國(guó)內(nèi)外農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用技術(shù)研究進(jìn)展分析研究 環(huán)境工程專業(yè)

1、國(guó)內(nèi)外農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用技術(shù)研究進(jìn)展摘要：農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平和農(nóng)民生活水平的提高, 對(duì)原本為燃料和肥料的農(nóng)業(yè)廢棄物的利用越來(lái)越少, 農(nóng)業(yè)廢棄物數(shù)量越來(lái)越多, 種類越來(lái)越多樣。大量農(nóng)業(yè)廢棄物累積, 對(duì)環(huán)境構(gòu)成了極大的污染并威脅著農(nóng)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(zhuǎn)化對(duì)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、應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)峻的能源危機(jī)成為了當(dāng)前世界大多數(shù)國(guó)家面臨的問(wèn)題, 本文綜述了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外綜合多樣新型利用農(nóng)業(yè)廢棄物的應(yīng)用進(jìn)展情況, 對(duì)其資源化利用介紹了4種技術(shù): 集儲(chǔ)裝備技術(shù)、綜合堆肥技術(shù)、生物液體燃料生產(chǎn)技術(shù)以及干法厭氧發(fā)酵技術(shù), 并進(jìn)行分析究竟采用何種

2、利用方式, 應(yīng)根據(jù)具體條件因地適宜的綜合選擇, 使技術(shù)上向機(jī)械化、無(wú)害化、資源化、高效化、綜合化發(fā)展, 產(chǎn)品上向廉價(jià)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(dá)到消除污染、改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)廢棄物；集儲(chǔ)裝備；綜合堆肥; 干法厭氧發(fā)酵農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用技術(shù)是世界各國(guó)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(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用越來(lái)越受到人們的重視。針對(duì)農(nóng)業(yè)廢棄物的特性，世界各國(guó)非常重視應(yīng)用先進(jìn)工程技術(shù)，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(shù)向機(jī)械化、無(wú)害化、資源化

3、、高效化、綜合化發(fā)展，產(chǎn)品向廉價(jià)化、商品化、高質(zhì)化、多樣化和多功能化靠攏，以達(dá)到物盡其用、變廢為寶、消除污染、改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、高效利用廢棄物的目標(biāo)。本文主要從集儲(chǔ)裝備技術(shù)、綜合堆肥技術(shù)、生物液體燃料生產(chǎn)技術(shù)以及干法厭氧發(fā)酵技術(shù)等方面介紹國(guó)內(nèi)外農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用的研究進(jìn)展。1 集儲(chǔ)裝備技術(shù)國(guó)外大宗糧食作物秸稈收集己形成了與秸稈綜合利用產(chǎn)業(yè)相銜接、與農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)展相適宜、與農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)經(jīng)營(yíng)相結(jié)合、與農(nóng)業(yè)裝備相配套的產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系，適用于以農(nóng)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(shù)發(fā)展的需要。科研成果主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 一是農(nóng)業(yè)廢棄物收集技術(shù)與農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)體系

4、適應(yīng)性強(qiáng)。如歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)體系健全，規(guī)模化種植占主要份額，一般單季種植，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化，從土地耕整，到作物的播種，一直到田間的管理等，標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)為農(nóng)業(yè)廢棄物收集技術(shù)和設(shè)備奠定了良好的作業(yè)基礎(chǔ)。二是農(nóng)業(yè)廢棄物收集技術(shù)與工業(yè)化利用原料需求標(biāo)準(zhǔn)化銜接性好。如瑞典、丹麥、法國(guó)等，在秸稈發(fā)電工程中，從運(yùn)輸要求、燃料供給、燃燒爐設(shè)計(jì)運(yùn)行等，充分考慮了秸稈原料設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了二者的相互銜接。三是農(nóng)業(yè)廢棄物收集技術(shù)與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展相互促進(jìn)。如規(guī)?；曫B(yǎng)、工業(yè)化發(fā)電等秸稈主要需求商，根據(jù)自身生產(chǎn)正常要求，與農(nóng)場(chǎng)主簽訂秸稈供應(yīng)協(xié)議，農(nóng)場(chǎng)主在收獲季節(jié)將秸稈原料集中收集、堆放儲(chǔ)存，按照協(xié)議有條不紊

