茭白秸稈處置現(xiàn)狀及其固態(tài)脫氮碳源材料制備循環(huán)利用思考

聶澤宇 王阿華 陳開寧

摘要：隨著以長三角地區(qū)為代表的城鄉(xiāng)經(jīng)濟(jì)一體化建設(shè)進(jìn)程的加速，大量的農(nóng)業(yè)廢棄茭白秸稈亟待處理，同時污水氮素（硝酸鹽態(tài)氮）污染物的減排壓力亦日益增大，以資源循環(huán)利用為紐帶，同時解決城鄉(xiāng)水體污染及農(nóng)村地區(qū)典型環(huán)境問題的命題逐步受到人們的重視。當(dāng)前，國內(nèi)已開發(fā)多種針對茭白秸稈的環(huán)保型資源化利用處置模式，但仍難徹底滿足茭白秸稈減量化的處置需求。在國內(nèi)外已有研究基礎(chǔ)上，思考探索將茭白秸稈農(nóng)業(yè)廢棄生物質(zhì)制作成反硝化固態(tài)碳源以降低廢水硝酸鹽排放量的可能性，并提出了相應(yīng)的研究設(shè)想，研究成果有望踐行“以廢治廢”的城鄉(xiāng)環(huán)境整治循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展新理念，并促進(jìn)城鄉(xiāng)水生態(tài)環(huán)境的日益改善和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：茭白秸稈;固態(tài)碳源材料;脫氮;以廢治廢;循環(huán)利用

當(dāng)前，城鄉(xiāng)河湖的水體氮素污染問題突出，除氨氮外，硝酸鹽態(tài)氮的污染問題亦不容忽視，例如水體富營養(yǎng)化所導(dǎo)致的藻類滋生，以及地表飲用水源和城市地下水的污染問題均與硝酸鹽態(tài)氮密不可分。城鄉(xiāng)水體氮素的來源，不僅包括城市污水處理廠的尾水排放和降水輸入，還包括農(nóng)村地區(qū)及城鄉(xiāng)結(jié)合部的農(nóng)業(yè)排水匯入。以城市污水處理廠尾水排放為例，污水中氮素受廠內(nèi)高度硝化作用后主要以硝酸鹽態(tài)氮的形式排放，雖已達(dá)一級排放標(biāo)準(zhǔn)，但總氮濃度卻遠(yuǎn)超地表Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)。例如，巢湖流域某污水處理廠出水總氮（20.6 mg/L）中80.6%（16.6 mg/L）的氮是硝酸鹽態(tài)氮[1]。而在廣大的農(nóng)村地區(qū)，除了農(nóng)田耕作排放的大量氮素污染物外（硝酸鹽態(tài)氮為特征污染物）[2-5]，農(nóng)業(yè)廢棄生物質(zhì)的產(chǎn)生量巨大，產(chǎn)生源分布范圍極廣，其棄置與焚燒所導(dǎo)致的系列環(huán)境問題亦較為突出。以茭白為例，經(jīng)濟(jì)植物茭白本是凈化低污染水體的較好濕地植物[6]，但在長三角地區(qū)管理措施未到位的區(qū)域，茭白成熟的季節(jié)也是當(dāng)?shù)睾恿魑廴?、河道擁堵淤塞最?yán)重的時候，造成這種狀況的最大禍?zhǔn)?，正是豐收后村民大量丟棄的茭白秸稈[7]，受茭白莖葉污染的河流往往存在色澤發(fā)黑發(fā)臭的現(xiàn)象，大量廢棄茭白葉堆積于河道中會造成嚴(yán)重的有機(jī)物污染，導(dǎo)致河水發(fā)黑和水體富營養(yǎng)化，而采取焚燒的方式則會污染大氣環(huán)境[8-10]。多種農(nóng)業(yè)廢棄生物質(zhì)的焚燒和水浸泡試驗(yàn)結(jié)果表明，茭白秸稈腐爛后導(dǎo)致的浸泡液中氮含量、磷含量、有機(jī)物含量、色度和微生物學(xué)指標(biāo)的增量，均大大超出同等質(zhì)量的玉米芯、山核桃蒲、稻草和桑枝條，這些材料在悶燒和明火條件下均可產(chǎn)生大量的細(xì)顆粒物、氮氧化物和二氧化硫，其中茭白秸稈的二氧化硫排放能力最強(qiáng)[11]。通常長達(dá)2 m左右的茭白其食用部分僅長15～20 cm，其他均被丟棄，常有“一斤茭白一斤廢葉”的說法。因此，伴隨著大量優(yōu)質(zhì)茭白農(nóng)產(chǎn)品的供給，數(shù)以萬噸的農(nóng)業(yè)廢棄生物質(zhì)茭白莖葉亟待處理，如何對茭白秸稈進(jìn)行環(huán)保型資源化處置利用，這是以長三角地區(qū)為代表的各茭白主產(chǎn)區(qū)人們亟須解決的問題。

