國內外農業(yè)廢棄物資源化利用技術研究進展分析研究 環(huán)境工程專業(yè)

1、國內外農業(yè)廢棄物資源化利用技術研究進展摘要：農業(yè)生產水平和農民生活水平的提高, 對原本為燃料和肥料的農業(yè)廢棄物的利用越來越少, 農業(yè)廢棄物數(shù)量越來越多, 種類越來越多樣。大量農業(yè)廢棄物累積, 對環(huán)境構成了極大的污染并威脅著農業(yè)可持續(xù)發(fā)展和人類的健康, 因此如何充分有效地利用將其加工轉化對合理利用農業(yè)生產和生活資源、減少環(huán)境污染、改善農村生態(tài)環(huán)境、應對日益嚴峻的能源危機成為了當前世界大多數(shù)國家面臨的問題, 本文綜述了近年來國內外綜合多樣新型利用農業(yè)廢棄物的應用進展情況, 對其資源化利用介紹了4種技術: 集儲裝備技術、綜合堆肥技術、生物液體燃料生產技術以及干法厭氧發(fā)酵技術, 并進行分析究竟采用何種

2、利用方式, 應根據具體條件因地適宜的綜合選擇, 使技術上向機械化、無害化、資源化、高效化、綜合化發(fā)展, 產品上向廉價化、商品化、高質化、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、改善農村生態(tài)環(huán)境、促進農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的目標。關鍵詞：農業(yè)廢棄物；集儲裝備；綜合堆肥; 干法厭氧發(fā)酵農業(yè)廢棄物資源化利用技術是世界各國普遍需要解決的重大課題。特別是隨著自然資源日趨短缺和廢棄物數(shù)量劇增， 農業(yè)廢棄物資源化利用越來越受到人們的重視。針對農業(yè)廢棄物的特性，世界各國非常重視應用先進工程技術，提升農業(yè)廢棄物的肥料化、飼料化、能源化、基質化及工業(yè)原料化水平，使技術向機械化、無害化、資源化

3、、高效化、綜合化發(fā)展，產品向廉價化、商品化、高質化、多樣化和多功能化靠攏，以達到物盡其用、變廢為寶、消除污染、改善農村生態(tài)環(huán)境、促進農業(yè)可持續(xù)發(fā)展、高效利用廢棄物的目標。本文主要從集儲裝備技術、綜合堆肥技術、生物液體燃料生產技術以及干法厭氧發(fā)酵技術等方面介紹國內外農業(yè)廢棄物資源化利用的研究進展。1 集儲裝備技術國外大宗糧食作物秸稈收集己形成了與秸稈綜合利用產業(yè)相銜接、與農業(yè)技術發(fā)展相適宜、與農業(yè)產業(yè)經營相結合、與農業(yè)裝備相配套的產業(yè)技術體系，適用于以農作物秸稈為原料的規(guī)?；曫B(yǎng)、工業(yè)化發(fā)電以及液化、氣化等新興技術發(fā)展的需要?？蒲谐晒饕w現(xiàn)在以下幾個方面： 一是農業(yè)廢棄物收集技術與農業(yè)產業(yè)體系

4、適應性強。如歐美等發(fā)達國家現(xiàn)代農業(yè)體系健全，規(guī)?；N植占主要份額，一般單季種植，農業(yè)生產實現(xiàn)了機械化，從土地耕整，到作物的播種，一直到田間的管理等，標準化作業(yè)為農業(yè)廢棄物收集技術和設備奠定了良好的作業(yè)基礎。二是農業(yè)廢棄物收集技術與工業(yè)化利用原料需求標準化銜接性好。如瑞典、丹麥、法國等，在秸稈發(fā)電工程中，從運輸要求、燃料供給、燃燒爐設計運行等，充分考慮了秸稈原料設備的標準化問題，實現(xiàn)了二者的相互銜接。三是農業(yè)廢棄物收集技術與經濟社會發(fā)展相互促進。如規(guī)模化飼養(yǎng)、工業(yè)化發(fā)電等秸稈主要需求商，根據自身生產正常要求，與農場主簽訂秸稈供應協(xié)議，農場主在收獲季節(jié)將秸稈原料集中收集、堆放儲存，按照協(xié)議有條不紊