5、送至消納廠。四是農(nóng)業(yè)廢棄物收集技術(shù)與農(nóng)業(yè)裝備配套性好。國(guó)外主要以拖拉機(jī)配套的作業(yè)機(jī)具為主，除了與農(nóng)藝要求相配套外，更主要的是考慮到秸稈收割前所用機(jī)具標(biāo)準(zhǔn)和秸稈收集后裝載、運(yùn)輸、儲(chǔ)藏設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，與農(nóng)業(yè)裝備形成完整專業(yè)化配套體系。五是農(nóng)業(yè)廢棄物收集設(shè)備本身與信息化、自動(dòng)化技術(shù)結(jié)合緊密。如國(guó)外農(nóng)業(yè)廢棄物收集設(shè)備廣采用電液控制技術(shù)、電子信息技術(shù)，自動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù)、自動(dòng)監(jiān)視技術(shù)與智能控制技術(shù)， 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(zhì)量的可靠性1。我國(guó)農(nóng)業(yè)廢棄物集儲(chǔ)裝備技術(shù)的研發(fā)已經(jīng)取得了一些成就，研制開(kāi)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(shù)裝備，但與發(fā)達(dá)國(guó)家

6、相比， 我國(guó)農(nóng)業(yè)廢棄物收集儲(chǔ)運(yùn)體系還很不健全，尚處于起步階段，標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，且農(nóng)業(yè)廢棄物收集機(jī)械化整體水平還比較落后，關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)和裝備不完善，已經(jīng)成為嚴(yán)重制約農(nóng)作物廢棄物規(guī)?；?、商品化、產(chǎn)業(yè)化利用的主要瓶頸。如我國(guó)陸續(xù)研發(fā)了小圓捆打捆機(jī)、正牽引小方捆打捆機(jī)、側(cè)牽引小方捆打捆機(jī)以及二次壓縮機(jī)等產(chǎn)品，但高密度大方捆和大圓捆打捆機(jī)目前國(guó)內(nèi)還是空白2。2 綜合堆肥技術(shù)世界各國(guó)對(duì)農(nóng)業(yè)固體廢棄物的堆肥處理技術(shù)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(shù)等。傳統(tǒng)的堆肥是在糞便處理過(guò)程中添加稻草、樹(shù)葉等容易分解的材料作為調(diào)理劑或膨脹劑，然后用于農(nóng)作物。然而，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)固體廢棄物的

7、排放量不斷增加，成分日趨復(fù)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(shù)，而是將不同的技術(shù)有機(jī)結(jié)合逐步向多元化發(fā)展。如蚯蚓堆肥的對(duì)象3有城市生活垃圾、畜禽糞便、農(nóng)作物秸稈及廢渣、有機(jī)污泥等，蚯蚓堆肥處理技術(shù)是以上述有機(jī)廢棄物為底物，經(jīng)蚯蚓消化系統(tǒng)和微生物共同作用將有機(jī)物分解。高溫快速堆肥技術(shù)與蚯蚓堆肥技術(shù)相結(jié)合可有效地解決高溫快速堆肥過(guò)程中因處理時(shí)間短，腐熟度達(dá)不到，產(chǎn)品需進(jìn)一步處理等問(wèn)題。普通堆肥與蚯蚓堆肥相結(jié)合，具有縮短反應(yīng)時(shí)間、提高堆肥質(zhì)量、對(duì)環(huán)境危害小、很好的控制病原菌等優(yōu)點(diǎn)4。實(shí)踐證明，綜合堆肥處理技術(shù)不僅能加快堆肥的腐熟過(guò)程，更能有效解決堆肥處理過(guò)程中的處

8、理率和堆肥應(yīng)用間的矛盾，從而實(shí)現(xiàn)廢棄物的減量化、無(wú)害化及資源化，是處理農(nóng)業(yè)固體廢棄物切實(shí)可行的途徑。3 生物液體燃料生產(chǎn)技術(shù)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(nóng)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(zhuǎn)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(chǎn)品的可再生能源，具有可持續(xù)發(fā)展?jié)摿?，因而受到世界各?guó)的青睞。3.1 生物液體燃料技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀美國(guó)在2007年提出，通過(guò)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(fèi)量降低20%，生物液體燃料的使用量達(dá)1.8億t左右；巴西計(jì)劃擴(kuò)大燃料乙醇項(xiàng)目，到2015

