利用技術(shù)，可為科學(xué)地開發(fā)利用生物質(zhì)固廢資源，以及實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的雙重效益提供一定參考。

1傳統(tǒng)處置方式和利用現(xiàn)狀

生物質(zhì)固廢的傳統(tǒng)處置方式主要有露天焚燒、直接還田和用作農(nóng)村做飯的薪柴。從生態(tài)環(huán)保的角度來看，焚燒不僅會產(chǎn)生大量溫室氣體、煙塵、二噁英和多環(huán)芳烴等有毒有害物質(zhì)，而且還會降低空氣質(zhì)量及能見度，影響人類健康。因此，近年來有關(guān)部門開展了大量治理和宣傳工作，露天焚燒秸稈、枯葉等現(xiàn)象已大量減少，同時隨著天然氣在農(nóng)村的推廣，將生物質(zhì)固廢作為薪柴使用的情況也在逐年減少。

生物質(zhì)固廢往往含有大量無機(jī)物和有機(jī)物，特別是含有植物生長所需的氮、磷、鉀營養(yǎng)元素。因此，將一些生物質(zhì)固廢還田，一方面可改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及土壤酶活性，增加田土有機(jī)質(zhì)含量，為后茬作物生長提供所需營養(yǎng)物質(zhì)，減少養(yǎng)分損失和連續(xù)施加化肥導(dǎo)致的土壤退化及污染風(fēng)險；另一方面也可改善土壤容重、孔隙度和團(tuán)聚體等結(jié)構(gòu)特性，防止土壤板結(jié)，利于土壤儲水保墑，增強(qiáng)土壤抗旱抗侵蝕能力，最終使作物呈現(xiàn)生長快、莖壯、葉茂、高產(chǎn)等特點(diǎn)。由此可見，資源化利用無疑是實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)固廢減量化、無害化的有效途徑，其資源化利用的方法主要有物理化學(xué)法、微生物法等。物理化學(xué)法主要通過物理化學(xué)作用破壞結(jié)構(gòu)或斷裂化學(xué)鍵，從而將生物質(zhì)固廢中的高分子有機(jī)物降解為低分子有機(jī)物，以及實(shí)現(xiàn)有效成分的分離與提取、制作吸附材料、熱解制生物燃料、制作生物質(zhì)新型材料等；微生物法則是通過微生物的生長繁殖作用降解有機(jī)物質(zhì)，主要方式有栽培食用菌、飼用、制肥料、能源化等。

2物理化學(xué)法

2.1 提取有效成分

生物質(zhì)固廢經(jīng)特定處理可分離或提取有價值的產(chǎn)品。如，低聚木糖具有抗菌、抗氧化的潛力；米糠、玉米芯等農(nóng)副產(chǎn)物是低聚木糖的重要來源，超聲耦合酶解法可將玉米芯熱解液中的木聚糖轉(zhuǎn)化為低聚木糖[1]，而蒸汽爆破能顯著提高稻殼中低聚木糖的含量和抗氧化活性[2]；一些中藥材經(jīng)提取有效成分后的藥渣仍殘存大量功效成分，常用有機(jī)溶劑法、醇提水沉法、微波輔助低共熔溶劑等方式提取其殘存成分。

2.2 制作吸附材料

生物質(zhì)固廢可制成含大量羥基、羧基和胺基等極性基團(tuán)的生物吸附劑，可用于凈化水體。如，含大量天然高分子物質(zhì)的中藥渣制備的生物吸附劑能吸附廢水中的重金屬離子；核桃殼表面進(jìn)行生態(tài)改性后，可作為從水溶液中去除亞甲基藍(lán)和結(jié)晶紫陽離子染料的生物吸附劑[3]。

2.3 熱解制生物燃料

熱解反應(yīng)可將生物質(zhì)固廢轉(zhuǎn)化為生物油、可燃?xì)怏w、木炭等產(chǎn)品，減少對化石燃料的依賴。玉米芯、高粱稈和甘蔗均為經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的生物質(zhì)固廢熱解原料，具有開發(fā)為紡織、塑料、油漆、汽車和食品添加劑等行業(yè)應(yīng)用能源的潛力[4]。

2.4 制作生物質(zhì)新型材料

某些生物質(zhì)固廢在纖維板、刨花板、薄膜等生物質(zhì)新型材料制作中已有所應(yīng)用。與傳統(tǒng)材料相比，生物質(zhì)新型材料具有熱學(xué)性能好、可降解等優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)包裝材料多以石油為原料，易產(chǎn)生難降解垃圾，而生物質(zhì)固廢制作成的生物薄膜，不但有利于土壤保濕，而且其降解過程中釋放的氮、磷、鉀等養(yǎng)分還可促進(jìn)作物生長。

