国内外农业废弃物资源化利用技术研究进展
泮泽优
郑州大学化学与分子工程学院，环境科学研究院，郑州市，450000
摘要：农业生产水平和农民生活水平的提高, 对原本为燃料和肥料的农业废弃物的利用越来越少, 农业废弃物数量越来越多, 种类越来越多样。大量农业废弃物累积, 对环境构成了极大的污染并威胁着农业可持续发展和人类的健康, 因此如何充分有效地利用将其加工转化对合理利用农业生产和生活资源、减少环境污染、改善农村生态环境、应对日益严峻的能源危机成为了当前世界大多数国家面临的问题, 本文综述了近年来国内外综合多样新型利用农业废弃物的应用进展情况, 对其资源化利用介绍了4种技术: 集储装备技术、综合堆肥技术、生物液体燃料生产技术以及干法厌氧发酵技术, 并进行分析究竟采用何种利用方式, 应根据具体条件因地适宜的综合选择, 使技术上向机械化、无害化、资源化、高效化、综合化发展, 产品上向廉价化、商品化、高质化、多样化和多功能化靠拢。物尽其用、变废为宝、高效利用废弃物达到消除污染、改善农村生态环境、促进农业可持续发展的目标。
关键词：农业废弃物；集储装备；综合堆肥; 干法厌氧发酵
农业废弃物资源化利用技术是世界各国普遍需要解决的重大课题。特别是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
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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。本文主要从集储装备技术、综合堆肥技术、生物液体燃料生产技术以及干法厌氧发酵技术等方面介绍国内外农业废弃物资源化利用的研究进展。
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： 一是农业废弃物收集技术与农业产业体系适应性强。如欧美等发达国家现代农业体系健全，规模化种植占主要份额，一般单季种植，农业生产实现了机械化，从土地耕整，到作物的播种，一直到田间的管理等，标准化作业为农业废弃物收集技术和设备奠定了良好的作业基础。二是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。如瑞典、丹麦、法国等，在秸秆发电工程中，从运输要求、燃料供给、燃烧炉设计运行等，充分考虑了秸秆原料设备的标准化问题，实现了二者的相互衔接。三是农业废弃物收集技术与经济社会发展相互促进。如规模化饲养、工业化发电等秸秆主要需求商，根据自身生产正常要求，与农场主签订秸秆供应协议，农场主在收获季节将秸秆原料集中收集、堆放储存，按照协议有条不紊送至消纳厂。四是农业废弃物收集技术与农业装备配套性好。国外主要以拖拉机配套的作业机具为主，除了与农艺要求相配套外，更主要的是考虑到秸秆收割前所用机具标准和秸秆收集后装载、运输、储藏设备标准，与农业装备形成完整专业化配套体系。五是农业废弃物收集设备本身与信息化、自动化技术结合紧密。如国外农业废弃物收集设备广采用电液控制技术、电子信息技术，自动调节技术、自动监视技术与智能控制技术， 有利于提高作业的高效性、作业性能的稳定性以及作业质量的可靠性[1]。
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我国农业废弃物集储装备技术的研发已经取得了一些成就，研制开发了一系列秸秆还田、秸秆打捆、秸秆固化成型、秸秆气化、秸秆制板、秸秆发电等技术装备，但与发达国家相比， 我国农业废弃物收集储运体系还很不健全，尚处于起步阶段，标准不统一，且农业废弃物收集机械化整体水平还比较落后，关键技术环节和装备不完善，已经成为严重制约农作物废弃物规模化、商品化、产业化利用的主要瓶颈。如我国陆续研发了小圆捆打捆机、正牵引小方捆打捆机、侧牵引小方捆打捆机以及二次压缩机等产品，但高密度大方捆和大圆捆打捆机目前国内还是空白[2]。
2 综合堆肥技术
世界各国对农业固体废弃物的堆肥处理技术研究主要包括：堆肥工艺中的因素、不同废弃物的综合堆肥技术等。传统的堆肥是在粪便处理过程中添加稻草、树叶等容易分解的材料作为调理剂或膨胀剂，然后用于农作物。然而，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。如蚯蚓堆肥的对象[3]有城市生活垃圾、畜禽粪便、农作物秸秆及废渣、有机污泥等，蚯蚓堆肥处理技术是以上述有机废弃物为底物，经蚯蚓消化系统和微生物共同作用将有机物分解。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。普通堆肥与蚯蚓堆肥相结合，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[4]。实践证明，综合堆肥处理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，从而实现废弃物的减量化、无害化及资源化，是处理农业固体废弃物切实可行的途径。
3 生物液体燃料生产技术
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化石能源是不可再生能源，人类需要找到可替化石能源的可再生能源。生物液体燃料以麦秆、稻草和木屑等农林废弃物或藻类、纸浆废液为主要原料，使用纤维素酶或其他发酵手段将其转化为生物乙醇或生物柴油的模式，它是可以直接替代石油产品的可再生能源，具有可持续发展潜力，因而受到世界各国的青睐。
