秸稈和糞污資源化利用概述

陳龍，劉小玲，陳敏，徐道青

（安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所，安徽合肥 230000）

中國是農(nóng)業(yè)大國，作物秸稈年產(chǎn)量達(dá)9 億t 左右，位世界之首[1]。然而，秸稈的資源化利用率有待進(jìn)一步提高，每年約有20%的秸稈腐爛或焚燒，不僅造成了資源浪費(fèi)，而且給環(huán)境帶來了極大的危害[2]；中國同樣也是一個(gè)畜牧業(yè)大國，但大量的養(yǎng)殖廢棄物已成為環(huán)境治理的一大難題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年約產(chǎn)生養(yǎng)殖廢棄物35 億t[3]。調(diào)查表明，目前中國畜禽養(yǎng)殖場的畜禽廢棄物無害化處理技術(shù)和能力還不足，加之處理糞便和廢液會(huì)增加生產(chǎn)成本，致使養(yǎng)殖場所產(chǎn)生的畜禽糞便和廢水多為直接排放，導(dǎo)致周邊環(huán)境惡化[4-6]，因此對于秸稈和畜禽糞污的資源化利用顯得尤為重要。本文闡述了目前秸稈和畜禽糞污化利用研究進(jìn)展。

1 秸稈的肥料化、飼料化、燃料化、基料化和原料化利用

1.1 秸稈肥料化

秸稈肥料化生產(chǎn)是控制一定的條件, 通過一定的技術(shù)手段,在工廠中實(shí)現(xiàn)秸稈腐爛分解和穩(wěn)定,最終將其轉(zhuǎn)化為商品肥料的一種生產(chǎn)方式[7]。秸稈的肥料化不僅能夠改善土地質(zhì)量，還能有效帶來經(jīng)濟(jì)效益，為脫貧攻堅(jiān)貢獻(xiàn)一份力量。張永春[8]提出了秸稈作為肥料還田利用的四種方式，一是秸稈直接粉碎還田，二是秸稈間接還田，三是農(nóng)作物秸稈離田再利用模式，四是農(nóng)作物秸稈離田和還田相結(jié)合的模式。肖其亮[9]通過大田對比試驗(yàn)得出秸稈的肥料化利用能夠更好地提升稻田里的氮肥管理水平。張世潔[10]研究發(fā)現(xiàn)秸稈連續(xù)還田4 年以上可以發(fā)揮秸稈部分替代氮肥的增產(chǎn)效應(yīng)。胡乃娟[11]等通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)秸稈還田能在一定程度上提高土壤活性碳組分的含量和土壤酶活性,土壤總有機(jī)碳和微生物生物量碳的含量隨著秸稈還田量增加,土壤脲酶、過氧化氫酶和蔗糖酶活性也得到明顯升高,同時(shí)麥田和稻田的產(chǎn)量也得到明顯提高。劉子語[12]指出秸稈肥料化可使每公頃土地節(jié)約成本1 500 元，能夠使馬鈴薯增產(chǎn)，每公頃可增效6 000 元以上。

1.2 秸稈飼料化

秸稈肥料化利用是把農(nóng)作物秸稈經(jīng)機(jī)械加工或生物利用后作為有機(jī)肥施入農(nóng)田的秸稈資源化利用技術(shù)[13]。秸稈還田是肥料化的主要形式，可細(xì)分為直接還田、堆肥還田和過腹還田3 種方式。直接還田因其操作簡單、效用佳成為最常用的方式，將秸稈粉碎后均勻撒在田地里，秸稈會(huì)慢慢腐爛，補(bǔ)充田地土壤所需營養(yǎng)物質(zhì)，例如氮、鐵和鋅，提高田地蓄水保墑能力[14]。堆肥還田又稱間接還田，將秸稈與糞污堆置在一起，利用糞污中的微生物或添加生物菌劑使秸稈腐熟再施于田間。微生物可將秸稈中的營養(yǎng)元素釋放出來，改善土壤性質(zhì)，優(yōu)化土壤內(nèi)部種植環(huán)境，為下季農(nóng)作物提供良好的生長條件[13]。過腹還田是一種最為傳統(tǒng)的方式，先將秸稈作為飼料喂食豬牛羊等牲畜，再將牲畜產(chǎn)生的糞便作為肥料施于田間，這種方式不僅能有效為田地增加肥力，還能飼養(yǎng)牲畜，提高牲畜肉蛋奶的產(chǎn)量[15]。