9、年生產(chǎn)燃料乙醇達(dá)3000萬(wàn)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(kāi)始供應(yīng)E10燃料，到2030年所有車用汽油都將更換成E10 燃料；2007年法國(guó)每年將有100 萬(wàn)t 生物柴油產(chǎn)能投入運(yùn)營(yíng)，到2009年提高了400萬(wàn)t/a，2010 年提高了500萬(wàn)t/a，到2015年將提高700800萬(wàn)t/a，法國(guó)將成為主要的生物柴油生產(chǎn)國(guó)5；我國(guó)已經(jīng)成為繼美國(guó)和巴西之后世界第三大燃料乙醇生產(chǎn)國(guó)，據(jù)報(bào)道我國(guó)有望在2015年真正實(shí)現(xiàn)第二代乙醇商業(yè)化。3.2 生物液體燃料生產(chǎn)技術(shù)生物質(zhì)作為一種可直接轉(zhuǎn)化為液體燃料的可再生能源，其轉(zhuǎn)化技術(shù)主要是

10、生化轉(zhuǎn)化技術(shù)和熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)，其中生物質(zhì)熱裂解液化技術(shù)是生物質(zhì)能領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。近年來(lái)在原料預(yù)處理、熱解工藝和生物油精制等方面取得了顯著進(jìn)展6。Asgher等7開(kāi)發(fā)出了一種新的木質(zhì)素降解酶，用于小麥秸稈前處理生產(chǎn)乙醇，在最優(yōu)參數(shù)條件下，從木質(zhì)素降解處理后的殘余物獲得生物乙醇33.5g/L。中國(guó)科技大學(xué)利用裂解副產(chǎn)物炭粉和可燃?xì)馊紵尫诺臒崃繛榱呀馓峁嵩?，?shí)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(zhì)裂解液化裝置，2008年成功研發(fā)了第二代生物質(zhì)裂解液化技術(shù)。徐俊明等8開(kāi)發(fā)了一種新的生物質(zhì)熱解油精制方法，并且將生物質(zhì)熱解油加水預(yù)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(xué)突破傳統(tǒng)的酶法工藝瓶頸，成功研制出轉(zhuǎn)化油脂制備生物柴油的新工藝，產(chǎn)率高達(dá)90%以上。趙永騰等9提出了更經(jīng)濟(jì)、有效的糖化和發(fā)酵技術(shù)是未來(lái)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(shù)干法厭氧發(fā)酵技術(shù)作為有機(jī)固體廢物資源化的有效途徑， 近年來(lái)已逐漸成為世界各國(guó)農(nóng)業(yè)固體廢物資源化技術(shù)研究的熱點(diǎn)。干法厭氧發(fā)酵是一門涉及生物學(xué)、生態(tài)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、數(shù)學(xué)、工程學(xué)等多個(gè)學(xué)科的綜合性學(xué)科，是一項(xiàng)系統(tǒng)工程。當(dāng)前的主要研究進(jìn)展包括：干法厭氧發(fā)酵過(guò)程的主要因素研究，包括底物組成、底物預(yù)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(chǎn)