生物液体燃料技术发展现状
美国在2007年提出，通过发展生物液体燃料和提高能效等方式使2017年的汽油消费量降低20%，生物液体燃料的使用量达亿t左右；巴西计划扩大燃料乙醇项目，到2015年生产燃料乙醇达3000万t；欧盟于2008年提出，2020年可再生燃料满足欧盟地区10%的道路交通燃料需求；从2020 年起，日本将开始供应E10燃料，到2030年所有车用汽油都将更换成E10 燃料；2007年法国每年将有100 万t 生物柴油产能投入运营，到2009年提高了400万t/a，2010 年提高了500万t/a，到2015年将提高700～800万t/a，法国将成为主要的生物柴油生产国[5]；我国已经成为继美国和巴西之后世界第三大燃料乙醇生产国，据报道我国有望在2015年真正实现第二代乙醇商业化。
生物液体燃料生产技术
生物质作为一种可直接转化为液体燃料的可再生能源，其转化技术主要是生化转化技术和热化学转化技术，其中生物质热裂解液化技术是生物质能领域的研究热点。近年来在原料预处理、热解工艺和生物油精制等方面取得了显著进展[6]。Asgher等[7]开发出了一种新的木质素降解酶，用于小麦秸秆前处理生产乙醇，在最优参数条件下，从木质素降解处理后的残余物获得生物乙醇L。中国科技大学利用裂解副产物炭粉和可燃气燃烧释放的热量为裂解提供热源，实现了自热式裂解液化，并于2007年在合肥建成了一套生物质裂解液化装置，2008年成功研发了第二代生物质裂解液化技术。徐俊明等[8]开发了一种新的生物质
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热解油精制方法，并且将生物质热解油加水预分离，得到的水溶性组分和非水溶性组分可分别加以利用。清华大学突破传统的酶法工艺瓶颈，成功研制出转化油脂制备生物柴油的新工艺，产率高达90%以上。赵永腾等[9]提出了更经济、有效的糖化和发酵技术是未来藻类碳水化合物制备生物燃料的研发方向。
4 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：
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[10]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[11]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 倍。Zhang 等[12]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， 甲烷产量越高。Shrivastava等[13]研究结果表明，白腐真菌发酵麦秸可有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。
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（批次）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
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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。
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[14]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[15]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/hm2·a，比对照770 g/hm2·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[16]。
5 生物质废弃物资源化利用技术展望
利用农业废弃物集储装备技术、综合堆肥技术、生物液体燃料生产技术以及干法厌氧发酵技术是其资源化和能源化领域的有效利用途径。综合堆肥技术将几种单一的堆肥技术有机结合起来，有效地解决堆肥过程中处理效率和堆肥应用之间的矛盾，具有良好的社会和经济效益；生物液体燃料是可再生能源，不仅能缓解能源紧张和环境压力，还能够促进农业发展、增加农民收入、推进新农村建设，因而在我国拥有巨大的发展潜力。虽然现阶段生物液体燃料工艺复杂、生产效率低、成本高、技术瓶颈有待突破，但是一旦实现商业化生产，将会给我国乃至全球带来巨大的财富，有着良好的发展前景。总之，这4种技术可以相辅相成共同运用于农业固体废弃物的资源化利用中。
6 结语
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农业固体废弃物既是环境污染源，又是生物质资源库。为了减少农业固体废弃物对环境的污染，降低资源化成本，必须提高农业固体废弃物资源化利用率，以促进我国农业循环经济可持续发展，建设资源节约型、环境友好型社会。笔者建议相关政府部门应加强宣传引导，健全和建立农业固体废物的法规和政策体系，加大资金和人才投入；企业或科研单位应加快技术开发与创新，通过技术升级，使农业废弃物得到更高效的利用。
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