1.3 秸稈燃料化

秸稈固化成型燃料加工技術(shù)是秸稈燃料化的主要技術(shù)，是在一定溫度和壓力作用下,利用木質(zhì)素充當(dāng)黏合劑,將松散的秸稈、樹枝和木屑等農(nóng)林生物質(zhì)壓縮成棒狀、塊狀或顆粒狀的成型燃料。有研究指出我國能源消耗巨大，農(nóng)村地區(qū)能源潛力有待發(fā)掘，秸稈作為一種生物質(zhì)能,能夠有效緩解能源壓力[16]。劉秋蘭[17]等人研究出玉米秸稈的燃料化利用是其綜合利用的主要方式之一，對緩解能源緊缺、減少環(huán)境污染和增加農(nóng)業(yè)效益有著重要的意義。Han[18]等人利用酸洗預(yù)處理改變了秸稈中生物質(zhì)組分的含量和結(jié)構(gòu)，提高生物質(zhì)固體燃料的質(zhì)量。Bhatnagar[19]等人利用稻草秸稈和花生殼共同作用，發(fā)現(xiàn)了稻草秸稈中有巨大的燃料值。

1.4 秸稈基料化

秸稈的基料化應(yīng)用是以秸稈為主要原料進(jìn)行加工，制作成為植物提供營養(yǎng)的有機(jī)固體物料?；匣膽?yīng)用主要是在食用菌的培養(yǎng)基上，食用菌使用基料化的培養(yǎng)基能夠增產(chǎn)。李海霞[20]利用玉米秸稈基料化生產(chǎn)出適合栽培平菇和黑木耳的培養(yǎng)基。王志國[21]也指出玉米秸稈基料化用于食用菌的栽培，不僅實(shí)現(xiàn)了秸稈廢料變廢為寶，促進(jìn)秸稈的有效利用，推動(dòng)了多次循環(huán)利用的生態(tài)鏈條的形成，還能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益的統(tǒng)一。秸稈基料化做成的培養(yǎng)基可滿足種類較多的植物栽培，且滿足植物各個(gè)時(shí)期生長需求，絕熱性能良好，不會(huì)因夏季過熱、冬季過冷而損傷植物根系和本身不帶土傳病蟲害等優(yōu)點(diǎn)也可應(yīng)用在植物育苗和栽培[22]。

1.5 秸稈原料化

秸稈原料化是以秸稈為原料，生產(chǎn)非木漿紙、人造板材、復(fù)合材料等產(chǎn)品。主要有5 種原料化利用方式，一是秸稈編制,將秸稈編織成草簾、草苫、草席、草墊、草編或制作成秸稈畫，此種方式工藝較為簡單，家庭式的作坊就可以生產(chǎn)，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益[23]。二是秸稈造紙，我國是造紙大國，傳統(tǒng)的木質(zhì)紙會(huì)消耗大量林木資源，利用秸稈造的非木質(zhì)紙能夠緩解林木資源緊張問題，秸稈價(jià)廉易得，纖維含量高，使得非木質(zhì)紙便宜耐用[24]。三是秸稈加工成板材，與造紙面臨同樣的問題，板材加工會(huì)消耗林木資源，尤其消耗大口徑林木，秸稈板材產(chǎn)量逐年遞加，李贏[25]等人對秸稈進(jìn)行前處理后制得的板材密度、吸水厚度膨脹率、抗沖擊強(qiáng)度得到較大提升。劉德軍[26]等人對秸稈板材運(yùn)用無機(jī)凝膠和有機(jī)凝膠混合的膠黏劑，使得秸稈板材各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到中密度纖維板的國家標(biāo)準(zhǔn)。四是秸稈加工成生物塑料，秸稈生物質(zhì)塑料具有良好的可塑性、可降解性，且制造成本低廉，因此近些年來得到大力發(fā)展[24]。五是秸稈有機(jī)化工是對秸稈進(jìn)行高值化利用可將秸稈內(nèi)的纖維素和半纖維素轉(zhuǎn)化為木糖, 木漿再經(jīng)微生物發(fā)酵或催化加氫等方式轉(zhuǎn)化為乙醇、丁醇、丁二酸、1-3丙二醇、乳酸等有機(jī)化工原料和新型材料產(chǎn)品，減少傳統(tǒng)有機(jī)化工行業(yè)對石油的消耗, 有利于資源節(jié)約[28]。

