农业固体废弃物是指农业生产、畜禽饲养、农副产品加工以及农村居民生活活动排出的废物,如植物秸秆、人和畜禽的粪便等。我国每年产生各类农作物秸秆约6.5亿吨,畜禽粪便产生量约20亿吨,是我国工业废弃物产生量的3.2倍。目前农作物秸秆60%未被有效利用,随处堆放或就地焚烧,严重污染了环境;大量畜禽粪便不经任何处理直接露天存放,严重破坏了农村和城镇居民的生活环境。特别是随着种植、养殖业不断发展以及农业生产水平和农民生活水平的提高,对原来用作燃料和肥料的农业废弃物的利用越来越少,农业废弃物越来越多。农业废弃物含有大量的有机物,据测定,很多农作物的副产品的化学能不亚于其主产品。因此,农业废弃物利用蕴藏着广阔的发展前景。
1.危害
农作物秸秆大量剩余,焚烧农作物秸秆的现象屡禁不止,造成资源浪费、污染环境等不良后果。
(1)污染大气:经不完全燃烧会产生大量氮氧化物、二氧化硫、碳氢化合物及烟尘,氮氧化物和碳氢化合物在阳光作用下还会产生二次污染物臭氧等。在城市“热岛效应”的作用下,城郊四周产生的大气污染物便自然向市区流动,造成严重的大气污染。
(2)损伤土地:表层土壤过火以后,地下5cm处温度可达65—90℃,高温抑制土壤中的微生物生长,从而影响农作物养分的转化和供应,导致土壤肥力下降。
(3)影响交通:燃烧秸秆形成的大量烟雾,使能见度大大降低,严重干扰了正常的交通运输。
(4)资源浪费:作物秸秆中不仅含有大量纤维素、木质素,还含有一定量的粗蛋白、粗脂肪、磷、钾等营养成分和许多微量元素。6亿吨秸秆相当于300多万吨氮肥、700多万吨钾肥和70多万吨磷肥,约为全国每年化肥施用量的1/4。在田间焚烧农作物秸秆,仅能利用所含钾的40%,其余氮、磷、有机质和热能则全部损失。
(5)排放畜禽粪便的环境危害:畜禽粪便含有大量未被消化吸收的有机物、无机物、病菌等,能造成大气、水体、土壤、生物等多方面的污染。
2.我国农业废弃物资源化利用现状与分析
目前,植物纤维废弃物的资源化利用技术主要有废物还田、加工饲料、固化炭化、气化、制复合材料、制造化学品等;畜禽粪便资源化利用技术目前主要有肥料化技术、饲料化技术和燃料化技术等。
(1)废物还田技术
秸秆等植物纤维性废弃物退还土壤后,可以大量补充和更新土壤有机质,提供丰富的氮、磷、钾、硅等元素。同时,农作物秸秆中含有大量的木质素和纤维素,腐烂分解后可使土壤腐殖质增加,孔隙度提高,通气透水,理化性状大为改善。
秸秆等植物纤维性废弃物还田的方法主要有直接还田、过腹还田、堆沤还田和沼渣还田这四种方法。
(2)饲料化利用技术
植物纤维性废弃物往往因其营养价值低或可消化性低,不能直接用作饲料,但若将之进行适当处理,即可大大改善其营养价值和可消化性。具体处理方法一般有以下几种:①微生物处理技术。农业植物纤维性废弃物中的成分一般都能被微生物分解利用,这些微生物含有较多的蛋白质并含有较丰富的维生素,加到动物饲料中可大大提高饲料效果。微生物处理技术就是指应用微生物工业技术,采用生物工程手段,将秸秆、木屑等农业植物纤维性废弃物加工变为微生物蛋白产品,其应用的微生物包括细菌、酵母菌及微型藻类,发酵主要有液体发酵和固体发酵两种方式。②青贮法。主要是利用自然的乳酸在厌氧条件下对青绿秸秆进行发酵处理。通过青贮处理可以使原来粗硬的秸秆变软熟化,增加原料的营养价值和可消化率,是牲畜的好饲料。目前常用的青贮方法有窖贮、塔贮和袋贮三种。③氧化法。主要是用液氨或尿素、碳氨的水溶液对切碎的秸秆等废物进行氨化处理,改善原料的适口性和营养价值。④热喷法。热喷技术是20世纪80年代兴起的一项新技术。农业废弃物经蒸汽处理后,进行增压、突然减压、热喷处理,原料受到热效应和喷放机械效应两个方面的作用后,改变了结构,提高了消化率。
