农业固废资源化利用技术

1广州大学固体废物处理课程学术论文班级给排122姓名谭健荣学号1216400051指导老师方茜2农业固废资源化利用新技术摘要：农业固废资源合理利用，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，农业固废资源化利用技术的研究也将对人类的生存产生重大影响。本文主要简述了我国农业固废资源的概况，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，提出我国农业废弃物资源化利用的对策措施。关键词：农业固废物；集储装备；堆肥；干法厌氧发酵；资源化利用；发展趋势；对策措施。3目录引言………………………………………………………………41、我国农业废弃物资源概况…………………………………41.1植物类…………………………………………………………41.2动物类………………………41.3加工类………………………42、国内外农业废弃物资源化利用技术研究进展…………52.1集储装备技术…………………………………………………52.2微生物强化堆肥技术………………………………52.3干法厌氧发酵技术……………………52.4纤维素乙醇生产技术…………………63、农业废弃物资源化利用的发展趋势………………83.1研究目标趋于综合性………………83.2研究手段趋于多元性………………83.3研发方式趋于技术升级与系统集成………………83.4研发技术趋于机械化、规模化、专业化………………84、我国农业废弃物资源化利用的对策措施……………84.1加大宣传力度………………………84.2建立农业废弃物资源的监控系统………………84.3提供政策和资金支持………………84.4加强科学技术支撑………………………………84.5加强产学研的战略合作………………………………84.6探索发展模式………………………………9参考文献………………………………………………………………94引言在我国，生态环境恶化、资源高耗型生产已成为社会经济发展的基本形式，尤其是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，造成农业废弃物的大量积累，进而产生较为严重的环境问题和资源浪费问题。实践表明，农业废弃物的资源化利用和无害化处理，是控制污染、改善环境、发展循环经济、实现农业可持续发展的有效途径。本文对国内外农业废弃物资源化利用技术和发展趋势进行了探讨。1、我国农业废弃物资源概况1.1植物类植物类废弃物资源来自于农林生产过程中产生的残余物，主要为农作物秸秆。2009年，全国农作物秸秆理论资源量为8.20亿t。根据我国各地农作物机械收获和人工收获农业固废调查结果估算，09年全国农作物秸秆可收集资源量约为6.87亿t，其中稻草约为2.05t，麦秆为1.50亿t，玉米秆为2.65亿t，以及剩余的其他一些农作物的秆。据调查，我国秸秆未利用资源量为2.15亿t，这意味着我国秸秆资源利用潜力巨大。1.2动物类动物类废弃物资源来自于牧、渔业生产过程中产生的残余物，主要来自圈养的牛、猪和鸡3类畜禽。07年畜禽粪便实物量为12.47亿t，可开发量为8.84亿t，其中牛、猪、鸡分别为4.64亿、3.39亿、0.80亿t，折算的年产能（标煤）分别为3934万、2909万、4139万t，合计为1.0983亿t。。畜禽粪便的收集和利用方式对资源的可收集程度关系很大，猪多为家庭圈养，无效资源可忽略不计，牛与鸡的可收集率与规模化饲养程度关系较大。今后随着畜禽养殖业的发展，粪便的生产量还会增加。1.3加工类加工类废弃物资源来自于农林牧渔业加工过程中产生的残余物，其中林业剩余物一部分来源于伐区采伐剩余物和木材加工剩余物，另一部分来自各类经济林抚育管理期间育林剪枝所获得的薪材量。“十一五”期间我国木材采伐剩余物和加工剩余物的实物量为8056万t，折合标准煤4592万t，加上各类经济林抚育管理期间育林剪枝所获得的薪材实物量4813万t，折合2743万t标准煤，二者合计实物量为12869万t，折合标准煤7335万t。综上所述，农业废弃物是一类具有巨大潜力的资源库如果能将这些废弃物变废为宝，生产出有机肥、饲料、能源、材料和精美的化工产品，将有利于资源循环利用、环境保护、改善农村能源消费，促进农业结构调整、农村经济发展、农民收入增加。2国内外农业废弃物资源化利用技术研究进展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、高效化、综合化发展，产品向廉价化、商品化、高质化、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5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。从技术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、农业废弃物收集技术与农业产业体系适应性强。二、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。三、农业废弃物收集技术与经济社会发展相互促进。四、农业废弃物收集技术与农业装备配套性好。五、农业废弃物收集设备本身与信息化、自动化技术结合紧密。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。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BIOTEC2120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。但是，这些先进的堆肥设施由于运行成本太高，在我国还没有普遍适。我国微生物强化堆肥技术主要有3种：一、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、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，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、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NH3、H2S和一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NH3、H2S和VFA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等在进行稻草干法厌氧消化的研究中，分别在60、90、110℃条件下对稻草6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Shrivastava等研究结果表明，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Kompogas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。（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Salminen等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/hm2·a，比对照770g/hm2·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（UKERC）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。但是要把农林废弃物生物质转变成乙醇燃，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——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——生物转化；三是简捷、高效的下游过程技术——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，前者往往需要高温高压和极端酸碱度，这就意味着高能耗、高污染和高毒性，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。2009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，2010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，乙醇生产过程中酶的成本已经降至0.13美元/L，纤维素酶的技术突破为生物质乙醇产业带来了新的生机。诺维信中国研发中心在赛力二代中也做了一些工作，主要反映在两方面：一方面是利用中国的生物多样性寻找新酶，将其用于全球产品的开发；另一方面是从中国本土的市场需求出发，研究中国的生物质材料需要什么样的酶种，因为酶制剂开发需要有底物适应性，在中国收集到一些玉米秸秆可能跟其他国家的秸秆组分不同，相应地降解它们所需要的酶也不同。纤维素乙醇的另一个瓶颈是预处理技术，该技术迄