浅析农业废弃物资源化利用技术研究进展与发展趋势

浅析农业废弃物资源化利用技术研究进展与发展趋势

摘要

农业废弃物资源的合理利用，不仅对减少环境污染、改善农村生态环境、发 展农业循环经济具有十分重要的意义，

而且在世界能源日益枯竭的情况下， 农业

废弃物资源化利用技术的研究也将对人类的生存产生重大影响。 本文简述了我国 农业废弃物资源的概况，以及国内外农业废弃物资源化利用技术的研究进展和应 用情况，针对农业废弃物资源化利用的发展趋势， 用的对策措施。

关键词：农业废弃物；资源化利用；发展趋势；对策措施

Tren dsofresourceutilizati on tech no logy in agricultural

wasteathomea ndabroad

Abstract

Rati on aluseofagriculturalwastehasgreatsig ni fica ncetoreducee nviron men talpolluti on ,improvi ngtheruralecologicale nviro nmen t,developi ngag riculturalcircularec onomy.ln caseofthegradualdepletio no fworlde nergy,re searchofagriculturalwasteresourceutilizati on tech no logywillhaveasig nific an timpact on thesurvivalofhuma nity.Thisoverviewexplai nedthestausofagri

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Keywords : agriculturewastes ； resourceutilization ； developmenttrends

提出我国农业废弃物资源化利

；

coun termeasures

第一早刖言

1.1研究背景

我国是一个农业大国，农业生产中的废弃物种类繁多，数量巨大， 而且随着 农业生产水平的提高，现代农业以大量化肥代替原有农家有机肥的使用， 以人工 饲料代替农业废弃物饲料的使用，加之现代农业集约化和规模化的发展，打破了 传统农业中废弃物的循环利用环节， 结果造成了农业废弃物的大量积累， 进而产 生了较为严重的环境问题和资源浪费问题。

农业废弃物的污染主要表现为：秸秆焚烧引起的空气污染；畜禽粪便等造成 的水源污染；农业废弃物引起细菌和病毒的传播。合理利用农业废弃物资源可以 有效地降低或者消除日益严重的环境污染问题， 改善耕地土壤质量问题，解决农 村能源短缺问题。农业废弃物资源的合理利用已日益成为当前世界大多数国家共 同面

临的问题。因此，如何合理利用农业废弃物资源， 真正实现农业废弃物变废 为宝，对缓解我国能源压力，保护生态环境，促进农业的可持续发展具有重大意 义⑴。

1.2研究目标

我国资源相对比较贫乏，面临着水资源短缺、能源不足、土地资源锐减、人 口增长过快等多种矛盾。而我国农业农村一方面资源消耗增长迅速， 单位资源的 产出率始终在偏低位运行；另一方面，农村因生产生活造成的资源浪费和环境污 染惊人，比如我国农业灌溉用水占水资源总量的70%,有效利用系数为0.4?0.5 , 发达国家是0.7?0.8 ;水的重复利用率为50%，发达国家已达85%，这种状况在 过去很长一段时间内并未引起足够重视。 所幸现在政府开始认识到这个问题， 并 采取了一些措施去促进农业废弃物资源化，但是在农业资源化的过程中还是存在 不少问题，政府的重视程度还有待提高。因此，本文的总目标是：通过对我国农 业废弃物处理现状进行分析，找出当前存在的问题，提出相应的对策和建议， 从 而指导资源化使用农业废弃物，发展农业循环经济，促进社会主义新农村建设。 1.3农业废弃物对环境、农业生产等的影响

中国是一个农业大国，以农作物秸秆、畜禽粪便和林木枝条为主的农业废弃 物资源十分丰富，但并未得到有效利用，反而对农业生态形成了一定的压力，农 村环境题日益突出，制约农村经济社会发展；同时，中国在未来 15?20年，农业 废弃物的产生总量依然星增加的趋势，如果不加合理的利用和处理，农业废弃物， 尤其是畜禽养殖对环境的污染将更加严重［2］。农业废弃物的处理与资源化不仅关 系到资源的再利用和环境安全，而且与农业的可持续发展和农村小康社会的建设 紧密相关。

1.3.1农业有机废弃物污染在我国已成为紧迫的环境问题

中国将规模化畜禽养殖作为产业结构调整、鼓励农民养猪，作为增加农民 收

入的重要途径加以鼓励，却忽视了污染防治工作，致使畜禽养殖产生的污染已 成为农村地区污染的主要来源。畜禽养殖污染已成为农村主要的面源污染，猪、 牛、鸡三大类畜禽粪便年排放化学需氧量（C0D）6900多万吨，是全国工业和生活 污水CO的5倍以上［3］。畜禽养殖业的发展，特别是集约化养殖的高速发展，使畜 禽养殖特点发生如下变化：即由过去的分散经营、饲养头数少、 主要分布在农区 转变为现在的集中经营、饲养头数多。畜禽养殖特点的变化加上务农劳力的转移 和肥料施用由有机肥为主转变为化肥占主导地位， 导致畜禽养殖场畜禽粪便由宝 变为废弃物，特别是畜禽粪含水量大、恶臭，带来处理、运输、施用极不方便， 更加剧了畜禽粪直接还田的难度，从而带来环境污染问题。 1.3.2对农业生产产生严重影响

