农业固废资源化利用技术

　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

　 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。

　目录 引言………………………………………………………………

　4 目录 引言………………………………………………………………

　4 1、我国农业废弃物资源概况 …………………………………

　4

　 1.1植物类 …………………………………………………………

　4

　 1.2动物类 ………………………4

　 1.3 加工类 ………………………4

　 2、国内外农业废弃物资源化利用技术研究进展 …………5

　 2.1集储装备技术 …………………………………………………5

　 2.2微生物强化堆肥技术 ………………………………5

　 2.3 干法厌氧发酵技术 ……………………5

　 2.4 纤维素乙醇生产技术 …………………6

　 3、农业废弃物资源化利用的发展趋势 ………………8

　 3.1研究目标趋于综合性 ………………8

　 3.2 研究手段趋于多元性 ………………8

　 3.3 研发方式趋于技术升级与系统集成 ………………8

　 3.4 研发技术趋于机械化、规模化、专业化 ………………8

　 4、我国农业废弃物资源化利用的对策措施 ……………8

　 4.1 加大宣传力度 ………………………8

　 4.2 建立农业废弃物资源的监控系统 ………………8

　 4.3 提供政策和资金支持 ………………8

　 4.4 加强科学技术支撑 ………………………………8 4.5 加强产学研的战略合作 ………………………………8

　 4.6 探索发展模式 ………………………………9

　 参考 文献 ………………………………………………………………9

　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

　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 100 t 有机肥，最后每吨成品肥约含 N、P、K 45 kg。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NH 3 、H 2 S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NH 3 、H 2 S 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20~120 min，可使厌氧发酵时间从22 d降到8 d，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

　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458 g/hm 2 ·a，比 对 照770 g/hm 2 ·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，该技术迄今仍是世界范围内的难题，各国取得的突破都比较有限，由示范装置得出的成本数据多数过于

　理想 化 ，在 大 规模生产中较难复制。

　2.4.2 联 合 生 物 加 工 （CBP）工 艺传统的纤维素乙醇生

　产 工 艺 路 线 有 以下 3 种 方 式：

　分步水解和发酵 （SHF）、 同 步 糖化和发酵（SSF）、同步糖化共发酵（SSCF）。在此基础 上 ，Lynd 等提出了联合生物加工工艺（CBP）

　方 案 ， 并 论 证了其可行性。CBP 不包括纤维素酶的生产和分离过程， 而是把糖化和发酵结合到由微生物介导的一 个 反 应 体 系 中，因此，与其他工艺过程相比较，底物和原料的消耗相对

　较低，一体化程度较高。该方案将产酶过程与糖化、发酵

　集合在一个反应器内同步进行，大大降低了酶成本。从长

　期来看，CBP 工艺无疑是比较完美的工艺，但 是 太 多 的 不

　成熟注定在短期内不可能工业化应用 。

　清华大 学 核 研 究

　院新能源研究所副所长李 十中认为 ， 目前纤 维 素 乙 醇 的

　生产工艺较为复杂，使得降低成本的空间有限。纤维素乙

　醇的商业化，很可能需要通过生产工艺的变革来实现。如

　李十中等在 “生物质高效降解专用微生物筛 选 与 构 建 技

　术研究”中，通过优化微波消解预处理技术、复合酶系协同

　水解技术、还原糖在线分离技术、膜生物反应器技术和五、

　六碳糖共发酵技术等，消除纤维素分解产物的 反馈抑 制 ，

　提高纤维素酶的分解转化效率 ，进 而集成化纤维素分 解 、

　还原糖分离及共发酵 组合反应器技术 。

　现已选 育 和 构 建

　10 种以上高产模式产物乙醇、L-乳酸的微生物菌种，使各项 产 物 收 率 、戊 糖 转 化 率 、产 物 浓 度 、生 物 合 成 反 应 速 度

　等关键技术指标均比传统工艺提高 10%以上，戊糖发 酵

　乙醇收率达到 80%，L-乳酸的光学纯度大于 99%。

　2.4.3

　微藻制取生物质燃料 技 术在众多的非粮生物质 中，藻类具有分布广泛、油脂含量高、环境适应能力强、生 长周期短、产量高等特点，用藻类 制备生物燃料的研 究 开发方兴未艾。美国能源部已进行了 20 多年的研究，取得了

　很大进展。众多

　的科研机构、生物燃料公司、投资公司在该领域 投入 大 量资金。

　Shell、Chevron 等大型石油公司也正在与 有 关机构

　或公司进行合作研究。

　目前，我国微藻制备生物燃料技术

　正处于从实验室到工业化应用的过渡阶段 ，清 华大学 、海

　洋研究机构、中石化抚顺研究院都 在开展研究工作 ，并 取得了一定进展。中国科 学院与中国石化合作开 发 微 藻 生

　物燃料技术，正在进行小试研究，2015 年前后实现户外中试装置研发，远期将建设万吨级工业示范装置。尽管藻类生物燃料的研究取得了很大进展 ， 但要成 为 可 行 的替代能源，目前还存在一些有待解决的问题 ：一是 高效 固 定

