农业废弃物的生物处理技术

主要内容1.农业废弃物的相关概念2.我国农业废弃物的现状及资源化潜力3.农业废弃物资源化利用的途径4.农业废弃物的生物处理技术5.总结重要内容21.农业废弃物的相关概念1.1什么是农业废弃物1.2农业废弃物的分类1.3农业废弃物的特点31.1什么是农业废弃物？农业废弃物(agriculturalresidue)，是指在整个农业生产过程中被丢弃的有机类物质，主要包括：农林业生产过程中产生的植物残余类废弃物，畜牧渔业生产过程中产生的动物类残余废弃物，农业加工过程中产生的加工类残余废弃物和农村城镇生活垃圾等。通常我们所说的“农业废物”主要指农作物秸秆和畜禽粪便。4j秸秆1.2农业废弃物的分类51.3农业废弃物的特点1.元素的组成除C、O、H三元素的含量高达65%—90%外，还含有丰富的N、P、K、Ca、Mg、S等。2.化学组成一是天然高分子聚合物及其混合物，如纤维素、半纤维素、淀粉、蛋白质等；二是天然小分子化合物，如氨基酸、生物碱、单糖、激素、抗生素、脂肪酸等。3.物理性质表面密度小、韧性大、抗拉、抗弯、抗冲击能力强等。62.我国农业废弃物的现状及资源化潜力2.1我国农业废弃物的现状2.2我国农业废弃物的资源化潜力72.1我国农业废弃物的现状种植业向省工、高效的方向转变农业废弃物堆积大量化肥代替原用农家肥农业废弃物利用率低养殖业向集约化、城郊化靠拢环境污染问题人工饲料代替农业废弃物饲料资源浪费问题变化现状8焚烧的秸秆遗弃的秸秆2.2我国农业废弃物的资源化潜力1.农作物秸秆我国是农业大国，秸秆资源非常丰富。据统计，2009年全国农作物秸秆理论资源量为8.20亿t（风干，含水量为15%），其中稻草、麦秸和玉米秸三大农作物秸秆分别为2.05亿t、1.5亿t、2.65亿t，约占资源总量的75.6%，农作物秸秆折标煤总量为4.04亿t（表1）。102.2我国农业废弃物的资源化潜力2.畜禽粪便近年来，随着我国经济的快速发展和人们生活质量的不断提高，对畜禽产品的需求量也在不断增加，这使得畜禽养殖模式不断从散养向规模化、集约化养殖转变，促使集约化、规模化养殖业迅猛发展。但与此同时，畜禽粪便的产生量也在逐年增加，据统计，2012年我国畜禽粪便年产量约12.69×108t，折算为标煤年产能总量达9430万t（表2）。2.2我国农业废弃物的资源化潜力3.小结由上可知，我国农业废弃物具有巨大的资源化潜力，将这些废弃物通过合理的资源化利用技术转化为资源，为人类所利用，有利于解决因农业、畜牧业快速发展带来的环境污染和资源浪费等问题，这对于实现农业循环经济的发展，促进“三农”问题的解决，推进社会主义新农村建设等都具有重要的现实意义。123.农业废弃物资源化利用的途径利用途径3.1能源化3.3饲料化3.4材料化3.2基质化133.1能源化利用生产木糖醇生物转化制乙醇生产单细胞蛋白生物制氢沼气工程技术01热解液化技术0204050603利用途径143.2基质化利用基质化利用是指农业废弃物经过适当处理后用作农业栽培的原料。农业废弃物可用作不同基质的制作原料。基质为植物根系提供水、气、肥等营养，并对植物起到支持和固定作用。农业废弃物基质化工艺农业废弃物基质种植食用菌3.3饲料化利用目前，农业废弃物的饲料化主要分为植物纤维性废弃物的饲料化和动物性废弃物的饲料化，因为农业废弃物中含有大量的蛋白质和纤维类物质,经过适当的技术处理便可作为畜禽饲料应用。1.植物纤维性废弃物植物纤维性废弃物主要指秸秆。当前我国秸秆的饲用量约为1.6亿t。1.6亿t秸秆3.67亿ha天然草地产草量养殖量约为4.6亿只羊≈≈大多可以直接饲喂也可经过一定加工处理后饲喂优点：可以提高其营养利用率和经济效益。加工处理方法：粉碎等物理方法、酸碱处理等化学方法和微生物发酵等。163.3饲料化利用2.动物性废弃物饲料化动物性废弃物主要指畜禽粪便和加工下脚料。