2 畜禽糞污的肥料化、能源化、生態(tài)化和飼料化利用

2.1 糞污肥料化利用

畜禽糞污肥料化是利用微生物在糞污中生長繁殖，把糞污中的有機(jī)物腐質(zhì)化、礦質(zhì)化和無害化，變成對土壤有利的腐殖質(zhì)，增加土壤中有機(jī)質(zhì)、磷、鉀含量,改良土壤結(jié)構(gòu),提高土壤肥力以及農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)[29]。劉宇璇[30]等人研究發(fā)現(xiàn)牛糞經(jīng)堆肥后，能夠產(chǎn)生豐富的含有氮、磷、鉀元素的化合物，顯著提升土壤肥力。趙艷等人[31]提出豬糞經(jīng)積堆制肥后，在糞污固液分離后進(jìn)行無害化、資源化處理，讓固體糞污堆積后在好氧菌和厭氧菌的共同作用下，高溫發(fā)酵殺滅有害病原體，形成有機(jī)肥料。雞糞燃燒可以生成一種富含磷元素的肥料。研究顯示，從雞糞燃燒之后的殘?jiān)杏昧蛩峤崃仔Ч^好，可以作為高效磷肥[32]。

2.2 糞污能源化利用

畜禽糞污能源化主要是將畜禽糞污生產(chǎn)沼氣、乙醇等能源物質(zhì)。主要有兩種形式，一是熱化學(xué)法能源化，這種形式最簡單也是最傳統(tǒng)的方法就是將糞便燃燒，我國在古代就有點(diǎn)燃干燥的狼糞便，用來傳遞軍情，草原上的牧民仍有用牛糞煮飯的習(xí)慣。近代則是將糞便熱化學(xué)氣化產(chǎn)燃?xì)夂鸵夯a(chǎn)燃油，于前熱化學(xué)氣化產(chǎn)燃?xì)夂彤a(chǎn)燃油雖然從理論上證實(shí)了可行性，但技術(shù)上的障礙還很大，無法大規(guī)模生產(chǎn)，還在實(shí)驗(yàn)室探索階段[33]。二是生物化學(xué)法能源化，利用微生物將糞便發(fā)電、釋氫、產(chǎn)沼氣、轉(zhuǎn)化成乙醇和養(yǎng)藻產(chǎn)燃油[34-38]?？纱蟠蟾纳凭用裆顥l件，降低居民能源使用成本。

2.3 糞污生態(tài)化利用

糞便生態(tài)化利用是將畜禽糞便應(yīng)用于農(nóng)牧結(jié)合，生態(tài)保護(hù)修復(fù)及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，一是落實(shí)農(nóng)牧有機(jī)結(jié)合戰(zhàn)略，構(gòu)建良性循環(huán)生態(tài)系統(tǒng)，積極保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)[39]。二是進(jìn)行土壤修復(fù)，對土壤肥力較低的土地，將糞污經(jīng)過處理后撒入田間，可有效提高土壤肥力[40]。三是用作蔬菜育苗的基質(zhì)，畜禽糞便中有機(jī)質(zhì)含量較高，因畜禽草食，還含有未消化的植物生長激素可幫助蔬菜苗成長，在具體操作時(shí)按照標(biāo)準(zhǔn)混合畜禽糞便和蛭石等材料，放入待種植蔬菜的土地下方，便可為蔬菜提供良好的生長條件[41]。

2.4 糞污飼料化利用

飼料化利用是指將畜禽糞便作為飼料進(jìn)行再次利用，畜禽糞便含有豐富的粗蛋白和纖維等，因此可以作為飼料，主要有3 種方法，一是青貯，將糞便和玉米粉或其它的青綠飼料共同制作青貯，進(jìn)行厭氧發(fā)酵，可以殺死糞便中寄生蟲等，增加飼料安全性，提高適口性[42]。二是干燥，將糞便收集在一起，利用光熱，使其干燥，干燥后形成塊狀，再粉碎，用作飼料[43]。三是發(fā)酵分解法，收集糞便利用酵母進(jìn)行發(fā)酵，或利用蝸牛、蚯蚓和果蠅對糞便進(jìn)行分解從而獲得蛋白質(zhì)，可以獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益[44]。

3 結(jié)語

我國是農(nóng)業(yè)和畜禽業(yè)大國，秸稈和糞污是它們的副產(chǎn)物，如果不善加處理很可能破壞環(huán)境，經(jīng)過適當(dāng)加工秸稈與糞污可變廢為寶，不僅能產(chǎn)生生態(tài)效益，而且還會(huì)產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益；但目前我國的秸稈和糞污利用存在著一定的技術(shù)障礙，導(dǎo)致資源化不能發(fā)揮最大功效，現(xiàn)階段可以從改良工藝，降低資源化成本，開發(fā)資源化新用途等方面研究探索，綜合考究秸稈和糞污等農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化利用，促進(jìn)我國農(nóng)業(yè)綠色健康發(fā)展。