5、送至消納廠。四是農業(yè)廢棄物收集技術與農業(yè)裝備配套性好。國外主要以拖拉機配套的作業(yè)機具為主，除了與農藝要求相配套外，更主要的是考慮到秸稈收割前所用機具標準和秸稈收集后裝載、運輸、儲藏設備標準，與農業(yè)裝備形成完整專業(yè)化配套體系。五是農業(yè)廢棄物收集設備本身與信息化、自動化技術結合緊密。如國外農業(yè)廢棄物收集設備廣采用電液控制技術、電子信息技術，自動調節(jié)技術、自動監(jiān)視技術與智能控制技術， 有利于提高作業(yè)的高效性、作業(yè)性能的穩(wěn)定性以及作業(yè)質量的可靠性1。我國農業(yè)廢棄物集儲裝備技術的研發(fā)已經取得了一些成就，研制開發(fā)了一系列秸稈還田、秸稈打捆、秸稈固化成型、秸稈氣化、秸稈制板、秸稈發(fā)電等技術裝備，但與發(fā)達國家

6、相比， 我國農業(yè)廢棄物收集儲運體系還很不健全，尚處于起步階段，標準不統(tǒng)一，且農業(yè)廢棄物收集機械化整體水平還比較落后，關鍵技術環(huán)節(jié)和裝備不完善，已經成為嚴重制約農作物廢棄物規(guī)?；?、商品化、產業(yè)化利用的主要瓶頸。如我國陸續(xù)研發(fā)了小圓捆打捆機、正牽引小方捆打捆機、側牽引小方捆打捆機以及二次壓縮機等產品，但高密度大方捆和大圓捆打捆機目前國內還是空白2。2 綜合堆肥技術世界各國對農業(yè)固體廢棄物的堆肥處理技術研究主要包括：堆肥工藝中的因素、不同廢棄物的綜合堆肥技術等。傳統(tǒng)的堆肥是在糞便處理過程中添加稻草、樹葉等容易分解的材料作為調理劑或膨脹劑，然后用于農作物。然而，隨著我國經濟的快速發(fā)展，農業(yè)固體廢棄物的

7、排放量不斷增加，成分日趨復雜，為提高固體廢棄物的處理效率，人們不再局限于單一的、傳統(tǒng)的堆肥處理技術，而是將不同的技術有機結合逐步向多元化發(fā)展。如蚯蚓堆肥的對象3有城市生活垃圾、畜禽糞便、農作物秸稈及廢渣、有機污泥等，蚯蚓堆肥處理技術是以上述有機廢棄物為底物，經蚯蚓消化系統(tǒng)和微生物共同作用將有機物分解。高溫快速堆肥技術與蚯蚓堆肥技術相結合可有效地解決高溫快速堆肥過程中因處理時間短，腐熟度達不到，產品需進一步處理等問題。普通堆肥與蚯蚓堆肥相結合，具有縮短反應時間、提高堆肥質量、對環(huán)境危害小、很好的控制病原菌等優(yōu)點4。實踐證明，綜合堆肥處理技術不僅能加快堆肥的腐熟過程，更能有效解決堆肥處理過程中的處

8、理率和堆肥應用間的矛盾，從而實現(xiàn)廢棄物的減量化、無害化及資源化，是處理農業(yè)固體廢棄物切實可行的途徑。3 生物液體燃料生產技術化石能源是不可再生能源，人類需要找到可替化石能源的可再生能源。生物液體燃料以麥稈、稻草和木屑等農林廢棄物或藻類、紙漿廢液為主要原料，使用纖維素酶或其他發(fā)酵手段將其轉化為生物乙醇或生物柴油的模式，它是可以直接替代石油產品的可再生能源，具有可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Γ蚨艿绞澜绺鲊那嗖A。3.1 生物液體燃料技術發(fā)展現(xiàn)狀美國在2007年提出，通過發(fā)展生物液體燃料和提高能效等方式使2017年的汽油消費量降低20%，生物液體燃料的使用量達1.8億t左右；巴西計劃擴大燃料乙醇項目，到2015