3微生物法

3.1 發(fā)酵

根據(jù)發(fā)酵基料固體物含量的不同，發(fā)酵分為液態(tài)、固態(tài)、半固（液）態(tài)3種發(fā)酵方式。液態(tài)發(fā)酵具有傳質(zhì)高效、調(diào)控能力強(qiáng)、自動化程度高、發(fā)酵時間短、產(chǎn)物易分離等特點(diǎn)。半固（液）態(tài)發(fā)酵含一定的游離液體，具有傳質(zhì)傳熱性好、發(fā)酵周期短、液體產(chǎn)量少等優(yōu)點(diǎn)。而結(jié)合生物質(zhì)固廢的特點(diǎn)，業(yè)界常用固態(tài)發(fā)酵技術(shù)處理生物質(zhì)固廢。

生物質(zhì)固廢經(jīng)固態(tài)發(fā)酵可變廢為寶，為生物顏料、生物農(nóng)藥、維生素、抗氧化劑、蛋白飼料、抗生素等產(chǎn)品提供了低成本的替代方案，資源化利用潛力大。固態(tài)發(fā)酵是在沒有或幾乎沒有游離水的固態(tài)濕培養(yǎng)基上進(jìn)行的單菌或混菌的發(fā)酵過程，基質(zhì)不溶于水，亦不懸浮在水中，含水量一般在30%～80%。與液態(tài)發(fā)酵相比，固態(tài)發(fā)酵處理生物質(zhì)固廢產(chǎn)生的廢水廢渣少、設(shè)備簡單、易干燥且能耗與投資較低，無需使用消泡劑，可完全利用發(fā)酵的菌體、代謝產(chǎn)物和底物來獲得有益產(chǎn)品，既保留活性成分又凈化環(huán)境，缺點(diǎn)是周期長、工藝參數(shù)難控制、原料成分復(fù)雜。

目前，對生物質(zhì)固廢發(fā)酵的研究主要在3個方面。一是對氮源、碳源、磷源、含水量、pH等培養(yǎng)基的研究；二是對原料進(jìn)行破碎、蒸汽爆破、酸堿處理、酶解等預(yù)處理，并對粒徑、接種量、發(fā)酵溫度與時間等培養(yǎng)條件進(jìn)行研究，目的在于促進(jìn)菌絲在基料上的生長和酶可及性；三是對菌體生長、代謝產(chǎn)物、基質(zhì)與氧的消耗、CO2釋放等進(jìn)行動力學(xué)研究，目的在于掌握發(fā)酵過程中菌體生長、產(chǎn)物生成、對生物質(zhì)固廢的消耗，以及影響這些過程的條件，便于優(yōu)化發(fā)酵過程，預(yù)測并提高目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)量與品質(zhì)。

3.2 栽培食用菌

玉米芯、稻草、木屑、中藥渣等生物質(zhì)固廢，可作為栽培食用菌的基料。RATHORE H等[5]研究發(fā)現(xiàn)，在基料中添加特定植物葉子作為有機(jī)氮，可顯著提高牛肝菌中礦物元素、營養(yǎng)物含量及子實(shí)體的抗氧化性。其原因為菌體需在適當(dāng)?shù)奶嫉龋–/N）下才能正常生長，而各生物質(zhì)固廢的C/N不一，因此可視情況添加適當(dāng)?shù)匆蕴岣呤秤镁漠a(chǎn)量及品質(zhì)。但需要注意的是，一些生物質(zhì)固廢具有藥用功效，將這類基料用于栽培會影響食用菌的品質(zhì)。

3.3 飼用價值

生物質(zhì)固廢的飼用價值能解決飼料生產(chǎn)原料短缺問題，對畜禽養(yǎng)殖業(yè)具有一定吸引力。通過微生物技術(shù)實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)固廢飼用價值的形式主要有青貯與黃貯、發(fā)酵產(chǎn)蛋白飼料和飼用復(fù)合酶等。其中，青貯與黃貯是將秸稈剪碎后再密封發(fā)酵，獲得具有一定營養(yǎng)價值和口感的草料；發(fā)酵產(chǎn)蛋白飼料和飼用復(fù)合酶則是選擇合適的微生物菌種，并利用發(fā)酵技術(shù)將生物質(zhì)固廢轉(zhuǎn)化為富含菌體蛋白的飼料或具有酶活性的飼料添加劑，從而提高低價值生物質(zhì)固廢的營養(yǎng)與保健價值，緩解用糧食制備飼料的壓力。

