我国农业废弃物资源的利用现状及开发前景

李　鹏　王文杰

摘要:论述了我国农业废弃物资源化利用的意义及当前能源化、肥料化、饲料化和材料化利用现状,概括了当前农业废弃物资源化利用中存在的一些问题,并提出了今后农业废弃物开发利用的重点和前景。

关键词:农业废弃物;秸秆;资源化利用;环境污染;生物质能

中图分类号:X71文献标识码:ADOI编码:10.3969/j.issn.1006-6500.2009.03.015

Utilization Status and Prospect of Agricultural Wastes in China

LI Peng,WANG Wen-jie

(Tianjin Institute of Animal Husbandry and Veterinary Medicine,Tianjin 300112,China)

Abstract:The significance of agricultural wastes utilization and the utilization status of agricultural wastes as energy, fertilizer, feed and material were reviewed. The deficiency of agricultural wastes utilization was summarized. Finally the utilization prospect of agricultural waste was advanced.

Key words: agricultural wastes;straw;resource utilization;environmental pollution;biomass energy

农业废弃物(agricultural residue)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。通常我们所说的农业废弃物主要指农作物秸秆和畜禽粪便。

我国是一个农业大国,随着农业生产水平和农民生活水平的不断提高,对原来用作肥料和燃料的农业废弃物的利用越来越少,因此农业废弃物越来越多。我国已成为世界上农业废弃物产出量最大的国家,其中农作物秸秆年产量达5亿t (干质量),可供青贮的茎叶等鲜料约10亿t,锯末、刨花等林业废弃物16 000 t,畜禽粪便排放量134亿t,城市垃圾7万t以上。随着工农业生产的迅速发展和人口的增加,这些废弃物以年均5%～10%的速度递增。这其中大部分废弃物被当作垃圾丢弃或排放到环境中,造成可利用资源的浪费和对生态环境的污染。因此,如何合理利用农业废弃物资源,真正实现农业废弃物变“废”为“宝”,对缓解我国能源压力,保护生态环境,促进农业的可持续发展具有重大意义。

1我国农业废弃物资源的利用现状

1.1农业废弃物资源化利用的意义

1.1.1消除日益严重的环境污染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;(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;(5)农业废弃物引起细菌和病毒的传播。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。

1.1.2改善耕地土壤质量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。

1.1.3解决农村能源短缺问题我国农村人口占全国总人口的70%以上,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。“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农业废弃物资源化利用的现状

我国农业废弃物再利用有着悠久的历史,堆肥和沼气技术在传统的生态理念指引下被广泛应用,从全国生态农业示范县收集到的370多个生态农业实用模式中,有1/3是以农业废弃物的循环利用技术为纽带联结形成的高效生产模式。近些年来,我国农业废弃物资源再利用的方式主要有能源化、肥料化、饲料化和材料化等。

1.2.1能源化利用生物质能是仅次于煤炭、石油、天然气的第四大能源,在世界能源消费总量中占14%,而且与前三大能源相比具有可再生的独特优势。我国农业废弃物的生物质能是农村能源的重要组成部分,在解决农村能源短缺和农村环境污染方面有重要的价值。近年来,中国先后对禽畜粪便厌氧消化、农作物秸秆热解气化等技术进行了攻关研究和开发,已经取得了一定成绩。比如利用粪便产生沼气发电,燃烧秸秆产生热能供热,将有机垃圾混合燃烧发电等。

1.2.2肥料化利用农业废弃物和乡镇生活垃圾的肥料化在提高土壤肥力,增加土壤有机质,改善土壤结构等方面有其独特的作用。

1.2.3饲料化利用目前,农业废弃物的饲料化主要分为植物纤维性废弃物的饲料化和动物性废弃物的饲料化,因为农业废弃物中含有大量的蛋白质和纤维类物质,经过适当的技术处理便可作为畜禽饲料应用。

植物纤维性废弃物主要指秸秆。当前我国秸秆的饲用量约为1.6亿t,相当于3.67亿hm2天然草地的产草量,其相应的养殖量约为4.67亿只羊单位,占我国草食畜养殖总量的3/4。秸秆大多可以直接饲喂,经过一定的加工处理,可以提高其营养利用率和经济效益。加工处理方法包括粉碎等物理方法、酸碱处理等化学方法和微生物发酵等。

动物性废弃物主要指畜禽粪便和加工下脚料。如鸡粪的有效能值为7 524 kJ/kg,含粗蛋白27%左右,无氮浸出物20%以上,还含有丰富的钙、磷和微量元素,通过特定的物理、化学和微生物方法处理后可作为畜禽饲料。但是,动物性废弃物的饲料化利用存在一定的安全隐患,目前人们对动物性废弃物的饲料化利用观点不一致,存在争议。

1.2.4材料化利用利用农业废弃物中的高蛋白质资源和纤维性材料可生产多种生物质材料,比如利用农业废弃物中的高纤维性植物废弃物生产纸板、人造纤维板、轻质建材板,通过固化、炭化技术制成活性炭,生产可降解餐具材料和纤维素薄膜,利用稻壳作为生产白碳黑、炭化硅陶瓷、氮化硅陶瓷的原料,利用秸秆、稻壳经炭化后生产钢铁冶金行业金属液面的新型保温材料,利用棉秆皮、棉铃壳等含有酚式羟基化学成分制成聚合阳离子交换树脂吸收重金属。

