农业废弃物的资源化利用

东北农业大学农学硕士学位论文1前言1.1研究背景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[1,2]。而日常所说的农业废弃物主要是指狭义农业废物即农作物秸秆和畜禽粪便。本课题所说种植类及其加工废弃物指其中农业生产及加工过程中产生的废弃物。中国是世界上农业废弃物产出量最大的国家，每年大约产出40多亿吨。随着农业经济的不断发展，农作物的产量随之提高，同时畜禽养殖数量也逐渐增加，使得农业废弃物种类和总量逐渐上升。然而近几年农村劳动力的缺失和劳动成本的增加，对用于农业废弃物的利用率越来越低，导致农业废弃物随意遗弃现象严重。1.1.1我国农业废弃物特点我国农业废弃物主要由4个部分构成：养殖业废弃物，种植业废弃物，农村生活垃圾和农业加工废弃物[3]。1.1.1.1养殖业废弃物养殖业废弃物包括畜禽粪便和栏圈垫物等。其资源来自于牧、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。畜禽粪便年产出量约为26.1亿吨，其中牛粪12.7亿吨，猪粪4.7亿吨，羊粪5.4亿吨，家禽类3.3亿吨，乡镇生活垃圾和人类粪便2.5亿吨。畜禽粪便资源量最丰富的6个省份的排序为河南、山东、河北、四川、湖南、云南[4]。随着畜禽养殖业的快速发展，粪便的生产量还会增加，预计到2020年，我国畜禽粪便量将达到40亿吨[5]。1.1.1.2种植业废弃物表1-12009年农作物秸秆资源量Tab.1-1cropstrawresourcesof2009秸秆种类可收集资源量（亿吨）占理论资源量百分比(%)稻草2.0525%麦秸1.5018.3%玉米秸2.6532.3%棉秆0.25843.2%油料作物秸秆0.37374.6%豆类秸秆0.27263.3%薯类秸秆0.22432.7%可收集总量6.8783.8%东北农业大学农学硕士学位论文种植业废弃物包括农田、食用菌种植及果园残留物如作物的秸秆、蔬菜的残体或果树的枝条、落叶、果实外壳等。农作物秸秆7.0亿吨，其中稻草2.3亿吨，玉米秸秆2.2亿吨，豆类和杂粮作物秸秆1亿吨，花生、薯类藤蔓和甜菜叶等蔬菜残体1.8亿吨。2009年我国农作物秸秆理论资源量为8.2亿吨，而可收集资源量约为6.87亿吨，具体分类见下表1[6]。调查结果显示，我国的秸秆为利用资源量非常丰富，具有巨大的资源利用潜力[7]。1.1.1.3农村生活垃圾农村生活垃圾包括农村居民生活废弃物如人粪尿和生活垃圾等。乡镇生活垃圾和人类粪便约为2.5亿吨。而这些废弃物虽然相比其他量不是很大，但是不能得到及时处理，也会对环境造成污染同时浪费资源。1.1.1.4农业加工业废弃物农业加工工业废弃物包括农副产品加工后的剩余物例如稻壳、麦麸、玉米芯、锯末、秸秆、树皮、果壳、蔗渣、菇渣、酒糟渣、中药渣等，主要来源于动植物。其中肉类加工和农作物加工废弃物1.5亿吨，林业废弃物0.5亿吨；其他类有机废弃物约有0.5亿吨。农产品在初加工过程中产生的废弃物主要包括甘蔗渣、玉米芯、稻壳、花生壳等，这些废弃物的年产量现已超过1亿t。随着粮食产量的增长，这些废弃物也会增加，预计到2020年将达到2亿t。2006-2010年我国木材采伐剩余物和加工剩余物量为8056万吨，折合4592万吨标准煤，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4813万吨，折合标准煤2743万吨，实物量共计为12869万吨，可折合7335万t标准煤[8]。1.1.2农业废弃物资源化利用意义由于农业生产的迅速发展和人口不断增加，这些废弃物以年5%~10%的速度递增。预计到2020年我国农业废弃物产生量将超过50亿吨，其中秸秆将达到9.5亿吨~11亿吨，畜禽粪便将达到41亿吨[1]。如果把这些农业废弃物随意丢弃或者排放到环境中，不能被作为资源利用，将会造成严重的空气污染、水污染、固体废弃物污染，将对人们的身体健康带来很大危害，值得重视。