隨著以長三角地區(qū)為代表的國內(nèi)城鄉(xiāng)經(jīng)濟(jì)建設(shè)一體化進(jìn)程的加速，以資源循環(huán)利用為紐帶的同時，解決城市水體污染及農(nóng)村地區(qū)環(huán)境保護(hù)問題的命題受到人們的重視。本研究擬借鑒“以廢治廢”的循環(huán)經(jīng)濟(jì)環(huán)保發(fā)展理念，思考將農(nóng)業(yè)廢棄生物質(zhì)（農(nóng)作物秸稈等）的消納與城鄉(xiāng)污廢水中硝酸鹽態(tài)氮的削減進(jìn)行有機(jī)統(tǒng)一，思考探索建立農(nóng)業(yè)廢棄生物質(zhì)-廢水脫氮的循環(huán)利用發(fā)展新模式，將農(nóng)業(yè)廢棄生物質(zhì)（如茭白秸稈）制作成反硝化固態(tài)碳源以去除廢水中的硝酸鹽，從而降低城鄉(xiāng)廢水氮素排放總量并實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄生物質(zhì)的消納，實(shí)現(xiàn)城鄉(xiāng)環(huán)境整治循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展新模式，促進(jìn)城鄉(xiāng)水生態(tài)環(huán)境日益改善和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。

1 長三角地區(qū)茭白秸稈處置現(xiàn)狀

江南名菜茭白（Zizania latifolia Turcz.）屬多年生宿根性沼澤草本植物，原產(chǎn)我國，是重要的水生蔬菜之一，栽種歷史悠久，主要分布于我國長江中下游流域一些水資源較為豐富的地區(qū)，如江蘇蘇州（如吳江茭）、無錫（如廣益茭、劉潭茭）等地，江蘇里下河地區(qū)的揚(yáng)州和南通等地，浙江寧波余姚市（全市總面積約 2 666.67 hm2，其中河姆渡鎮(zhèn)被命名為“中國茭白之鄉(xiāng)”，種植面積達(dá)2 133.33 hm2，年產(chǎn)茭白超5萬t，產(chǎn)值達(dá)1.33億元）[8，10]，上海青浦區(qū)（上海久負(fù)盛名的茭白生產(chǎn)基地，年種植面積超過 2 000 hm2，總產(chǎn)量高達(dá)7萬t/年）等地區(qū)，可以說茭白生產(chǎn)已成為以長三角地區(qū)為代表的效益農(nóng)業(yè)中水生蔬菜種植的亮點(diǎn)。

廢棄茭白葉資源的合理利用，不僅可變廢為寶，節(jié)約生產(chǎn)成本，推進(jìn)當(dāng)?shù)靥厣珒?yōu)勢農(nóng)業(yè)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展，增加農(nóng)民收入，還可以有效控制農(nóng)業(yè)面源污染，解決秸稈的焚燒問題。茭白秸稈的環(huán)保型資源化應(yīng)用途徑，主要包括制取燃料、制作食用菌栽培基質(zhì)、生產(chǎn)秸稈有機(jī)肥、編制工藝品、制作動物飼料。

1.1 制取燃料

廢棄茭白秸稈可充當(dāng)燃料[9-10]。在茭白豐收的季節(jié)，使用土灶的農(nóng)戶常將曬干的茭白葉作為燃料。余姚市某公司利用茭白草，在常溫環(huán)境下通過擠壓成型的方式，制作成便于運(yùn)輸儲藏的生物顆粒燃料，暢銷日本，作為火力發(fā)電或日常生活燃料，起到有效利用當(dāng)?shù)貜U棄茭白葉的效果[8]。該方法可以充分利用資源，節(jié)約能源，但排放的二氧化碳易導(dǎo)致“溫室效應(yīng)”，此外廢棄茭白秸稈還可用于制取沼氣[12]。

1.2 制作食用菌栽培基質(zhì)

禾本科植物鞘葉中的纖維素和營養(yǎng)物質(zhì)較為豐富，使得茭白葉可作為草腐菌（如大球蓋菇等）栽培的合適原料[9-10，12-15]。浙江省麗水市景寧縣某公司利用茭白葉莖栽培黑木耳獲得成功，構(gòu)建了茭白葉莖-食用菌-土壤的生態(tài)循環(huán)鏈綜合利用模式[16]。黑木耳屬于木腐菌，可利用木材中的纖維素類物質(zhì)、含氮蛋白質(zhì)、無機(jī)鹽和維生素等正常生長，茭白葉經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證可作為黑木耳和平菇等菌菇類的栽培基質(zhì)，若按茭白秸稈產(chǎn)生量 135 t/hm2 計(jì)量，黑木耳的生產(chǎn)量可達(dá)2.25萬袋/hm2，每1 hm2茭白田秸稈可節(jié)省30 m3的木材使用量，加之菌渣和菌糠作為有機(jī)肥的農(nóng)田回用還可創(chuàng)造潛在的巨大生態(tài)循環(huán)效益[16]。

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