農業固體廢棄物資源化利用技術研究進展及展望

董雪云+張金流+郭鵬飛

摘 要：該文簡述了農業固體廢棄物的特點，分析了我國農業固體廢棄物的資源化潛力，綜述了國內外農業固體廢棄物在沼氣干發酵技術、綜合堆肥技術和生物液體燃料技術等資源化利用技術方面的研究進展和應用情況。并結合我國經濟、社會的發展目標，對農業固體廢棄物資源化利用技術進行了展望。

關鍵詞：農業固體廢棄物；資源化利用；展望

中圖分類號 X71 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2014）18-86-04

農業固體廢棄物是指農業生產、農產品加工、畜禽養殖和農村居民生活排放的廢棄物，如植物秸稈、畜禽糞便等。中國是一個人口大國和農業大國，隨著社會經濟的快速發展，農村的生產和生活水平不斷提高，農業固體廢棄物也越來越多。目前，我國已經成為世界上農業固體廢棄物產出量最多的國家，而絕大多數廢棄物沒有被作為一種資源利用，被隨意丟棄或者排放到環境中，使一部分“資源”變成“廢棄物”，對生態環境造成了極大的影響[1]。國內外實踐表明，農業固體廢棄物的資源化利用和無害化處理，是控制農業污染、改善農村環境、發展循環經濟、實現農業可持續發展的有效途徑之一[2]。因此，針對我國農業固體廢棄物的資源化潛力，結合國內外農業固體廢棄物資源化利用技術，從而有效地將農業固體廢棄物資源化利用是可行的。

1 農業固體廢棄物的特點和資源化潛力

1.1 農業固體廢棄物的特點 農業固體廢物的特點[3]包括：（1）元素組成上除C、O、H三元素的含量高達65%～90%外，還富含有N、P、K、Ca、Mg、S等多種元素；（2）化學組成上既包括天然高分子聚合物及其混合物，如纖維素、半纖維素、淀粉、木質素等，又有天然小分子化合物，如氨基酸、生物堿、單糖、激素、抗生素、脂肪酸等；（3）物理性質表現為表面密度較小、韌性大、抗拉、抗彎、抗沖擊能力強等特點。

1.2 農業固體廢物的資源化潛力

1.2.1 農作物秸稈 我國是農業大國，秸稈資源非常豐富。據統計，2009年全國農作物秸稈理論資源量為8.20億t[4]（風干，含水量為15%），其中稻草、麥秸和玉米秸三大農作物秸稈分別為2.05億t、1.5億t、2.65億t，約占資源總量的75.6%，農作物秸稈折標煤總量為4.04億t（表1）。

表1 2009年我國不同農作物的秸稈產量

[農作物

品種＼&秸稈年產量

（億t）＼&占總資源量的比例（%）＼&折標煤量

（億t）＼&稻＼&2.0500＼&25＼&0.8795＼&麥＼&1.5000＼&18.3＼&0.7425＼&玉米＼&2.6500＼&32.3＼&1.4018＼&棉花＼&0.2584＼&3.2＼&0.1403＼&油料作物＼&0.3737＼&4.6＼&0.1977＼&豆類＼&0.2726＼&3.3＼&0.1480＼&薯類＼&0.2243＼&2.7＼&0.1090＼&其他＼&0.8710＼&10.6＼&0.4233＼&合計＼&8.20＼&100＼&4.04＼&]

注：標準折算系數據系數根據《中國能源統計年鑒》中的《各種能源折標準煤系參考系數》。

1.2.2 畜禽糞便 近年來，隨著我國經濟的快速發展和人們生活質量的不斷提高，對畜禽產品的需求量也在不斷增加，這使得畜禽養殖模式不斷從散養向規模化、集約化養殖轉變，促使集約化、規模化養殖業迅猛發展。但與此同時，畜禽糞便的產生量也在逐年增加，據統計，2012年我國畜禽糞便年產量約12.69×108t，其中牛糞7.55×108t，豬糞4.19×108t，羊糞0.51×108t，家禽糞0.44×108t，折算為標煤年產能分別為：3 841萬t、3 593萬t、651萬t、1 345萬t，總量達9 430萬t（表2）。

表2 2012年我國主要畜禽的糞便量[5]