我国是世界上严重缺水的国家之一，中国水资源人均占有量不足 2200立方 米，仅为世界人均水资源占有量的I /4;国内600个城市当中有400个处于缺水状 态，其中有110座城市严重缺水，而目前日趋严重的水污染又进一步加剧了水资 源短缺的矛盾［4］。严重的水污染使缺水矛盾尖锐化，给工农业生产造成严重损失。 据调查，一些规模化畜禽养殖场“肥水”造成周围农作物危害而赔偿的现象经常 发生。此外高浓度污水可导致土壤孔隙堵塞， 造成土壤透气、透水性下降及板结， 严重影响土壤质量。

1.3.3城乡居民的饮用水和健康安全受到严重威胁

由于水环境污染严重，使城乡居民饮水安全受到威胁。大量实践表明，由于 畜禽粪尿及废水造成的水体、土壤和空气的严重污染，最终会导致畜禽传染病和 寄生虫

病的蔓延与发展。

据世界卫生组织（WHO和联合国粮农组织（FAO）的有关资料，目前已有200种 “人畜共患传染病”。其中较为严重的至少有 89种，即可由猪传染的约25种，由 鸟（含家禽）传染的约24种，由牛传染的约26种，由羊传染的约25种，由马传染的 约13种。而这些人畜（禽）共患传染病的传播载体，主要是畜禽粪尿排泄物。 诸如 炭疽、禽流感、五号病、布氏杆菌病、结核病等均系世人共知的人畜共患传染病。 据国外一些科学家研究报道，很多新的流感病毒，是在猪身上相互作用后而产生 的。养殖场排放的严重地危害到人的呼吸系统。 嗅到臭气时，反射性地抑制吸气， 妨碍正常呼吸功能，危害消化系统。经常接触恶臭物质，使人食欲不振与恶心， 进而发展为

[5]

消化功能减退，它还可危害循环系统和神经系统等 。 1.4选题意义

农业废弃物资源化利用有着十分重要的意义，全国一些省份也都积极开展了 农业废弃物资源化利用的相关研究工作，近些年在农业废弃物能源化、肥料化、 饲料化和材料化上也取得了一些成绩， 但由于中国的农业废弃物具有数量大、 品 质差、危害多的特点，农业废弃物资源化还是一个比较新的题目， 推广发展农业 循环经济还处于刚刚起步研究、探索的阶段， 缺乏成熟的经验。本文通过对当前 我国农业废弃物资源化处理相关问题进行研究， 对比外国的一些经验实践，提出 适合我国资源化处理农业废弃物的建议。

第二章国内外农业废弃物资源化利用技术研究进展

农业废弃物资源化利用技术是世界各国普遍需要解决的重大课题。 特别是随 着自然资源日趋短缺和废弃物数量剧增， 农业废弃物资源化利用越来越受到人们 的重视。针对农业废弃物的特性，世界各国非常重视应用先进工程技术， 提升农 业废弃物的肥料化、饲料化、能源化、基质化及工业原料化水平，使技术向机械 化、无害化、资源化、咼效化、综合化发展，产品向廉价化、商品化、咼质化、 多样化和多功能化靠拢，以达到物尽其用、变废为宝、消除污染、改善农村生态 环境、促进农业可持续发展、高效利用废弃物的目标。本文主要从集储装备技术、 微生物强化堆肥技术、干法厌氧发酵技术以及纤维素乙醇生产技术等方面介绍国 内外农业废弃物资源化利用的研究进展。 2.1集储装备技术

国外大宗粮食作物秸秆收集己形成了与秸秆综合利用产业相衔接、 与农业技 术发展相适宜、与农业产业经营相结合、与农业装备相配套的产业技术体系，适 用于以农作物秸秆为原料的规模化饲养、 工业化发电以及液化、气化等新兴技术 发展的需要。科研成果主要体现在以下几个方面： 一是农业废弃物收集技术与农 业产业体系适应性强。如欧美等发达国家现代农业体系健全， 规模化种植占主要 份额，一般单季种植，农业生产实现了机械化，从土地耕整，到作物的播种，一 直到田间的管理等，标准化作业为农业废弃物收集技术和设备奠定了良好的作业 基础。二是农业废弃物收集技术与工业化利用原料需求标准化衔接性好。 如瑞典、 丹麦、法国等，在秸秆发电工程中，从运输要求、燃料供给、燃烧炉设计运行等， 充分考虑了秸秆原料设备的标准化问题， 实现了二者的相互衔接。三是农业废弃 物收集技术与经济社会发展相互促进。如规模化饲养、工业化发电等秸秆主要需 求商，根据自身生产正常要求，与农场主签订秸秆供应协议，农场主在收获季节 将秸秆原料集中收集、堆放储存，按照协议有条不紊送至消纳厂。四是农业废弃 物收集技术与农业装备配套性好。国外主要以拖拉机配套的作业机具为主，除了 与农艺要求相配套外，更主要的是考虑到秸秆收割前所用机具标准和秸秆收集后 装载、运输、储藏设备标

