秸秆和粪污资源化利用概述

陈龙，刘小玲，陈敏，徐道青

（安徽省农业科学院棉花研究所，安徽合肥 230000）

中国是农业大国，作物秸秆年产量达9 亿t 左右，位世界之首[1]。然而，秸秆的资源化利用率有待进一步提高，每年约有20%的秸秆腐烂或焚烧，不仅造成了资源浪费，而且给环境带来了极大的危害[2]；中国同样也是一个畜牧业大国，但大量的养殖废弃物已成为环境治理的一大难题。据统计，每年约产生养殖废弃物35 亿t[3]。调查表明，目前中国畜禽养殖场的畜禽废弃物无害化处理技术和能力还不足，加之处理粪便和废液会增加生产成本，致使养殖场所产生的畜禽粪便和废水多为直接排放，导致周边环境恶化[4-6]，因此对于秸秆和畜禽粪污的资源化利用显得尤为重要。本文阐述了目前秸秆和畜禽粪污化利用研究进展。

1 秸秆的肥料化、饲料化、燃料化、基料化和原料化利用

1.1 秸秆肥料化

秸秆肥料化生产是控制一定的条件, 通过一定的技术手段,在工厂中实现秸秆腐烂分解和稳定,最终将其转化为商品肥料的一种生产方式[7]。秸秆的肥料化不仅能够改善土地质量，还能有效带来经济效益，为脱贫攻坚贡献一份力量。张永春[8]提出了秸秆作为肥料还田利用的四种方式，一是秸秆直接粉碎还田，二是秸秆间接还田，三是农作物秸秆离田再利用模式，四是农作物秸秆离田和还田相结合的模式。肖其亮[9]通过大田对比试验得出秸秆的肥料化利用能够更好地提升稻田里的氮肥管理水平。张世洁[10]研究发现秸秆连续还田4 年以上可以发挥秸秆部分替代氮肥的增产效应。胡乃娟[11]等通过试验研究发现秸秆还田能在一定程度上提高土壤活性碳组分的含量和土壤酶活性,土壤总有机碳和微生物生物量碳的含量随着秸秆还田量增加,土壤脲酶、过氧化氢酶和蔗糖酶活性也得到明显升高,同时麦田和稻田的产量也得到明显提高。刘子语[12]指出秸秆肥料化可使每公顷土地节约成本1 500 元，能够使马铃薯增产，每公顷可增效6 000 元以上。

1.2 秸秆饲料化

秸秆肥料化利用是把农作物秸秆经机械加工或生物利用后作为有机肥施入农田的秸秆资源化利用技术[13]。秸秆还田是肥料化的主要形式，可细分为直接还田、堆肥还田和过腹还田3 种方式。直接还田因其操作简单、效用佳成为最常用的方式，将秸秆粉碎后均匀撒在田地里，秸秆会慢慢腐烂，补充田地土壤所需营养物质，例如氮、铁和锌，提高田地蓄水保墒能力[14]。堆肥还田又称间接还田，将秸秆与粪污堆置在一起，利用粪污中的微生物或添加生物菌剂使秸秆腐熟再施于田间。微生物可将秸秆中的营养元素释放出来，改善土壤性质，优化土壤内部种植环境，为下季农作物提供良好的生长条件[13]。过腹还田是一种最为传统的方式，先将秸秆作为饲料喂食猪牛羊等牲畜，再将牲畜产生的粪便作为肥料施于田间，这种方式不仅能有效为田地增加肥力，还能饲养牲畜，提高牲畜肉蛋奶的产量[15]。

1.3 秸秆燃料化

秸秆固化成型燃料加工技术是秸秆燃料化的主要技术，是在一定温度和压力作用下,利用木质素充当黏合剂,将松散的秸秆、树枝和木屑等农林生物质压缩成棒状、块状或颗粒状的成型燃料。有研究指出我国能源消耗巨大，农村地区能源潜力有待发掘，秸秆作为一种生物质能,能够有效缓解能源压力[16]。刘秋兰[17]等人研究出玉米秸秆的燃料化利用是其综合利用的主要方式之一，对缓解能源紧缺、减少环境污染和增加农业效益有着重要的意义。Han[18]等人利用酸洗预处理改变了秸秆中生物质组分的含量和结构，提高生物质固体燃料的质量。Bhatnagar[19]等人利用稻草秸秆和花生壳共同作用，发现了稻草秸秆中有巨大的燃料值。

1.4 秸秆基料化

秸秆的基料化应用是以秸秆为主要原料进行加工，制作成为植物提供营养的有机固体物料。基料化的应用主要是在食用菌的培养基上，食用菌使用基料化的培养基能够增产。李海霞[20]利用玉米秸秆基料化生产出适合栽培平菇和黑木耳的培养基。王志国[21]也指出玉米秸秆基料化用于食用菌的栽培，不仅实现了秸秆废料变废为宝，促进秸秆的有效利用，推动了多次循环利用的生态链条的形成，还能实现经济效益和生态效益的统一。秸秆基料化做成的培养基可满足种类较多的植物栽培，且满足植物各个时期生长需求，绝热性能良好，不会因夏季过热、冬季过冷而损伤植物根系和本身不带土传病虫害等优点也可应用在植物育苗和栽培[22]。