9、年生產燃料乙醇達3000萬t；歐盟于2008年提出，2020年可再生燃料滿足歐盟地區(qū)10%的道路交通燃料需求；從2020 年起，日本將開始供應E10燃料，到2030年所有車用汽油都將更換成E10 燃料；2007年法國每年將有100 萬t 生物柴油產能投入運營，到2009年提高了400萬t/a，2010 年提高了500萬t/a，到2015年將提高700800萬t/a，法國將成為主要的生物柴油生產國5；我國已經成為繼美國和巴西之后世界第三大燃料乙醇生產國，據報道我國有望在2015年真正實現(xiàn)第二代乙醇商業(yè)化。3.2 生物液體燃料生產技術生物質作為一種可直接轉化為液體燃料的可再生能源，其轉化技術主要是

10、生化轉化技術和熱化學轉化技術，其中生物質熱裂解液化技術是生物質能領域的研究熱點。近年來在原料預處理、熱解工藝和生物油精制等方面取得了顯著進展6。Asgher等7開發(fā)出了一種新的木質素降解酶，用于小麥秸稈前處理生產乙醇，在最優(yōu)參數(shù)條件下，從木質素降解處理后的殘余物獲得生物乙醇33.5g/L。中國科技大學利用裂解副產物炭粉和可燃氣燃燒釋放的熱量為裂解提供熱源，實現(xiàn)了自熱式裂解液化，并于2007年在合肥建成了一套生物質裂解液化裝置，2008年成功研發(fā)了第二代生物質裂解液化技術。徐俊明等8開發(fā)了一種新的生物質熱解油精制方法，并且將生物質熱解油加水預分離，得到的水溶性組分和非水溶性組分可分別加以利用。清

11、華大學突破傳統(tǒng)的酶法工藝瓶頸，成功研制出轉化油脂制備生物柴油的新工藝，產率高達90%以上。趙永騰等9提出了更經濟、有效的糖化和發(fā)酵技術是未來藻類碳水化合物制備生物燃料的研發(fā)方向。4 干法厭氧發(fā)酵技術干法厭氧發(fā)酵技術作為有機固體廢物資源化的有效途徑， 近年來已逐漸成為世界各國農業(yè)固體廢物資源化技術研究的熱點。干法厭氧發(fā)酵是一門涉及生物學、生態(tài)學、物理學、化學、數(shù)學、工程學等多個學科的綜合性學科，是一項系統(tǒng)工程。當前的主要研究進展包括：干法厭氧發(fā)酵過程的主要因素研究，包括底物組成、底物預處理、總固體（TS）含量、接種物、pH、溫度以及攪拌等影響因素。許多研究表明，采用多種底物混合發(fā)酵可獲得更高的產

12、氣效率， 同時也為沼渣的后續(xù)處理與利用帶來方便。如Lehtom等10用不同秸稈與糞便混合，當秸稈比例為30時，與單一糞便發(fā)酵相比，沼氣產量提高了1685。Teihm等11研究表明，采用超聲波處理物料20120 min，可使厭氧發(fā)酵時間從22 d 降到8 d，同時沼氣產量提高2.2 倍。Zhang 等12在進行稻草干法厭氧消化的研究中， 分別在60、90、110條件下對稻草進行熱處理發(fā)現(xiàn)， 預處理溫度越高， 固體減少量越多， 甲烷產量越高。Shrivastava等13研究結果表明，白腐真菌發(fā)酵麥秸可有顯示出白腐真菌能將麥稈轉化為高能量的牲畜飼料。上述干法厭氧消化技術的研究表明， 混合厭氧發(fā)酵以及