如鸡粪的有效能值为7524kJ/kg,含粗蛋白27%左右，无氮浸出物20%以上，还含有丰富的钙、磷和微量元素，通过特定的物理、化学和微生物方法处理后可作为畜禽饲料。但是，动物性废弃物的饲料化利用存在一定的安全隐患，目前人们对动物性废弃物的饲料化利用观点不一致，存在争议。173.4材料化利用材料化利用是利用农业废弃物中的高蛋白质资源和纤维性材料生产多种生物质材料，比如：高纤维性植物废弃物∙生产纸板、人造纤维板、轻质建材板；∙通过固化、炭化技术制成活性炭；∙稻壳作为生产白碳黑、炭化硅陶瓷、氮化硅陶瓷的原料；实例∙秸秆、稻壳经炭化后生产钢铁冶金行业金属液面的新型保温材料；∙生产可降解餐具材料和纤维素薄膜。∙利用棉秆皮、棉铃壳等含有的酚式羟基化学成分可制成聚合阳离子交换树脂吸收重金属等。184.农业废弃物的生物处理4.1堆肥技术4.2干发酵技术4.3生物转化制燃料乙醇技术194.1堆肥技术概念堆肥技术是利用微生物的作用，将不稳定的有机质转化为较稳定的有机质，使废弃物中挥发性物质含量降低，臭味减小，物理性状明显改善。高温堆肥还可以杀灭堆料中的病原菌、虫卵和草籽，堆肥产品作为土壤改良剂和植物营养源。堆肥过程中的影响因素堆肥过程受许多环境因子的影响，如C/N比、水分、氧气浓度、粒度、pH值、温度等。表3列出了一些堆肥参数的合理范围和优先范围，这些数值可能根据堆肥原材料的不同而有所变化。204.1堆肥技术综合堆肥技术随着我国经济的快速发展，农业固体废弃物的排放量不断增加，成分日趋复杂，为提高固体废弃物的处理效率，人们不再局限于单一的、传统的堆肥处理技术，而是将不同的技术有机结合逐步向多元化发展。综合堆肥技术应用实例1.蚯蚓堆肥技术底物蚯蚓消化系统微生物产物蚯蚓体：优质动物蛋白，可用于养殖。代谢产物：富含植物必须的N、P、K等养分，可作肥料。农作物秸秆及废渣禽类粪便城市生活垃圾有机污泥等4.1堆肥技术综合堆肥技术应用实例2.高温快速堆肥技术与蚯蚓堆肥技术结合优点：高温快速堆肥技术与蚯蚓堆肥技术相结合可有效地解决高温快速堆肥过程中因处理时间短，腐熟度达不到，产品需进一步处理等问题。3.普通堆肥与蚯蚓堆肥技术结合优点：普通堆肥与蚯蚓堆肥技术相结合具有缩短反应时间、提高堆肥质量、对环境危害小、很好的控制病原菌等优点。小结：实践证明，综合堆肥技术不仅能加快堆肥的腐熟过程，更能有效解决堆肥处理过程中的处理率和堆肥应用间的矛盾，从而实现废物的减量化、无害化及资源化，是处理农业固体废弃物切实可行的途径。224.2沼气干发酵技术概念：沼气干发酵又称固体厌氧发酵，是以畜禽粪便、秸秆等有机固体废弃物为原料，在干物质浓度为20%以上的条件下，利用厌氧菌将废弃物分解为CH4、CO2等气体的发酵技术，它是处理有机废弃物资源化的有效途径。图2沼气发酵基本流程234.2沼气干发酵技术沼气干发酵影响因素1.C/N比在干发酵过程中，CH4不断生成，导致原料的C/N比不断下降，因此进料时的C/N比可适当调高些，研究表明，C/N比在20:1～30:1最适于沼气干发酵。2.预处理农业固体废弃物化学组成含有纤维素、半纤维素、木质素，这些成分在自然条件下很难分解，采取适当的预处理，可有效提高产气率以及原料的利用率，常见的预处理方法有破碎、热处理、酸碱处理等。4.2沼气干发酵技术沼气干发酵影响因素3.发酵原料干物质浓度对于不同的发酵原料干物质浓度会有所不同，一般根据温度、pH值等发酵条件通过试验确定干物质浓度。冷成保等研究暗河式生活垃圾干发酵处理指出较理想的干物质浓度是25%～30%；石利军等以牛粪秸秆为原料，在C/N比=25～30，T=36℃条件下研究干物质浓度对厌氧发酵产沼气影响，结果表明10%的干物质浓度产沼气效果最好。4.温度厌氧干发酵温度一般在中温（30～45℃）条件下产气较好。5.pH值pH对生物体内各种酶的活性有一定影响，在中性条件下更适合菌的生长，促进沼气的产生。254.2沼气干发酵技术沼气干发酵影响因素6.搅拌通过搅拌可实现微生物和底物的有效接触，促进传质、传热效率，从而提高沼气消化效率。