3.4 制備肥料

將家畜糞便、秸稈和飼料殘渣等生物質(zhì)固廢混合堆積在有氧或無氧條件下，經(jīng)微生物分解制得腐殖質(zhì)農(nóng)肥；將秸稈、落葉、餐廚垃圾和城市生活污泥共發(fā)酵，制成林用肥。與傳統(tǒng)農(nóng)家發(fā)酵相比，生物質(zhì)堆肥發(fā)酵已有成套設(shè)備和成熟工藝，可規(guī)?；a(chǎn)品質(zhì)穩(wěn)定的農(nóng)林用肥。從優(yōu)缺點(diǎn)方面來說，厭氧堆肥管理簡單、投資成本低，但發(fā)酵周期長且肥料品質(zhì)差；好氧堆肥的肥料品質(zhì)好、周期短、臭氣少，但對設(shè)備要求高、能耗大、成本高。

3.5 能源化

生物質(zhì)固廢是生產(chǎn)能源的重要原料，利用生物技術(shù)將其轉(zhuǎn)化為醇基燃料、沼氣等實(shí)現(xiàn)高附加值的轉(zhuǎn)化，可在一定程度上解決能源短缺問題。如，酵母菌廣泛用于食品和醫(yī)藥等領(lǐng)域，是優(yōu)良的產(chǎn)乙醇菌種，其能以生物質(zhì)固廢為碳源積累胞內(nèi)脂質(zhì)作煉制生物燃料的原料。同時，生物質(zhì)固廢可在無氧或缺氧環(huán)境下厭氧發(fā)酵，而且在厭氧發(fā)酵過程中，微生物分泌的酶可將復(fù)雜的生物質(zhì)固廢水解成糖、氨基酸等小分子物質(zhì)，再經(jīng)一系列繁雜的酶促反應(yīng)將這些物質(zhì)轉(zhuǎn)化為CH4與CO2，最終達(dá)到降解并獲得清潔能源CH4的目的。目前，厭氧發(fā)酵在農(nóng)村的應(yīng)用較多，能同時處理大量生物質(zhì)固廢，所得沼渣和沼液還可用作肥料。

4實(shí)際案例

4.1 中藥渣熱解氣化清潔供熱項目

山東步長制藥股份有限公司將其產(chǎn)生的中藥渣進(jìn)行能源化利用，其工藝流程為“原料預(yù)處理→生物質(zhì)熱解氣化→高溫燃燒制汽→廢氣處理”。該公司的中藥渣熱解氣化清潔供熱項目日產(chǎn)生物質(zhì)燃?xì)?萬Nm3，每年處置濕中藥渣5.1萬t，提供用于企業(yè)生產(chǎn)的蒸汽4.2萬t，減排CO21.6t，取得的年經(jīng)濟(jì)效益為1680萬元。

4.2 高效生物質(zhì)氣化燃燒供熱項目

浙江正華紙業(yè)有限公司生物質(zhì)氣化供熱項目，通過生物質(zhì)固廢的二次充分燃燒產(chǎn)生高溫清潔火焰為工業(yè)窯爐供熱，工藝流程為“生物質(zhì)成型→進(jìn)料→懸浮半氣化半燃燒→二次補(bǔ)氧升溫燃燒”。該項目每年處理生物質(zhì)固廢1萬t，獲得的經(jīng)濟(jì)效益為570萬元。

4.3 可生物降解材料項目

青島平度宇潔降解塑料有限公司建設(shè)的PHA購物袋樹脂生產(chǎn)線，先用農(nóng)副產(chǎn)品秸稈制糖，再利用工程菌構(gòu)造技術(shù)獲得具有高分子合成能力的微生物、發(fā)酵并調(diào)控發(fā)酵過程、分離獲得聚羥基脂肪酸酯，最后生產(chǎn)全生物降解購物袋產(chǎn)品。

4.4 種養(yǎng)循環(huán)項目

河北省曲周縣“種養(yǎng)結(jié)合、雞糞-秸稈聯(lián)動”項目解決了飼料營養(yǎng)利用率低和雞糞處理的難點(diǎn)。具體做法為先在飼料中添加益生菌以降低雞糞中氮含量，再將適當(dāng)比例的鮮雞糞與秸稈添加發(fā)酵腐熟劑混料，經(jīng)堆肥制得有機(jī)肥，最后進(jìn)行農(nóng)田回用。該項目實(shí)現(xiàn)了雞糞的提質(zhì)增效，形成了生態(tài)養(yǎng)殖、綠色種植的循環(huán)，每年產(chǎn)肥1800t，年經(jīng)濟(jì)效益達(dá)163萬元。