(3)气化技术
气化是指含炭物质在有限供氧条件下产生可燃气体的热化学转化。农业植物纤维性废弃物由C、H、O等元素和灰分组成,当它们被点燃时,供应少量空气,并且采取措施控制其反应过程,使其变成CO、CH4、H2等可燃气体,生物质中大部分能量都被转化到气体中。气化后的可燃气体可作为锅炉燃料与煤混燃,也可作为管道气为城市居民集中供气;将气化后的可燃气经过净化除尘与内燃机连用,取代汽油或柴油,实现能量系统的高技利用;气化后的可燃气还可进行气化发电,气化发电技术可以在较小规模下实现较高的利用率,并能提供高品位的能源形式,是一个重要的发展方向。
(4)固化、炭化技术
固化、炭化技术是将松散的植物纤维性废弃物原料压制成棒(块)状,放入炭化设备中炭化后制成生物质炭,其质量能可达3.16—3.36kJ/kg。
(5)制备复合材料技术
利用农业植物纤维性废弃物可生产纸板、人造纤维板、轻质建材板等包装和建筑装饰复合材料。如以硅酸盐水泥为基体材料,玉米秆、麦秆等农业废弃物(经表面处理剂处理后)作为增强材料,再加入粉煤灰等填充料后可制成植物纤维水泥复合板,产品成本低,保温、隔音性能好;以石膏为基体材料,农业植物纤维性废弃物为增强材料,可生产出植物纤维增强石膏板,产品具有吸音、隔热、透气等特性,是一种较好的装饰材料。
再有,以秸秆、稻壳、甘蔗渣等农业植物纤维性废弃物为原料,通过粉碎、加入适量无毒成型剂、粘合剂、耐水剂和填充料等助剂经搅拌捏台后成型,能制成可降解快餐具,以替代一次性泡沫塑料餐具;以农业植物纤维性废弃物为原料还可制成可降解性纤维素薄膜,替代不可降解性塑料薄膜。
(6)制取化学品技术
以植物纤维性废弃物为原料制取化学制品,也是综合利用农业废弃物、提高其附加值的一种有效方法。如甘蔗渣、玉米芯、稻壳等中含有1/3—1/4的多缩戊糖,经水解可制得木糖;甘蔗渣、木糖醇渣、玉米芯、稻壳、果壳等经过炭化、活化后可制成性能很好的活性炭;稻壳可作为牛产白炭黑、炭化硅陶瓷、氮化硅陶瓷的原料;秸秆、稻壳经炭化后可作为钢铁冶金行业金属液面的新型保温材料,麦草经常压水解、溶剂萃取反应后可制得糠醛,水解后的固相残渣还可造纸。另外,用甘蔗渣、玉米渣皮等可以制取膳食纤维。
(7)其他
利用秸秆、棉籽皮、树枝叶等按一定比例粉碎混合可用来栽培食用菌,栽培出的食用菌营养价值高。农业植物纤维废弃物还可作为治理污染的材料,如甘蔗渣经化学改性后可迅速吸附废水中的酸性物质;利用棉秆皮、棉铃壳等含有酚式羟基化学成分的废弃物经过简单的化学处理后,可制成聚合阳离子变换树脂,对重金属有明显的吸收作用。
(8)畜禽粪便饲料化技术
堆肥法:利用微生物在一定温度、湿度、pH值的条件下,使畜禽粪便和秸秆等农业有机废物发生生物化学降解,形成一种类似腐殖质土壤的物质,用作肥料和改良土壤,这种方法称为堆肥化;也可将高温堆肥产品经杀灭病原菌、虫卵和杂草种子等无害化处理和稳定化处理后与经粉碎后的N、P、K化肥混合后,经筛分、干燥可制成颗粒化复合肥。颗粒化的复合肥因为能同时提供多种营养成分、养分均衡、施用方便、便于运输等特点而得以迅速发展。
干燥法:是将粪便单独或掺入一定比例的麦糠,拌匀后干燥、过筛除去杂质,再粉碎用作饲料。按干燥方式不同其可分为自然干燥法和人工干燥法。人工干燥法又可分为快速干燥法和烘箱烘干法。
青贮法:畜禽粪便可单独或与其他饲料一起青贮。这种方法经济可靠,产品无毒无味,适口性强。
需氧发酵法:在氧化池中利用好氧微生物对畜禽粪尿进行发酵,产生单细胞蛋白,可制成适合单胃动物的饲料,氧化池混合液可作为动物饮用水。
图4-7 粉煤灰部分产品示意图