农业废弃物资源化利用技术

农业废弃物资源化利用技术荣湘民湖南农业大学资源环境学院2014.6内容一、农业废弃物的概念、特点及种类二、农业废弃物资源化利用途径三、堆肥技术一、农业废弃物的概念、特点及种类1、概念农业废弃物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生产的植物残余类废弃物、畜牧渔业生产过程中生产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。而通常我们所说的农业废弃物主要是指农业作物秸秆和畜禽粪便。2、特点1）在元素组成上，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等多种元素。2）从化学组成上通常又可分为2大类，一类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、天然橡胶、果胶和木质素等；另一类是天然小分子化合物，如生物碱、氨基酸、单糖、抗生素、脂肪、脂肪酿、激素、黄酮素、酮类、甾体化合物、萜烯类和各种碳氢化合物。3）在物理技术性质上，普遍具有表面密度小、韧性大、抗拉、抗弯、抗冲击能力强的特点。3、种类1）第1性生产废弃物，主要是指农田和果园残留物，如作物的秸秆或果树的枝条、杂草、落叶、果实外壳等。2）第2性生产废弃物，主要是指畜禽粪便和栏圈垫物等。3）第3性生产废弃物，主要指农副产品加工后的剩余物。4）第4性生产废弃物，主要指农村居民生活废弃物,包括人粪尿及生活垃圾。1、获取能量1.1农业废弃物制沼气。据研究表明，农作物秸秆、蔬菜瓜果的废弃物和畜禽粪便都是制沼气最好的原料。据测算，每千克秸秆可制气2.2m3，每吨秸秆可替代0.7t煤炭。1.2农业废弃物气化。利用生物质热能气化原理，由气化反应器将可燃烧物质经过干燥热解气化和还原等过程，变成可燃气体，最终输送到各个用户。二、农业废弃物资源化利用途径1.3农业废弃物液化。将能量密度较低的废弃物转化成密度高、品位高的液体燃料是合理利用生物质能的有效途径，也是21世纪最有发展潜力的技术之一。由生物质制成的液体燃料叫生物燃料。生物燃料主要包括生物酒精、生物甲醇、生物柴油和生物油。1.4农业废弃物固化。将秸秆、稻壳、锯末、木屑等有机废弃物，用机械加压、加热等原理，将原来松散、无定型、低发热量的生物质原料压制成具有一定形状、密度较高(1.1～1.4t/m3)的固体成型燃料,其功效相当于中质煤,但没有煤所固有的含硫量大、灰分高、污染环境等缺点。1.5直接作燃料2、制作堆肥2.1堆肥2.2液体肥料。农业废弃物(废渣、杂草、废菜叶、瓜果皮等)做成堆肥后，其液体汁液经安全处理后可制成液体肥料。2.3有机生物肥2.4有机无机复合肥3、生产饲料3.1氨化饲料。利用碱尿素等含氨物质经过与秸秆混合发生变化，使秸秆中的纤维素、木质素细胞壁膨胀疏松，便于牲畜消化吸收。3.2青储饲料。能有效保持作物茎杆的青绿状态，提高适口性。3.3生化蛋白饲料。利用微生物培养基、酵母真菌、氨基酸、酶制剂等生物和矿物质使作物饲料转化成蛋白饲料，比普通饲料营养价值更高。如秸秆通过制作剂的作用，转化为富含低分子碳水化合物、游离氨基酸、大量菌体蛋白和部分维生素的高效生化蛋白饲料。3.4醣化饲料。人工造就近似于牛前胃的生理环境，通过有益微生物发酵使秸秆的纤维素、半纤维素、木质素等成分转化为糖类,增加粗蛋白7%～13%、18种氨基酸4%～8%及各种维生素，从而使低能的废弃物转化为高能的廉价的“细菌饲料”。3.5碱化饲料。在一定浓度的碱液的作用下，打破秸秆粗纤维中纤维素、半纤维素、木质素之间的醚键或酯键,并溶去大部分木质素和矽酸盐，撕断维生素与木质素的复合物,从而提高粗饲料的营养价值，使不消化的木质素变为易消化的羟基木质素，利于动物吸收。4、生产工业及医药原料4.1有机产品。生产木糖、木糖醇、淀粉，制乙醇、糠醛，提取烟碱及中药原料。4.2轻型建材。可制作编织物和装饰品及其他。