4.5 基于亞臨界水熱反應(yīng)生產(chǎn)有機(jī)肥項目

無錫蓋依亞生物資源再生科技有限公司微納米黃腐酸營養(yǎng)型生物系列有機(jī)肥項目，將生物質(zhì)固廢經(jīng)亞臨界水熱處理后分離為氣、液、固等物質(zhì)。氣相經(jīng)液化后與液相物質(zhì)混合，酶解成葉面營養(yǎng)液、動物保健產(chǎn)品；固相物質(zhì)則固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)微納米生物肥。該項目每年處理秸稈1.5萬t，制得有機(jī)肥1.275萬t，年經(jīng)濟(jì)效益為1900萬元。

4.6氣-肥聯(lián)產(chǎn)利用項目

內(nèi)蒙古自治區(qū)阿魯科爾沁旗建成農(nóng)牧業(yè)廢棄物聯(lián)產(chǎn)燃?xì)馀c有機(jī)肥項目，日產(chǎn)沼氣6萬m3，沼氣提純率50%，同時通過吸附精餾法日產(chǎn)高純度CO21.37萬t，年產(chǎn)有機(jī)肥5萬t，年經(jīng)濟(jì)效益達(dá)2650萬元。

4.7 餐廚垃圾生產(chǎn)生物腐植酸項目

四川省成都市中心城區(qū)餐廚廢棄物處理廠建成生物腐植酸生產(chǎn)線，工藝流程為“餐廚垃圾預(yù)處理→培養(yǎng)菌種→基料摻混接種→高溫發(fā)酵→深加工”，最終制成土壤調(diào)節(jié)劑、微生物菌劑、高碳肥等肥料。該項目日處理餐廚垃圾200t，年經(jīng)濟(jì)效益達(dá)900萬元。

結(jié)語

綜上所述，生物質(zhì)固廢資源化利用總體上較為粗放，同時各地又因在產(chǎn)業(yè)類別、經(jīng)濟(jì)水平上存在差異，導(dǎo)致各地在對生物質(zhì)固廢進(jìn)行資源化利用的方式上各有不同。因此，在生態(tài)環(huán)境越來越受重視的當(dāng)下，以及新型高效、低排放固廢處置技術(shù)正不斷完善并得到推廣的背景下，可根據(jù)生物質(zhì)固廢的成分、含水量、密度、形狀等理化特性，選用物理化學(xué)法或微生物法等資源化利用技術(shù)進(jìn)行處理，也可采用組合工藝以提高整體處置率和經(jīng)濟(jì)性。如，對于淀粉、多糖和蛋白質(zhì)等物質(zhì)含量高的生物質(zhì)固廢，可用固態(tài)發(fā)酵技術(shù)將其開發(fā)成有益產(chǎn)品。另外，生物質(zhì)固廢處置技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，還需結(jié)合市場、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和環(huán)境承載力等因素綜合考量。

參考文獻(xiàn)

[1] SUN Q J，PATIL P J，SINGH A K，et al.Optimization of pretreatment and enzymatic hydrolysis coupled with ultrasonication for the production of xylooligosaccharides from corn cob[J].BiomassConversion and Biorefinery，2024，14（01）：1215-1235.

[2] YAN F，TIAN S Q，DU K，et al.Effects of steam explosion pretreatment on the extraction of xylooligosaccharide from rice husk[J].BioRes-ources，2021，16（04）：6910-6920.

[3] ENACHE A C，SAMOILA P，COJOCARU C，et al.An Eco-Friendly Modification of a Walnut Shell Biosorbent for Increased Efficiency in Wastewater Treatment[J].Sustainability，2023，15（03）：2704.

[4] SHAH M A，HAYDER G，KUMAR R，et al.Deve-lopment of sustainable biomass residues for biofuels applications[J].Scientific Reports，2023，13：14248.

[5] RATHORE H，SHARMA A，PRASAD S，et al.Yield，Nutritional Composition and Antioxidant Properties of Calocybe indica Cultivated on Wheat Straw Basal Substrate Supplemented with Nitrogenous Tree Leaves[J].Waste and Biomass Valorization，2020，11：807-815.

作者簡介

胡偉（1988—），男，漢族，四川宜賓人，工程師，碩士，研究方向為環(huán)境管理、污染控制與資源化。

通信作者

莫鳳（1988—），女，漢族，四川宜賓人，工程師，大學(xué)本科，研究方向為環(huán)境管理、污染控制與資源化。

加工編輯：王玥

收稿日期：2024-04-30