[畜禽

種類＼&體重

（kg）＼&飼養出

欄周期

（d）＼&一晝夜排糞量

（kg/頭）＼&一年排

糞量

（t/頭）＼&年飼養

數量

（萬頭/a）＼&糞便資

源量

（萬t/a）＼&糞便

收集

系數＼&糞便可

開發量

（萬t）＼&a.干物

質含量（%）＼&b.標煤

折算

系數＼&c.標準量

（標煤，

萬t）＼&標準量

合計（標煤，萬t）＼&牛＼&500＼&365＼&20＼&7.3＼&10343＼&75504＼&0.60＼&45302＼&18＼&0.471＼&3841＼&9430＼&豬＼&50＼&150＼&4＼&0.6＼&69789＼&41873＼&1.00＼&41873＼&20＼&0.429＼&3593＼&羊＼&＼&＼&＼&0.18＼&28504＼&5131＼&0.3＼&1539＼&80＼&0.529＼&651＼&家禽（肉雞）＼&1.5＼&60＼&0.1＼&0.006＼&726438＼&4359＼&0.60＼&2615＼&80＼&0.643＼&1345＼&]

注：標準折算系數據系數根據《中國能源統計年鑒》中的《各種能源折標準煤系參考系數》。

綜上所述，我國農業固體廢棄物具有巨大的資源化潛力，將這些廢棄物通過合理的資源化利用技術轉化為資源，為人類所利用，有利于解決因農業、畜牧業快速發展帶來的環境污染和資源浪費等問題，這對于實現農業循環經濟的發展，促進“三農”問題的解決，推進社會主義新農村建設等都具有重要的現實意義。

2 國內外農業固體廢棄物資源化利用技術研究進展endprint

近幾年在全球范圍內都提出了實現循環性社會的目標。處理農業固體廢棄物的基本原則是所謂的“4R”原則，即減量化（Reduce）、再利用（Reuse）、再循環（Recycle）、無害化（Harmless）。隨著廢棄物種類和總量的急劇增加，農業固體廢棄物資源化利用技術已成為國內外研究的焦點。世界各國運用先進工程技術在廢棄物的肥料化、飼料化、能源化、基質化等方面進行了技術水平的提高，使技術向規模化、穩定化、機械化、專業化、高效化、無害化的深度發展。本文主要從沼氣干發酵技術、綜合堆肥技術以及生物液體燃料技術等方面介紹了國內外農業固體廢棄物資源化利用技術的研究進展。

2.1 沼氣干發酵技術 沼氣干發酵又稱固體厭氧發酵，是以畜禽糞便、秸稈等有機固體廢棄物為原料，在干物質濃度為20%以上的條件下，利用厭氧菌將廢棄物分解為CH4、CO2等氣體的發酵技術，它是處理有機廢棄物資源化的有效途徑。

2.1.1 沼氣干發酵影響因素研究 在干發酵過程中，CH4不斷生成，導致原料的C/N比不斷下降，因此進料時的C/N比可適當調高些，研究表明，C/N比在20∶1～30∶l是最適于沼氣干發酵。農業固體廢棄物化學組成含有纖維素、半纖維素、木質素，這些成分在自然條件下很難分解，采取適當的預處理，可有效提高產氣率以及原料的利用率，常見的預處理方式有破碎[6]、熱處理[7]、酸堿處理[8]等。對于不同的發酵原料干物質濃度會有所不同，冷成保[9]等研究暗河式生活垃圾干發酵處理指出較理想的干物質濃度是25%～30%；石利軍等[10]以牛糞秸稈為原料，在C/N比=25～30，T=36℃條件下研究干物質濃度對厭氧發酵產沼氣影響，結果表明10%的干物質濃度產沼氣效果最好；厭氧干發酵溫度一般在中溫（30～45℃）條件下產氣較好。Fatma A等[11]在37℃、55℃及65℃條件下對雞糞進行批量式干發酵試驗，結果發現，在55℃及65℃進行的發酵樣品中沒有檢測到甲烷，而在37℃條件下，培養254d，達到了很好的產氣效果；pH對生物體內各種酶的活性有一定的影響，在中性條件下更適合菌的生長，促進沼氣的產生[12]；通過攪拌可實現微生物和底物的有效接觸，促進傳質、傳熱效率，從而提高沼氣消化效率[13]。國外許多國家在沼氣發酵過程中設置混合攪拌裝置[14]，攪拌方式有氣體攪拌、水利攪拌、機械攪拌，攪拌模式分為連續攪拌和間歇式攪拌。