12、氣效率， 同時(shí)也為沼渣的后續(xù)處理與利用帶來(lái)方便。如Lehtom等10用不同秸稈與糞便混合，當(dāng)秸稈比例為30時(shí)，與單一糞便發(fā)酵相比，沼氣產(chǎn)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(shí)間從22 d 降到8 d，同時(shí)沼氣產(chǎn)量提高2.2 倍。Zhang 等12在進(jìn)行稻草干法厭氧消化的研究中， 分別在60、90、110條件下對(duì)稻草進(jìn)行熱處理發(fā)現(xiàn)， 預(yù)處理溫度越高， 固體減少量越多， 甲烷產(chǎn)量越高。Shrivastava等13研究結(jié)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(zhuǎn)化為高能量的牲畜飼料。上述干法厭氧消化技術(shù)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(jī)固體廢物干法厭氧消化處理工藝研究，包括連續(xù)式反應(yīng)器和間歇式（批次）反應(yīng)器。目前歐洲主要采用4種已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)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(cè)及環(huán)境效應(yīng)研究，包括干法發(fā)酵工藝對(duì)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(duì)有害微生物的影響認(rèn)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(nóng)田整個(gè)過(guò)程的溫室氣體排放，結(jié)果表明，干發(fā)酵后氧化氮（以N計(jì)）排放量為458 g/hm2a，比對(duì)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(guò)程主要是微生物作用的結(jié)果，因此，選育出高效、適應(yīng)低溫的厭氧發(fā)酵菌種是提高厭氧發(fā)酵效率，降低產(chǎn)氣成本的主要途徑16。5 生物質(zhì)廢棄物資源化利用技術(shù)展望利用農(nóng)業(yè)廢棄物集儲(chǔ)裝備技術(shù)、綜合堆肥技術(shù)、生物液體燃料生產(chǎn)技術(shù)以及干法厭氧發(fā)酵技術(shù)是其資源化和能源化領(lǐng)域的有效利用途徑。綜合堆肥技術(shù)將幾種單一的堆肥技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，有效地解決堆肥過(guò)程中處理效率和堆肥應(yīng)用之間的矛盾，具有良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)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(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展、增加農(nóng)民收入、推進(jìn)新農(nóng)村建設(shè)，因而在我國(guó)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(fù)雜、生產(chǎn)效率低、成本高、技術(shù)瓶頸有待突破，但是一旦實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)，將會(huì)給我國(guó)乃至全球帶來(lái)巨大的財(cái)富，有著良好的發(fā)展前景。總之，這4種技術(shù)可以相輔相成共同運(yùn)用于農(nóng)業(yè)固體廢棄物的資源化利用中。6 結(jié)語(yǔ)農(nóng)業(yè)固體廢棄物既是環(huán)境污染源，又是生物質(zhì)資源庫(kù)。為了減少農(nóng)業(yè)固體廢棄物對(duì)環(huán)境的污染，降低資源化成本，必須提高農(nóng)業(yè)固體廢棄物資源化利用率，以促進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)。筆者建議相關(guān)政府部門應(yīng)加強(qiáng)宣傳引導(dǎo)，健全

16、和建立農(nóng)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(yīng)加快技術(shù)開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，通過(guò)技術(shù)升級(jí)，使農(nóng)業(yè)廢棄物得到更高效的利用。參考文獻(xiàn)1 李樹(shù)君, 楊炳南, 王俊友, 等. 主要農(nóng)作物秸稈收集技術(shù)發(fā)展J. 農(nóng)業(yè)機(jī)械, 2008(6A): 23-26.2 劉艷艷. 淺談我國(guó)秸稈收集技術(shù)與秸稈收儲(chǔ)運(yùn)行模式A. 首屆農(nóng)村廢棄物及可再生能源開(kāi)發(fā)利用技術(shù)裝備發(fā)展論壇論文集C. 2010.3 陳巧燕, 楊健, 王志強(qiáng), 等. 蚯蚓堆肥處理有機(jī)廢棄物的國(guó)外研究進(jìn)展J. 中國(guó)資源綜合利用, 2006, 24(12): 8-10.4 NDEGWA P M, THOMPSON S A. Integrat

17、ing composting and vermicomposting in the treatment and bioconversion of biosolidsJ. Bioresource Technology, 2001, 76(2): 107-112.5 李希宏. 國(guó)內(nèi)外生物液體燃料發(fā)展趨勢(shì)J. 當(dāng)代石油石化, 2007, 15(3): 7-13.6 朱錫鋒, 李明. 生物快速熱解液化技術(shù)研究發(fā)展J. 石油化工, 2013, 42（8）: 833-837.7 Muhammad Asgher, Fareeha Bashir, Hafiz Muhammad Nasir lqbal.A co

18、mprehensive ligninolytic pre-treatment approach from lignocellulose green biotechnology to produce bio- ethanolJ. Chemical Engineering Research and Design, 2013.8 徐俊明, 蔣劍春, 呂微, 等. 生物質(zhì)熱解油中各成分的精制與應(yīng)用J. 林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè), 2010, 30(2): 1-5.9 趙永騰, 李濤, 徐軍偉, 等. 微藻碳水化合物生產(chǎn)生物燃料的研究進(jìn)展J. 化工進(jìn)展, 2014, 04: 878-882, 920.10 Leh

19、tom A, Huttunen S, Rintala J A.Laboratory hvesti gations on Co-Digestion of Energy Crops and Crop Residues With Cow Manure for Methane Production：Effect of Crop to Manure Ratio J. Resources Conservation and Recycling, 2007, 51(3): 591-609.11 Teihm A, Nickwl K, Zellhorn N, et a1. Ultrasonic Waste Activated Sludge Disintegration for Improving Anaer