国外许多国家在沼气发酵过程中设置混合搅拌装置，搅拌方式有气体搅拌、水利搅拌、机械搅拌，搅拌模式分为连续搅拌和间歇式搅拌。264.2沼气干发酵技术沼气干发酵装置1.国外沼气干发酵装置德国于20世纪90年代就进行间歇式沼气干发酵技术装备研发。目前欧洲主要采用4中沼气干发酵工艺，即Dmnco竖式推流发酵、Valorga竖式气搅拌、Kompogas卧式推流发酵和Lingle-KCA卧式推流发酵，这4种工艺已实现商业化运作。2.国内沼气干发酵装置我国起步较晚，在21世纪初才开始干厌氧发酵反应器的研究。韩捷等研制出新型沼气干发酵反应器-覆膜槽生物反应器（MembraneCoveredTroughbioreactor,简称MCT），并开发出规模化的沼气干发酵技术和成套装置。该项技术在工程上解决了沼气干发酵进料难得问题，便于管理、节约用地，提高了实用性和经济性。274.3农业废弃物生物转化制燃料乙醇技术燃料乙醇乙醇俗称酒精，它以粮食及各种植物纤维为原料，经发酵、蒸馏制成。将乙醇进一步脱水再与适量汽油混合后即可形成“燃料乙醇，又称乙醇汽油。如图3所示乙醇是太阳能的一种表现形式。在整个自然界大系统中，乙醇的生产和消费过程可形成无污染的闭路循环，永恒再生，永不枯竭。图3纤维素乙醇在自然界中的循环284.3农业废弃物生物转化制燃料乙醇技术纤维素类农业废弃物生产燃料乙醇的意义我国推行乙醇汽油清洁燃料，对我国的能源安全、农业建设和环境保护等方面将起到积极的推动作用。（1）减少对进口石油的依赖，提高能源安全；（2）建设农村经济，带动农民增收；（3）降低温室气体排放，改善大气环境。一定的粮食危机①2005年起，在“向玉米要能源’’的推动下，我国东北一些地方上燃料乙醇项目热情高涨。②2006年底全国以生物燃料乙醇名目提出的建设意向生产能力已超过千万吨，其中很多是以粮食为原料。③以粮食生产生物燃料，粮食不再仅仅是食物。④使粮食买卖投机兴盛，导致了粮食市场扭曲，并使粮价不断攀升。①中国政府果断叫停粮食乙醇化项目。②实行生物燃料乙醇项目核准制。③国家的燃料乙醇产业规划中，更明确了“非粮化的思路。目前看来，承担改变中国能源结构重任的，是以秸秆为代表的植物纤维。4.3农业废弃物生物转化制燃料乙醇技术秸秆乙醇化工艺流程以秸秆为原料生产乙醇技术主要包括秸秆原料的预处理、酶水解和乙醇发酵3个过程(如图4所示)。目前,在秸秆乙醇化过程中，预处理费用过于昂贵、纤维素酶成本高、缺乏产乙醇的高转化率微生物菌种等是其主要技术障碍。其中，仅预处理部分的花费就要约占总成本的1/3。图4秸秆原料生产乙醇流程示意图304.3农业废弃物生物转化制燃料乙醇技术秸秆的预处理技术1.秸秆预处理的必要性秸秆①纤维素；②半纤维素；③木质素。木质纤维素①化学性质很稳定的高分子化合物；②不溶于水，也不溶于一般的有机溶剂；③交织在一起形成细胞壁结构，相互制约。不经预处理纤维素酶水解糖得率很低，一般在理论得率的20％以下。预处理则能大幅度地提高秸秆作为乙醇化原料的可利用性，并降低酶解成本。结论进行适当的预处理对于实现秸秆的高值利用是必要的。314.3农业废弃物生物转化制燃料乙醇技术秸秆的预处理技术2.秸秆预处理的方法目前，对秸秆进行预处理的研究十分众多。从分类上讲，预处理方法主要包括物理法、化学法和生物法，或者是其中多者的组台。(1)物理预处理方法比较常用的物理处理方法是机械粉碎，通过破碎、碾磨等方式将秸秆粉碎为10～30mm的切片或0.2～2mm的颗粒，随着粉碎程度加深，表面积也逐渐增大，酶解速度加大。高温分解也可以作为木质纤维原料预处理的方法。当秸秆在300℃以上的高温下处理时，纤维素会快速分解成为气体和残留固体。此外，高能射线如电子射线、γ射线等也可对纤维素原料进行预处理，电离辐射可以使纤维素聚合度下降。324.3农业废弃物生物转化制燃料乙醇技术2.秸秆预处理的方法(2)物理化学预处理方法①蒸汽爆破蒸汽爆破是一个很有发展前景的预处理方法