同时，农业废弃物具有数量巨大，具有可再生、再生周期短、生物降解、环境友好等优点，是重要的生物质资源。1.1.2.1消除日益严重的环境污染目前，我国是世界上农业废弃物产出量最大的国家，每年大约有40多亿t，其中农作物秸秆7.0亿t，畜禽粪便排放量26.1亿t，废弃农膜等塑料2.5万t，乡镇生活垃圾和人粪便2.5亿t，蔬菜废弃物1~1.5亿t，肉类加工厂废弃物0.5~0.65亿t，饼粕类0.25亿t，林业废弃物每年约达3700万m3，相当于1000万t标准煤[9]。随着市场经济的快速发展，种植业逐渐转向集中、高效、清洁的方式，传统的个体堆肥技术已经不能适应现代农业的发展需要。从而农业废弃物在原有堆肥的利用上又面临着新的问题和挑战。农业废弃物的污染主要表现为：(1)秸秆焚烧和臭气引起的空气污染[10]；(2)重金属、农药和兽药残留引起的土壤污染；(3)农业“白色污染”；(4)粪便等造成的水源污染[11]；(5)农业废弃物引起细菌和病毒的传播。上述污染均是伴随着农业生产过程产生的。合理利用农业废弃物资源可以有效地降低或者消除以上存在的环境污染问题。因此，在大力发展农业的基础上，合理利用农业废弃物资源是非常必要的[12]。东北农业大学农学硕士学位论文1.1.2.2改善耕地土壤质量随着农业生产日益集约化，生产资料投入的增加，农业生产有了飞跃的发展，传统的有机肥料面临被抛弃的境地。根据全国化肥试验网肥料长期定位试验和国家土壤肥力与肥料效益监测资料显示，近年来，我国耕地土壤有机质含量有下降趋势，土壤缓冲能力减弱，抗灾能力衰退，化肥利用率低，土壤肥力降低。实现农业废弃物的肥料化利用,生产有机肥料可以补充土壤养分，提高土壤中营养元素的有效性,并有助于改善土壤质地。1.1.2.3解决农村能源短缺问题我国的人均生活用电很低不到韩国的五分之一，而人口占全国总人口的70%以上的农村电力供应缺口更大。因此生物质能一直是农村的主要能源之一，农村生活用能源仍有57%依靠薪柴和秸秆。薪柴消费量超过合理采伐量的15%，导致大面积森林植被破坏，水土流失加剧和生态环境失衡。如果用当前农林废弃物产量的50%作为电站燃料，可发电4000亿kW·h，占目前我国总耗电量的30％左右。要实现我国经济的快速发展目标，因地制宜地利用当地生物质能资源，秸秆、薪柴、谷壳和木屑等，建立分散、独立的离网或并网电站拥有广阔的市场前景。“九五”以来的全国生态农业和生态家园建设的实践已经证明，有效利用农林废弃物和乡镇生活废弃物，发展农村沼气等能源工程和生态农业模式，可有效地促进生态良性循环，减轻对森林资源的破坏，减少土壤侵蚀和水土流失，保护生物多样性。1.2研究目的及意义本文拟将从循环经济的视角对黑龙江农垦农业废弃物中种植类及加工废弃物的资源化利用问题进行研究，在对现有的废弃物资源化利用方式进行概述的基础上，紧密结合黑龙江农垦的实际情况，初步提出种植业废弃物综合利用模型及其效益评价指标，为最大程度上实现农垦农业种植类废弃物的资源化提供理论指导和相关建议并做出进一步探讨，希望达到以下目的：（1）深入调查黑龙江农垦现有的农业种植类废弃物的种类、数量及其处理方式、资源化程度以及相关政策，分析现有方式的优缺点，找出最佳改进方式的切入点；（2）建立黑龙江农垦农业种植类废弃物的综合利用模型，旨在最大程度的实现农业废弃物的资源化；（3）完善农业种植类废弃物综合利用效益评价体系，为不同的废弃物利用方式进行效益评价；（4）通过该研究强调农垦农业种植类废弃物的资源化利用，最大限度的让农民分享到农业循环经济发展所带来的好处。通过对黑龙江农垦种植类农业废弃物资源化利用的分析优化及效益评价，在环境方面能够找出最佳的资源化利用方式及利用分配以达到最大程度的利用。综合利用效益评价可从经济方面得出最佳的农业循环发展的模式，在达到环保性和可持续发展的基础上，给农民带来最大的经济效益。