如麦秸可编成凉席凉帽；高粱秆可制成门帘和窗帘。4.3可降解的包装材料。用农作物秸秆制作的方便碗和方便盒有易分解、易腐烂的优点，不仅减少了白色污染，还减少了木料的消耗，利于保护环境。4.4食品防腐剂和空气清新剂。如竹叶可制防腐剂，有些水果残渣可制成空气清新剂。4.5培养基。如橡胶废水可作培养基，作物废弃物可作实用菌培养基。4.6药物。如芹菜和黄瓜根可制成中药，薯秧根可作饲料、制糖稀或酿酒。4.7生产食用菌。4.8制作生物滤床滤料。国内可制作滤料的废弃物有果菜、酒糟、锯木屑、蔗渣、稻谷、玉米穗、米糠、豆粕、杂草等。三、堆肥技术1、堆肥的概念堆肥，是指在人工控制下，在一定的水分、C/N比和通风条件下通过微生物的发酵作用，将废弃有机物转变为肥料的过程。通过堆肥化过程，有机物由不稳定状态转变为稳定的腐殖质物质，其堆肥产品不含病原菌，不含杂草种子，而且无臭无蝇，可以安全处理和保存，是一种良好的土壤改良剂和有机肥料。前处理第一阶段高速阶段第二阶段后熟阶段后处理调理剂产品循环基质堆肥产品膨胀剂膨胀剂回流2、一般堆肥流程图3.1升温阶段一般指堆肥过程的初期，在该阶段，堆体温度逐步从环境温度上升到45度左右，主导微生物以嗜温性微生物为主，包括真菌、细菌和放线菌，分解底物以糖类和淀粉类为主，期间能发现真菌的子实体，也有动物及原生动物参与分解。3、堆肥阶段堆温升至45度以上即进入高温阶段，在这一阶段，嗜温微生物受到抑制甚至死亡，而嗜热微生物则上升为主导微生物。堆肥中残留的和新形成的可溶性有机物质继续被氧化分解，复杂的有机物如半纤维素-纤维素和蛋白质也开始被强烈分解。微生物的活动也是交替出现的，通常在50度左右时最活跃的是嗜热性真菌和放线菌，温度上升到60度时真菌几乎完全停止活动，仅有嗜热性细菌和放线菌活动，温度升到70度时大多数嗜热性微生物已不再适应，并大批进入死亡和休眠阶段。现代化堆肥生产的最佳温度一般为55度，这是因为大多数微生物在该范围内最活跃，最易分解有机物，其中的病原菌和寄生虫大多数可被杀死。3.2高温阶段高温阶段必然造成微生物的死亡和活动减少，自然进入低温阶段。在这一阶段，嗜温性微生物又开始占据优势，对残余较难分解的有机物作进一步的分解，但微生物活性普遍下降，堆体发热量减少，温度开始下降，有机物趋于稳定化，需氧量大大减少，堆肥进入腐熟或后熟阶段。3.3降温阶段堆肥实际时间方法范围典型后熟时间传统沤肥6个月到2年1年条垛式-翻堆1-4个月2个月1-2个月静态通气堆3-5周4周1-2个月转鼓发酵3-8天2个月筒仓发酵1-2周2个月4、典型堆肥时间5、堆肥工艺分类按堆制过程中是否需氧而分为好氧堆肥和厌氧堆肥；按原料发酵所处状态可分为发酵仓式堆肥和无发酵仓式堆肥。好氧堆肥法是在通风条件下，有游离氧存在时进行的分解发酵过程。好氧堆肥温度高，一般在55℃以上，可维持5～l1d，极限可达80℃以上，也称高温堆肥法。由于好氧堆肥法具有堆肥周期短、无害化程度高、卫生条件好、易于机械化操作等优点，在有关污泥、城市垃圾、畜禽粪便和农业秸秆等堆肥中被广泛采用。无发酵仓式堆肥系统物料通常堆制成条垛式，依据堆料供氧方式，无发酵仓式堆肥系统又可分为搅拌（翻堆）式堆肥床和固定堆式堆肥床两种堆肥方式。搅拌式堆肥的主要特点是采用定期翻堆，使物料均匀，并提供充足氧气，有时还考虑强制通气（常采用抽气方式进行）。翻堆作业通常采用翻堆机械进行。固定堆式堆肥基本不进行翻堆，其供氧方式主要有两种：一是采用自然通气方式进行堆肥；二是采用强制通风供氧方式进行堆肥，也称固定堆强制通风堆肥法。自然通风堆肥腐熟时间通常较长，而固定堆强制通风堆肥法则比较快，在3～5周内能使肥堆完全腐熟。无发酵仓式堆肥系统的特点是基建投资少；工艺简单；操作简便易行；处理容量大。缺点是由于是敞开式堆肥，在冬季低温条件下，肥堆不易升温和保温；通常占地较大；堆肥时间比发酵仓式堆肥要长。发酵仓式堆肥系统堆肥在发酵装置内进行。发酵仓系统可分为立式发酵塔和卧式或槽式发酵装置等两类。