2.1.2 沼氣干發酵裝置研究 德國于20世紀90年代就進行間歇式沼氣干發酵技術裝備研發。目前歐洲主要采用4種沼氣干法發酵工藝，即Dmnco豎式推流發酵、Valorga豎式氣攪拌、Kompogas臥式推流發酵和Lingle—KCA臥式推流發酵，這4種工藝已經實現商業化運作。我國起步較晚，在21世紀初才開始干厭氧發酵反應器的研究。韓捷等[15]研制出新型沼氣干法發酵反應器—覆膜槽生物反應器（Membrane Covered Trough bioreactor，簡稱MCT），并開發出規模化的沼氣干發酵技術和成套裝置。經測試，1個MCT反應器單元最高日產氣量為86m3，沼氣發酵期平均日產氣量54.8m3，容積產氣率0.598m3/m3·d，沼氣甲烷含量55%～60%。該項技術在工程上解決了沼氣干發酵進料難的問題，便于管理，節約用地，提高了經濟性和實用性。

2.2 綜合堆肥技術 世界各國對農業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。

2.2.1 堆肥過程中的影響因素研究 堆肥過程受許多環境因子的影響[16]，如C/N比、水分、氧氣濃度、粒度、pH值、溫度等。表3列出了一些堆肥參數的合理范圍和優先范圍，這些數值可能根據堆肥原材料的不同而有所變化。

表3 堆肥工藝中的因素

[因素＼&合理范圍＼&建議范圍＼&C/N＼&20∶1～40∶1＼&25∶1～30∶1＼&水分＼&40%～75%＼&50%～60%＼&氧氣濃度＼&大于5%＼&遠大于5%＼&粒度＼&3～12mm＼&適當調整＼&pH＼&5.5～9.0＼&6.5～8.0＼&溫度＼&50～65℃＼&55～60℃＼&]

2.2.2 綜合堆肥技術 傳統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展，農業固體廢棄物的排放量不斷增加，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展。如蚯蚓堆肥的對象[17]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、對環境危害小、很好的控制病原菌等優點[18]。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理率和堆肥應用間的矛盾，從而實現廢棄物的減量化、無害化及資源化，是處理農業固體廢棄物切實可行的途徑。

2.3 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，具有可持續發展潛力，因而受到世界各國的青睞。

2.3.1 生物液體燃料技術發展現狀 美國在2007年提出，通過發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年生產燃料乙醇達3 000萬t；歐盟于2008年提出，2020年可再生燃料滿足歐盟地區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700～800萬t/a，法國將成為主要的生物柴油生產國[19]；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年真正實現第二代乙醇商業化。endprint

2.3.2 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[20]。Asgher等[21]開發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，在最優參數條件下，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年成功研發了第二代生物質裂解液化技術。徐俊明等[22]開發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。清華大學突破傳統的酶法工藝瓶頸，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[23]提出了更經濟、有效的糖化和發酵技術是未來藻類碳水化合物制備生物燃料的研發方向。

3 農業固體廢棄物資源化利用技術展望

利用農業固體廢棄物制取沼氣技術、綜合堆肥技術、生物液體燃料技術是其資源化和能源化領域的有效利用途徑。沼氣干發酵技術能夠保證畜禽糞便和農作物秸稈在干物質濃度較高的情況下正常發酵，產生清潔能源，符合我國廣大農村地區對優良環境、清潔能源的需要。沼氣干發酵技術是一項系統工程，在未來還需由普通型向方便型方式轉變，更要向集約型方式轉變，最后發展成多元化方式；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；生物液體燃料是可再生能源，不僅能緩解能源緊張和環境壓力，還能夠促進農業發展、增加農民收入、推進新農村建設，因而在我國擁有巨大的發展潛力。雖然現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，但是一旦實現商業化生產，將會給我國乃至全球帶來巨大的財富，有著良好的發展前景。沼氣干發酵產生的沼氣用于發電，供給生物液體燃料生產，干發酵過程中產生的沼液沼渣和生物液體燃料產生的殘渣可以用于堆肥。總之，這3種技術可以相輔相成共同運用于農業固體廢棄物的資源化利用中。

4 結語

農業固體廢棄物既是環境污染源，又是生物質資源庫。為了減少農業固體廢棄物對環境的污染，降低資源化成本，必須提高農業固體廢棄物資源化利用率，以促進我國農業循環經濟可持續發展，建設資源節約型、環境友好型社會。筆者建議相關政府部門應加強宣傳引導，健全和建立農業固體廢物的法規和政策體系，加大資金和人才投入；企業或科研單位應加快技術開發與創新，通過技術升級，使農業廢棄物得到更高效的利用。

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[23]趙永騰，李濤，徐軍偉，等.微藻碳水化合物生產生物燃料的研究進展[J].化工進展，2014，04：878-882，920.