1.5 秸秆原料化

秸秆原料化是以秸秆为原料，生产非木浆纸、人造板材、复合材料等产品。主要有5 种原料化利用方式，一是秸秆编制,将秸秆编织成草帘、草苫、草席、草垫、草编或制作成秸秆画，此种方式工艺较为简单，家庭式的作坊就可以生产，具有一定的经济效益[23]。二是秸秆造纸，我国是造纸大国，传统的木质纸会消耗大量林木资源，利用秸秆造的非木质纸能够缓解林木资源紧张问题，秸秆价廉易得，纤维含量高，使得非木质纸便宜耐用[24]。三是秸秆加工成板材，与造纸面临同样的问题，板材加工会消耗林木资源，尤其消耗大口径林木，秸秆板材产量逐年递加，李赢[25]等人对秸秆进行前处理后制得的板材密度、吸水厚度膨胀率、抗冲击强度得到较大提升。刘德军[26]等人对秸秆板材运用无机凝胶和有机凝胶混合的胶黏剂，使得秸秆板材各项指标均达到中密度纤维板的国家标准。四是秸秆加工成生物塑料，秸秆生物质塑料具有良好的可塑性、可降解性，且制造成本低廉，因此近些年来得到大力发展[24]。五是秸秆有机化工是对秸秆进行高值化利用可将秸秆内的纤维素和半纤维素转化为木糖, 木浆再经微生物发酵或催化加氢等方式转化为乙醇、丁醇、丁二酸、1-3丙二醇、乳酸等有机化工原料和新型材料产品，减少传统有机化工行业对石油的消耗, 有利于资源节约[28]。

2 畜禽粪污的肥料化、能源化、生态化和饲料化利用

2.1 粪污肥料化利用

畜禽粪污肥料化是利用微生物在粪污中生长繁殖，把粪污中的有机物腐质化、矿质化和无害化，变成对土壤有利的腐殖质，增加土壤中有机质、磷、钾含量,改良土壤结构,提高土壤肥力以及农产品的品质[29]。刘宇璇[30]等人研究发现牛粪经堆肥后，能够产生丰富的含有氮、磷、钾元素的化合物，显著提升土壤肥力。赵艳等人[31]提出猪粪经积堆制肥后，在粪污固液分离后进行无害化、资源化处理，让固体粪污堆积后在好氧菌和厌氧菌的共同作用下，高温发酵杀灭有害病原体，形成有机肥料。鸡粪燃烧可以生成一种富含磷元素的肥料。研究显示，从鸡粪燃烧之后的残渣中用硫酸浸提磷效果较好，可以作为高效磷肥[32]。

2.2 粪污能源化利用

畜禽粪污能源化主要是将畜禽粪污生产沼气、乙醇等能源物质。主要有两种形式，一是热化学法能源化，这种形式最简单也是最传统的方法就是将粪便燃烧，我国在古代就有点燃干燥的狼粪便，用来传递军情，草原上的牧民仍有用牛粪煮饭的习惯。近代则是将粪便热化学气化产燃气和液化产燃油，于前热化学气化产燃气和产燃油虽然从理论上证实了可行性，但技术上的障碍还很大，无法大规模生产，还在实验室探索阶段[33]。二是生物化学法能源化，利用微生物将粪便发电、释氢、产沼气、转化成乙醇和养藻产燃油[34-38]。可大大改善居民生活条件，降低居民能源使用成本。

2.3 粪污生态化利用

粪便生态化利用是将畜禽粪便应用于农牧结合，生态保护修复及农业生产领域，一是落实农牧有机结合战略，构建良性循环生态系统，积极保护生态系统[39]。二是进行土壤修复，对土壤肥力较低的土地，将粪污经过处理后撒入田间，可有效提高土壤肥力[40]。三是用作蔬菜育苗的基质，畜禽粪便中有机质含量较高，因畜禽草食，还含有未消化的植物生长激素可帮助蔬菜苗成长，在具体操作时按照标准混合畜禽粪便和蛭石等材料，放入待种植蔬菜的土地下方，便可为蔬菜提供良好的生长条件[41]。

2.4 粪污饲料化利用

饲料化利用是指将畜禽粪便作为饲料进行再次利用，畜禽粪便含有丰富的粗蛋白和纤维等，因此可以作为饲料，主要有3 种方法，一是青贮，将粪便和玉米粉或其它的青绿饲料共同制作青贮，进行厌氧发酵，可以杀死粪便中寄生虫等，增加饲料安全性，提高适口性[42]。二是干燥，将粪便收集在一起，利用光热，使其干燥，干燥后形成块状，再粉碎，用作饲料[43]。三是发酵分解法，收集粪便利用酵母进行发酵，或利用蜗牛、蚯蚓和果蝇对粪便进行分解从而获得蛋白质，可以获得良好的经济效益[44]。

3 结语

我国是农业和畜禽业大国，秸秆和粪污是它们的副产物，如果不善加处理很可能破坏环境，经过适当加工秸秆与粪污可变废为宝，不仅能产生生态效益，而且还会产生一定的经济效益；但目前我国的秸秆和粪污利用存在着一定的技术障碍，导致资源化不能发挥最大功效，现阶段可以从改良工艺，降低资源化成本，开发资源化新用途等方面研究探索，综合考究秸秆和粪污等农业废弃物的资源化利用，促进我国农业绿色健康发展。