13、優(yōu)化混合原料組合將是重要的發(fā)展方向。有機固體廢物干法厭氧消化處理工藝研究，包括連續(xù)式反應器和間歇式（批次）反應器。目前歐洲主要采用4種已經實現(xiàn)商業(yè)化運作的連續(xù)沼氣干法發(fā)酵工藝，即Kompogas臥式推流發(fā)酵工藝、Dranco豎式推流發(fā)酵工藝、Lingle-KCA臥式推流發(fā)酵工藝和Valorga豎式氣攪拌工藝。干法厭氧發(fā)酵的生物監(jiān)測及環(huán)境效應研究，包括干法發(fā)酵工藝對病源菌的影響和大氣環(huán)境的影響。如Salminen等14綜述干法發(fā)酵工藝對有害微生物的影響認為，厭氧消化能夠殺滅病源菌，且高溫厭氧消化比中溫更有效，能100殺滅糞大腸菌與沙門菌，而中溫型消化池僅能殺滅部分糞大腸菌與沙門菌。Schauss

14、等15研究了將秸稈厭氧干發(fā)酵后再施入農田整個過程的溫室氣體排放，結果表明，干發(fā)酵后氧化氮（以N計）排放量為458 g/hm2a，比對照770 g/hm2a 減少近1/3，甲烷排放量減少22。由于干發(fā)厭氧發(fā)酵過程主要是微生物作用的結果，因此，選育出高效、適應低溫的厭氧發(fā)酵菌種是提高厭氧發(fā)酵效率，降低產氣成本的主要途徑16。5 生物質廢棄物資源化利用技術展望利用農業(yè)廢棄物集儲裝備技術、綜合堆肥技術、生物液體燃料生產技術以及干法厭氧發(fā)酵技術是其資源化和能源化領域的有效利用途徑。綜合堆肥技術將幾種單一的堆肥技術有機結合起來，有效地解決堆肥過程中處理效率和堆肥應用之間的矛盾，具有良好的社會和經濟效益；生

15、物液體燃料是可再生能源，不僅能緩解能源緊張和環(huán)境壓力，還能夠促進農業(yè)發(fā)展、增加農民收入、推進新農村建設，因而在我國擁有巨大的發(fā)展?jié)摿?。雖然現(xiàn)階段生物液體燃料工藝復雜、生產效率低、成本高、技術瓶頸有待突破，但是一旦實現(xiàn)商業(yè)化生產，將會給我國乃至全球帶來巨大的財富，有著良好的發(fā)展前景?？傊@4種技術可以相輔相成共同運用于農業(yè)固體廢棄物的資源化利用中。6 結語農業(yè)固體廢棄物既是環(huán)境污染源，又是生物質資源庫。為了減少農業(yè)固體廢棄物對環(huán)境的污染，降低資源化成本，必須提高農業(yè)固體廢棄物資源化利用率，以促進我國農業(yè)循環(huán)經濟可持續(xù)發(fā)展，建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會。筆者建議相關政府部門應加強宣傳引導，健全

16、和建立農業(yè)固體廢物的法規(guī)和政策體系，加大資金和人才投入；企業(yè)或科研單位應加快技術開發(fā)與創(chuàng)新，通過技術升級，使農業(yè)廢棄物得到更高效的利用。參考文獻1 李樹君, 楊炳南, 王俊友, 等. 主要農作物秸稈收集技術發(fā)展J. 農業(yè)機械, 2008(6A): 23-26.2 劉艷艷. 淺談我國秸稈收集技術與秸稈收儲運行模式A. 首屆農村廢棄物及可再生能源開發(fā)利用技術裝備發(fā)展論壇論文集C. 2010.3 陳巧燕, 楊健, 王志強, 等. 蚯蚓堆肥處理有機廢棄物的國外研究進展J. 中國資源綜合利用, 2006, 24(12): 8-10.4 NDEGWA P M, THOMPSON S A. Integrat

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