东北农业大学农学硕士学位论文1.3国外研究现状及分析国外对种植类农业废弃物的开发利用较早，也比较完善。主要以下几个方面[13]：1.3.1农业废弃物处理废水传统的废水处理方法是利用粒状活性炭以及从原油中发分离的聚合物转移废水中的有毒金属等物质。而Purdue大学的研究院将农副产品加工废弃物用于处理工业和生活污水，且效果不错。吸附是一种用于去除替代或从水溶液中回收金属离子的新兴技术。生物吸附比传统方法有一定的优势，包括：低成本、高效率、最小的化学或生物污泥、生物吸附剂的再生和金属回收的可能性。D.Sud等研究表明纤维素类农业废弃物是具有显著金属吸附作用的丰富来源，生物质废弃物中的官能团对重金属离子有很强的亲和力，从而形成金属络合物或螯合物[14]。而这些官能团主要包括：乙酰氨基，酒精，羰基，酚基，酰胺基，氨基，巯基等。吸附过程的机理包括化学附着、络合作用、表面吸附、气孔扩散和离子交换等。D.K.Mohamad等也利用吸附作用吸附去除阳离子和阴离子燃料，同时也得出农业废弃物吸附燃料的吸附能力有所不锁，受溶液的PH值、燃料初始浓度、吸附剂用量和处理温度影响[15]。B.H.Hameed等对用蒜皮从水溶液出去亚甲蓝（MB）的吸附能力进行了评价，利用伪一阶和伪二阶动力学模型对数据进行分析，结果表明蒜皮可以作为一种燃料吸附剂用于替代更为昂贵的吸附剂[16]。另外，U.K.Garg和Z.Aksu等分别用甘蔗渣、玉米秸秆和甜菜渣从水溶液中吸附去除其中的六价Cr(Ⅵ)和Cu(Ⅱ)离子[17,18]。1.3.2农业废弃物清洁油污A.Srinivasan和T.Viraraghavan评估了四种类型的生物质材料去除水中油的效率，在研究中使用的是标准的矿物油、植物油和切削油。利用材料为伴随着壳聚糖和核桃介质的鲁氏毛霉和蓝色犁头霉两种真菌生物。发现无活性的鲁氏毛霉从水中去油效果比蓝色犁头霉更有效，且鲁氏毛霉的去油效率在77-93%之内，PH为5.0。标准矿物油、植物油和切削油的吸附容量分别为77.2、92.5和84毫克/克[19,20]。S.Ibrahim和S.wang利用大麦秸秆由阳离子表面活性剂作为吸附剂以从水溶液中去除乳化菜籽油。同时利用N2吸附、FT-IR、SEM、表面酸性和吸附剂解析分析了改进后的大麦秸秆表面活性剂的组织和结构特性。从吸附温度、溶液的PH值、装载吸附剂和粒度四个因素分析了对油的吸附性能。动力学研究表明平衡时间较短，等温线研究表明油的吸附与Langmuir模型拟合很好。从Langmuir吸附等温线测定的吸附容量为576.0±0.3mg/g（25℃）[21]。1.3.3农业废弃物作为能源1.3.3.1制备甲烷P.Weiland从沼气的生产和环境影响方面从出发，分析了现阶段生产沼气（甲烷）的主要生产方式。发现生物残渣和废物的厌氧消解既能生产沼气同时还能得到一种可用性更高和更好的氮肥。最后综述了沼气生产中生化参数和原料影响微生物转化和天然气产量的效率和东北农业大学农学硕士学位论文可靠性[22]。城市固体废弃物和木质纤维素生物质如农作物秸秆和能源作物的有机部分都可通过SS-AD进行处理。Y.Li和S.Y.Park等分析了固态厌氧消化（SS-AD）的优缺点和主要技术参数。对不同原料的沼气生产产量的变化进行了讨论，同时需要对木质纤维素生物质需要预处理以提高沼气产量。并对主要操作参数如：C/N比、固含量、温度、接种对SS-AD性能的影响进行了总结。提高工作温度可以提高沼气产量和生产料率。并对用于当前商业规模的SS-AD系统的不同反应装置和经济对系统选择的影响都进行了讨论[23]。而S.Karellas等提出厌氧消化是目前农业废物利用防止污染和高效能源生产的非常有前途的解决方案。但由于这项技术存在一定的不足，文章的目的是介绍一种基于农业原料的沼气厂项目经济评价的投资决策工具包[24]。R.Chandra等通过从木质纤维素主要农作物废弃生物质（玉米，小麦，水稻和甘蔗）的生物途径提出关于可再生甲烷燃料生产的工艺并进行了全面的探讨。同时对生物甲烷化过程中的最