　二氧化碳的藻种筛选和培养，目前 适宜的藻 种 是蓝藻和

　绿藻，特别是绿藻中的小球藻；二是微藻固定二 氧化 碳 机理探索，重点是了解无机碳的利用 形式 、二氧化碳浓 缩 机

　理以及高浓度二氧化碳对微藻生长的影响 ； 三 是 微 藻 的

　培养条件，重点探索营养、光照、温度、pH

　值和通气条件等

　的优化，降低微藻生产成本；四是研究微藻生产乙醇、生物

　柴油、航煤、燃料油或制氢等工艺。

　 3

　 农业废弃物资源化利用的发展趋势

　在市场经济和产业化经营的今天，以高值化产品开发为目标，对农业废弃物资源综合利用是其发展趋势之 一 。

　利用农业废弃物开发新型的生物材料 、 生化产品及替代石化产品和紧缺资源 替代物的研究日益受到重视 ， 极大地拓展了 农业废弃物的资源化领域 。

　主要表现在以下几个方面：

　3.1研究目标趋于综合性

　 在有效提高农业废弃物资源化利用率的同时，日趋关 注对解决“三农”问题的实质性贡献以及对区域 生 态 环 境可持续性的影响。

　3.2 研究手段趋于多元性

　 从着重对自然科学技术的研究，逐步转为自然科学技术研究与自然科学和社会科学研究的有机 结合 。

　按“整体、协调、循环、再生”和系 统工程原理优化组装成农业废弃物系统生态工程模式，将是农村尤其是山区农业废弃物资源化的主要途径。

　3.3 研发方式趋于技术升级与系统集成

　 开发单类技术已难以满足农业废弃物资源化综合利

　用目标，利用高新技术对传统技术与产品进行升级改造以及技术系统集成的重要性日趋凸显 。

　3.4 研发技术趋于机械化、规模化、专业化

　 环境工程技术针对大中型养殖场畜禽粪便和农业秸

　秆处理中堆肥和沼气等技术与设备的升级，将有助于废弃

　物处理和资源化向机械化、规模、专业化方向发展。

　 4

　 我国农业废弃物资源化利用的对策措施

　我国应结 合农业特色，加强对农业废弃物资源开发利用技术的研发支持力度，构建适合我国国情的农业废弃物资源化利用技术体系。

　制定相应的激励政策，通过产业化基地建设和扶 持培育高科技型产业化企业，促进农业废弃物资源 化利用技术与产品的产业化发展。

　4.1 加大宣传力度

　 广泛宣传发展

　农业废弃物资源化利用产业的重要意义，宣传典型事例和成功经验，提高社会各阶层人士对农业废弃物资源化开发利用的认识，形成全社会关心、支持农业废弃物 资 源 化 开发利用的良好社会氛围。

　4.2 建立农业废弃物资源的监控系统

　 这个系统将对我国农业废弃物资源及相关的大量信

　息进行实时采集、传输及管理，并对其进行实时监测、优化

　配置和科学调度。实现农业废弃物资源实时监测，掌握农业废弃物资源时变化情况和需求信息。

　4.3 提供政策和资金支持

　 政府要对农业废弃物资源利用技术研发经费给予保 障，加大资金投入，提供良好的政策环境，制订激励、税收、

　补助、低息贷款等一系列优惠政策。

　4.4 加强科学技术支撑

　 当代知识经济的主要技术载体是 以 信 息 技术和生物技术为主导的高新技术，那么农业废 弃物资 源 化 利 用 技术载体就是环境无害化技术或环境友好技术 。

　4.5 加强产学研的战略合作

　 建设以企业为主体，以高校和科研院所技术力量为依托，以市场为导向， 以资本为纽带，以现代企业制度为规范的技术创新平台。探索建立风险投资机制，不断提高技术进步对农业废弃物资源化利用的贡献率。

　4.6 探索发展模式

　 农业废弃物资源利用是一项产业化程度较高的系统 工程 ，涉及政 府 、加工 企 业 、 科 研 单位 、 农户等 诸多部门 。

　建议有关部门应从环境保护和解决 “三农”问题的高度出 发，切实制定相应的扶持政策和措施，将产品加工、基地建

　设和生态工程、结构调整、农民增收等结合起来，做好农业 废弃物资源化利用的规划和基地建设，探索发展模式。

　参考 文献 ：

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