2我国农业废弃物资源利用中存在的主要问题

2.1农业废弃物资源总量不清

中国每年到底产生多少农业废弃物,这些废弃物呈怎样的分布,利用状况如何,对环境造成多大影响,没有准确的数据和记录,现有的来自不同部门的数据出入很大,真伪难辨。

2.2重视程度不够,缺乏相关政策法规

国家目前没有完整的农业废弃物利用的专门法律法规,农业主管部门只重视“肉、蛋、奶”等农产品的生产,不重视农业废弃物的利用。即便在当前注重环境保护和食品安全的大背景下,对农业废弃物的处理和资源化利用也没摆在应有的位置。现有的农业废弃物的管理体制和相关标准可操作性差,更谈不上预警、监测体系。

2.3农业废弃物利用技术落后,利用率低

虽然我国农业废弃物利用有着悠久的历史,但是创新性技术少,推广价值不高,农业废弃物的利用率很低。比如秸秆的利用,大多数还是采用直接燃烧供热或者还田的方式,缺乏先进的利用技术。

2.4农业废弃物转化产品单一,商品价值低

农业废弃物产品开发缺乏主攻方向,品种单一,质量不高,商品价值低。比如畜禽粪便的利用,大多数采用烘干后直接饲喂的方式,缺乏对其有效营养价值的分析利用,没有形成创新型的饲料产品。

3我国农业废弃物资源利用的发展前景

3.1要树立总体发展思路

中国在未来15～20年农业废弃物的产生总量依然呈增加的趋势,如果不加合理的利用和处理,农业废弃物,尤其是畜禽养殖对环境的污染将更加严重。农业废弃物的处理与资源化不仅关系到资源的再利用和环境安全,而且与农业的可持续发展和农村小康社会的建设紧密相关,必须树立农业废弃物资源化的总体发展战略思路。按循环经济理论,以人为本,由废弃物的生态循环开始,逐级发展到循环农业、循环社会的“三环”循环总体发展战略思路:第一个“环”是从农业本身发展的层面,按照生态循环原理,以农业废弃物的循环利用为切入点连接种植和养殖业,构建循环农业的发展模式;第二个“环”是依据循环经济的原理,构建生产—生活—生态—生命(人)一体化协调发展的“四位一体”农村发展模式;第三“环”为在上述两个循环的基础上,形成具有循环社会特征的农村小康社会。

3.2注重技术创新突破和集成

在今后农业废弃物的资源化利用中,要把新技术、新工艺的研究放在突出位置,依靠现代生物技术、信息技术和工程技术,提升产品的技术含量。比如发酵工程中微生物的筛选和高效工程菌的构建,新型酶制剂的选择等。

依据不同地区资源优势和经济发展水平,因地制宜地利用现代科学技术并与传统农业技术相结合,按照“整体、协调、循环、再生”的原则,运用系统工程方法,将各种技术优化组合,构建农业废弃物资源化高效利用生态模式。建立和完善农业废弃物资源化利用标准技术体系和技术保障体系。实现生态环境与农村经济两个系统的良性循环,达到经济、生态、社会三大效益的统一。

3.3加强生物质能利用的研究

农业废弃物生物质能利用是农业废弃物资源化利用的一个重大拓展,在整个新能源和可再生能源中占重要地位。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乡居民集中供气。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,实现能量系统的高效利用。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。如德国最早利用秸秆发电的Thuringain镇电站,年处理秸秆3 000 t,我国目前在海南建设了1.2 MW示范电站,该电站是我国及亚洲最大的生物质气化发电系统,整体水平达到国际先进水平。

3.4开辟新的利用途径

在我国农业废弃物中,秸秆占很大比例。当前对秸秆的利用主要集中在燃烧供能、堆肥还田和直接饲喂畜禽上,缺乏其它利用途径的创新研究。笔者认为,利用秸秆养殖昆虫,进一步发展各种昆虫产品有很广阔的应用前景,例如黄粉虫的养殖。黄粉虫素有“动物蛋白饲料之王”的美誉,通过工厂化生产,可提供大量优质动物性蛋白质,促进养殖业的发展。黄粉虫脱脂提油后的虫粉蛋白质含量达到70%,再经提取壳聚糖(甲壳素),蛋白含量可高达80%,不但能够替代进口优质鱼粉,而且完全可以食用。除了黄粉虫,秸秆还可以养殖蝗虫、大麦虫、螟虫等多种昆虫。

畜禽粪便是一个巨大的生物质资源库,以前大多都是直接堆肥处理。直接堆肥时间长,肥效差。笔者认为,通过一些生物技术手段可以获得更加理想的效果。比如在粪便中引入蚯蚓,蚯蚓可以凭借自身的酶系统将有机废物迅速分解,转化为易于利用的营养物质,从而加速堆肥的效果。另外,在粪便中加入适宜的菌剂进行发酵堆肥,可以迅速增加有益微生物的繁殖,快速分解粪便中的有机物,产生生物热能,高温抑制或杀灭有害菌及病虫卵,而且还可以吸收分解恶臭。因此,筛选和培育合适的生物菌剂成为了当前研究的重点。

总之,农业废弃物是一个大的环境污染源,同时也是一个大的生物质资源库,具有“双重性”。通过合理的加工利用可以减少农业废弃物对环境的危害,同时尽量降低废弃物资源化成本,开发高值产品,提高废弃物资源化和无害化处理率,为我国农业可持续发展和中国的能源安全做出重要贡献。

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