（責編：張宏民）endprint

2.3.2 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[20]。Asgher等[21]開發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，在最優參數條件下，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年成功研發了第二代生物質裂解液化技術。徐俊明等[22]開發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。清華大學突破傳統的酶法工藝瓶頸，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[23]提出了更經濟、有效的糖化和發酵技術是未來藻類碳水化合物制備生物燃料的研發方向。

3 農業固體廢棄物資源化利用技術展望

利用農業固體廢棄物制取沼氣技術、綜合堆肥技術、生物液體燃料技術是其資源化和能源化領域的有效利用途徑。沼氣干發酵技術能夠保證畜禽糞便和農作物秸稈在干物質濃度較高的情況下正常發酵，產生清潔能源，符合我國廣大農村地區對優良環境、清潔能源的需要。沼氣干發酵技術是一項系統工程，在未來還需由普通型向方便型方式轉變，更要向集約型方式轉變，最后發展成多元化方式；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；生物液體燃料是可再生能源，不僅能緩解能源緊張和環境壓力，還能夠促進農業發展、增加農民收入、推進新農村建設，因而在我國擁有巨大的發展潛力。雖然現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，但是一旦實現商業化生產，將會給我國乃至全球帶來巨大的財富，有著良好的發展前景。沼氣干發酵產生的沼氣用于發電，供給生物液體燃料生產，干發酵過程中產生的沼液沼渣和生物液體燃料產生的殘渣可以用于堆肥。總之，這3種技術可以相輔相成共同運用于農業固體廢棄物的資源化利用中。

4 結語

農業固體廢棄物既是環境污染源，又是生物質資源庫。為了減少農業固體廢棄物對環境的污染，降低資源化成本，必須提高農業固體廢棄物資源化利用率，以促進我國農業循環經濟可持續發展，建設資源節約型、環境友好型社會。筆者建議相關政府部門應加強宣傳引導，健全和建立農業固體廢物的法規和政策體系，加大資金和人才投入；企業或科研單位應加快技術開發與創新，通過技術升級，使農業廢棄物得到更高效的利用。

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2.3.2 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[20]。Asgher等[21]開發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，在最優參數條件下，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年成功研發了第二代生物質裂解液化技術。徐俊明等[22]開發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。清華大學突破傳統的酶法工藝瓶頸，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[23]提出了更經濟、有效的糖化和發酵技術是未來藻類碳水化合物制備生物燃料的研發方向。

3 農業固體廢棄物資源化利用技術展望

利用農業固體廢棄物制取沼氣技術、綜合堆肥技術、生物液體燃料技術是其資源化和能源化領域的有效利用途徑。沼氣干發酵技術能夠保證畜禽糞便和農作物秸稈在干物質濃度較高的情況下正常發酵，產生清潔能源，符合我國廣大農村地區對優良環境、清潔能源的需要。沼氣干發酵技術是一項系統工程，在未來還需由普通型向方便型方式轉變，更要向集約型方式轉變，最后發展成多元化方式；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；生物液體燃料是可再生能源，不僅能緩解能源緊張和環境壓力，還能夠促進農業發展、增加農民收入、推進新農村建設，因而在我國擁有巨大的發展潛力。雖然現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，但是一旦實現商業化生產，將會給我國乃至全球帶來巨大的財富，有著良好的發展前景。沼氣干發酵產生的沼氣用于發電，供給生物液體燃料生產，干發酵過程中產生的沼液沼渣和生物液體燃料產生的殘渣可以用于堆肥。總之，這3種技術可以相輔相成共同運用于農業固體廢棄物的資源化利用中。

4 結語

農業固體廢棄物既是環境污染源，又是生物質資源庫。為了減少農業固體廢棄物對環境的污染，降低資源化成本，必須提高農業固體廢棄物資源化利用率，以促進我國農業循環經濟可持續發展，建設資源節約型、環境友好型社會。筆者建議相關政府部門應加強宣傳引導，健全和建立農業固體廢物的法規和政策體系，加大資金和人才投入；企業或科研單位應加快技術開發與創新，通過技術升級，使農業廢棄物得到更高效的利用。

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