立式堆肥发酵塔通常由5～8层组成，堆肥物料由塔顶进入塔内，在塔内堆肥物通过不同形式的机械运动，由塔顶一层层地向塔底移动。一般经过5～8d的好氧发酵，堆肥物即由塔顶移动至塔底而完成一次发酵。立式堆肥发酵塔通常为密闭结构，塔内温度分布从上层到下层逐渐升高，塔式装置的供氧通常以风机强制通风。筒仓式堆肥发酵仓为单层圆筒状，发酵仓深度一般为4～5m，大多采用钢筋混凝土构成。发酵仓内供氧均采用高压离心风机强制供气，以维持仓内堆肥好氧发酵。空气从仓底进入发酵仓，堆肥原料由仓顶加入，经过6～12d的好氧发酵，初步腐熟的堆肥从仓底通过出料机出料。卧式堆肥发酵滚筒（达诺式Danot），该发酵滚筒在水平方向上呈倾斜放置，直径为2.5～4.5m，长20～40m，强制供气。在该装置中废弃物靠与筒体内表面的摩擦沿旋转方向提升（转速为0.1～3r·min-1），同时借助自身重量落下。通过如此反复升落，废物被均匀地翻倒与供入的空气接触，并通过微生物的作用进行发酵。经1～5d发酵后排出，条垛放置熟化。槽式发酵装置发酵仓式堆肥系统不受气候影响，能有效控制二次污染，发酵时间快，占地面积少。缺点是基建投资大，运行成本较高。箱式堆肥6、堆肥底物及其特点原料水分C/N容重碳含量高的物料干草8-1015-30-玉米秸秆1260-7032秸秆5-2040-15050-400树叶-30-80100-300锯末20-60200-700350-450木片-100-500-氮含量高的物料牛粪805-251400禽粪20-405-151500猪粪65-8010-20-污泥-9-25-原料特点牛粪氮丰富，很湿，一般需要大量干的含碳高的物料调节，一份牛粪用2-3份调节物，堆肥臭味小，分解快，总体上是很好的堆料。禽粪氮含量很高，水分适中，需要高碳调节，有潜在氨气产生，高pH值，分解快，属于好的堆料。马粪一般含大量垫料，C/N比高，干燥，臭味少，分解快，很好的堆料。猪粪氮丰富，很湿，需干的高碳物料调节，臭味潜力大，较好的堆料。食品加工废料一般水分适中，C/N比中到低，可能有臭味。屠宰废料较湿，低C/N比，好分解，臭味风险高，需要调节。鱼加工废料水分中到很湿，氮含量高，臭味大主要底物特点7、堆肥条件控制7.1C/N比堆肥理想的C/N是30：1左右。低于这个值，氮将过量且以氨气的形式释放，有机养分损失大，并散发难闻的气味；而高于这个值，意味着适合微生物种群繁殖的氮供应不足，有机物降解速度缓慢。堆肥过程其实就是一个有机物稳定化的过程，随着堆肥进程，C/N逐渐从30：1降到10-15：1。这是因为微生物消耗有机物，使2/3的碳以CO2的形式释放出来，剩余1/3的碳和氮一起合成生物细胞，细胞死亡后，这些碳和氮释放出来供进一步使用。7.2氧气堆肥过程中，微生物利用碳源，消耗氧气，产生二氧化碳。如果没有充足的氧气，堆肥过程将会变成厌氧发酵，产生难闻的气味，包括H2S气体的臭鸡蛋气味。那么，对于好氧堆肥，氧气供应量应该是多少才算是充足呢？尽管空气中氧气含量占到21%，但是好氧微生物在氧气浓度为5%时就可以存活。氧气浓度高于10%被认为是好氧堆肥的最适条件。堆肥过程中的进气和排气在物质平衡中起决定性作用。在某些情况下，堆肥所需空气的重量是基质干重的30～50倍。因此应该牢记基质处理既包括固体，也包括气体部分。7.3pH值堆肥微生物的最适pH在5.5到8.5之间。如果堆肥体系变成厌氧条件，有机酸的累积可以使pH值降低到4.5，这将严重限制微生物的活动。在这种情况下，通风足以使堆肥pH值调节到可接受的范围。同样，在pH10.5的条件下，大多数细菌不适应，高于11.5时开始死亡。7.4水分水分对于所有活的生物体而言是必须的，并且大多数微生物由于缺乏保持水分的机制，所以对水分极为敏感。当含水量在35-40%之间时，降解速率就会极大地降低，在30%以下时，降解过程就完全停止。然而过多的水分则会导致厌氧状态发生，并且会因此产生臭气。不同的物质有不同的水分上限，并由这些物质的粒径和结构特性所决定。对于大多数堆肥混合物，推荐的含水量上限为55-60%。7.