准，与农业装备形成完整专业化配套体系。五是农业废 弃物收集设备本身与信息化、自动化技术结合紧密。如国外农业废弃物收集设备 广泛采用电液控制技术、电子信息技术，自动调节技术、 自动监视技术与智能控 制技术，有利于提高作业的高效性、作业性能的稳定性以及作业质量的可靠性⑹ 我国农业废弃物集储装备技术的研发已经取得了一些成就， 研制开发了一系列秸 秆还田、秸秆打捆、秸秆固化成型、秸秆气化、秸秆制板、秸秆发电等技术装备， 但与发达国家相比，我国农业废弃物收集储运体系还很不健全，尚处于起步阶段, 标准不统一，且农业废弃物收集机械化整体水平还比较落后， 关键技术环节和装 备不完善，已经成为严重制约农作物废弃物规模化、商品化、产业化利用的主要 瓶颈。如我国陆续研发了小圆捆打捆机、正牵引小方捆打捆机、侧牵引小方捆打 捆机以及二次压缩机等产品，但高密度大方捆和大圆捆打捆机目前国内还是空白 ［7］

。

2.2微生物强化堆肥技术

目前国外在堆肥发酵工艺、技术和设备方面已日趋完善，基本上达到了规模 化和产业化水平。如日本畜禽粪便堆肥已实现工厂化， 他们研制的卧式转筒式和 立式多层式快速堆肥装置，发酵时间约1?2周，具有占地少、发酵快、质地优等 特点。俄罗斯研制的有机发酵装置每天可生产100t有机肥，最后每吨成品肥约含 N、P、K45kg。美国BIOTEC212高温堆肥系统，由10个大型旋转生物反应器组成， 通过微生物发酵在72h内可处理1300t畜禽粪便或垃圾，使之成为优质有机肥料， 这种方法对于高湿物料具有特殊的作用。 韩国采用的槽式发酵和螺旋式搅拌在国 际上属于较先进的粪便发酵技术。 但是，欧美发达国家这些先进的堆肥设施由于 运行成本太高，在我国还没有普遍应用［8］ o

我国微生物强化堆肥技术主要有3种：一是高温分解菌接种技术。堆肥化成 功的关键是使微生物正常繁衍，使用适当的微生物接种剂可以加速农业废弃物的 堆肥进程。如顾文杰等［9］以牛粪和蘑菇渣为原料进行好氧堆肥，研究了接种外源 菌剂对堆肥中微生物数量和酶活性的变化。 结果表明，接种增加了堆肥中微生物 数量、脲酶、纤维素酶和转化酶，这说明好氧堆肥中接种菌剂可以加快堆肥中有 机质分解和转化，促进腐熟。二是功能性微生物接种技术。功能性有机肥是利用 传统的堆肥原理，通过添加一些功能性菌株（如固氮、解磷、解钾菌或抑制作物 病原菌），使这些微生物能够在堆肥中繁殖生长，增加堆肥的肥效，调节作物生 长，增强作物的抗病能力。如孙海英等［10］研究表明，在以牛粪与稻草为原料的堆 肥中加入纤维素分解菌和固氮菌后，堆肥过程中 C/N明显降低，提高了堆肥的肥 效，最大限度保留了堆肥物料中的氮素营养。 因此，功能性堆肥具有良好的应用 前景。三是微生物除臭技术。农业废弃物在堆肥发酵过程中会产生恶臭气体，污 染环境和影响堆肥品质。农业废弃物中恶臭主要来源是 NH、H2S和—些有机小分 子化合物，这些物质是一些微生物代谢活动产生的。 在堆肥过程中抑制这些微生 物生长，可以有效地抑制臭气产生。目前，日本研究者已分离出一种放线菌株接 种于畜禽粪便中，能够使NH、H2S等物质很快消失。我国于洪久 \研究表明，与 对照处理相比，在鸡粪中接种除臭剂能提前 10d消除堆肥中的臭气，有效地减轻 了堆肥过程中恶臭物质的产生。 2.3干法厌氧发酵技术

干法厌氧发酵技术作为有机固体废物资源化的有效途径，近年来已逐渐成为 世界各国农业固体废物资源化技术研究的热点。干法厌氧发酵是一门涉及生物 学、生态学、物理学、化学、数学、工程学等多个学科的综合性学科，是一项系 统工程。当前的主要研究进展包括：

（1）干法厌氧发酵过程的主要因素研究，包括底物组成、底物预处理、总 固体（TS）含量、接种物、pH温度以及搅拌等影响因素。许多研究表明，采用 多种底物混合发酵可获得更高的产气效率，同时也为沼渣的后续处理与利用带来 方便。如

［12］

Lehtom等用不同秸秆与粪便混合，当秸秆比例为30%时，与单一粪便 发酵相比，沼气产量提高了 16%?85%。Teihm等冋研究表明，采用超声波处理 物料20?120min,可使厌氧发酵时间从22d降到8d，同时沼气产量提高2.2倍。 Zhang等网在进行稻草干法厌氧消化的研究中， 分别在60、90、110C条件下对稻 草进行热处理发现，预处理温度越高，固体减少量越多，甲烷产量越高。 Shrivastava等［15］研究结果表明，白腐真菌发酵麦秸可有效地提高蛋白质含量、 有机质消化率，同时降低C/N比，显示出白腐真菌能将麦秆转化为高能量的牲畜 饲料。上述干法厌氧消化技术的研究表明， 混合厌氧发酵以及优化混合原料组合 将是重要的发展方向。

(2) 有机固体废物干法厌氧消化处理工艺研究，包括连续式反应器和间歇 式(批次)反应器。目前欧洲主要采用 4种已经实现商业化运作的连续沼气干法 发酵工艺，即Kompoga卧式推流发酵工艺、Dranco竖式推流发酵工艺、Lingle-KCA 卧式推流发酵工艺和Valorga竖式气搅拌工艺何。

(3) 干法厌氧发酵的生物监测及环境效应研究，包括干法发酵工艺对病源 菌的影响和大气环境的影响。如Salmi nen等［17］综述干法发酵工艺对有害微生物的 影响认为，厌氧消化能够杀灭病源菌，且高温厌氧消化比中温更有效，能 100% 杀灭粪大肠菌与沙门菌，而中温型消化池仅能杀灭部分粪大肠菌与沙门菌。 Schauss等丽研究了将秸秆厌氧干发酵后再施入农田整个过程的温室气体排放，

结果表明，干发酵后氧化氮(以N计)排放量为458g/h^ ? a,比对照770g/hmi ? a 减少近1/3，甲烷排放量减少22%。由于干发厌氧发酵过程主要是微生物作用的 结果，因此，选育出高效、适应低温的厌氧发酵菌种是提高厌氧发酵效率，降低 产气成本的主要途径。

2.4纤维素乙醇生产技术

第二代生物燃料是以麦秆、草和木材等农林废弃物为主要原料，采用纤维素 转化技术生产乙醇燃料。根据诺维信与麦肯锡共同发布的研究报告显示，通过农 业废弃物制备纤维素乙醇，到2020年能够为我国替代3100万t汽油，使我国对进 口原油的依赖下降10%，同时减少9000万t二氧化碳排放。英国能源研究中心

(UKER)在对全球90多项研究进行分析后得出结论，如果我们尽可能充分利用 农业废弃物、能源作物以及废料，那么由生物质来提供全球 1/5的能源这一目标 是可以实现的［19］。但是要把农林废弃物生物质转变成乙醇燃料，必须解决 3个重 大技术问题：一是克服木质纤维素分子对生物转化的抗性一一由多糖降解为可发 酵糖；二是通过微生物代谢工程和基因工程研究，高速、高效、高收率地利用可 发酵糖一一生物转化；三是简捷、高效的下游过程技术一一产物分离。其中第一 步将大分子多糖降解为可生物利用的还原糖是目前最大的技术屏障。 从全球范围 分析，以下几种技术方向上可能会取得突破性进展。

2.4.1基于酶制剂的纤维素乙醇生产技术目前用于纤维素水解的方法主要有 化学法和酶解法，前者往往需要咼温咼压和极端酸碱度，这就意味着咼能耗、 咼 污染和高毒性，因而并不经济。酶解法可以在比较温和的条件下反应， 但缺点是 生产成本一直居高不下。20KK年全球最大的工业酶制剂和工业微生物制剂生产商 丹麦诺维信公司推出纤维素酶赛力一代，20KK年赛力二代纤维素乙醇复合酶问 世，与一代相比，添加量可降低一半以上，并可在更高总固形物含量下实现良好 的转化率，有助生产商减少固定资产投入。诺维信公司使用赛力二代的生产线中， 乙醇生产过程中酶