农业废弃物资源化梯次利用低碳模式研究_石惠娴.pdf

农业废弃物资源化梯次利用低碳模式研究石惠娴,沈昊文,潘方慧,朱洪光,王孜竞,周雪飞,张亚雷(同济大学新农村发展研究院/同济大学国家设施农业工程技术研究中心,上海 200092)摘要 将农业废弃物分为畜禽粪便和农作物秸秆两大类。在参考国内外农业废弃物资源化梯次利用模式的基础上,深入分析安徽阜阳和上海崇明城桥镇农业废弃物资源化利用现状,绘制出区域农业废弃物沼气工程全产业链物质流梯次循环利用和农作物秸秆还田资源化循环利用 2 个低碳模式图。前者以农业废弃物联合厌氧发酵技术为核心,形成生物天然气能源产业系统,系统内碳、氮、磷营养梯次回收利用、种养结合能肥联产物质资源化循环利用模式;后者综合考虑了秸秆还田的优势和不足,形成了以稻麦轮作秸秆适当还田资源化梯次利用模式。关键词 农业废弃物;资源化利用;模式中图分类号 X71 文献标识码 A 文章编号 0517-6611(2023)03-0209-04doi:10.3969/j.issn.0517-6611.2023.03.048 开放科学(资源服务)标识码(OSID):Study on Low Carbon Mode of Agricultural Waste Recycling Utilization SHI Hui-xian,SHEN Hao-wen,PAN Fang-hui et al(Institute of New Rural Development,Tongji University/National Research Center for Facility Agriculture Engineering Technology,Tongji University,Shanghai 200092)Abstract Agricultural waste was divided into livestock manure and crop straw.Based on referring to the recycling utilization models of agri-cultural waste at home and abroad,the recycling utilization status of agricultural waste in Fuyang of Anhui and Chengqiao Town,Chongming,Shanghai were deeply analyzed,two low-carbon model figures of cascade utilization of material flow in the whole industrial chain of regional ag-ricultural waste biogas project and recycling utilization of crop straw returned to the field were drawn.The first model was based on the com-bined anaerobic fermentation technology of agricultural waste,an industrial system for the production of bio-natural gas energy was formed,the cascade recycling utilization of carbon,nitrogen and phosphorus in the system and the recycling utilization mode of energy and fertilizer produc-tion materials were formed.The second model comprehensively considered the advantages and disadvantages of returning straw to field,the re-cycling utilization mode of returning rotation straw of rice-wheat to the field was formed.Key words Agricultural waste;Recycling utilization;Model基金项目 国家重点研发计划项目(2020YFD1100402-5)。作者简介 石惠娴(1969),女,河北献县人,副教授,博士,从事生物质能源工程领域的理论和实践研究。收稿日期 2022-03-23 农业废弃物每年都会大量产生,但其中大部分没有得到充分利用。据估算,全球每年产生约 2 000 亿 t 秸秆,仅我国每年产生秸秆量近 9 亿 t,产生的畜禽粪污达 38 亿 t,但这些废弃物的综合利用率不到 60%。2020 年 9 月 1 日实施的中华人民共和国固体废物污染环境防治法明确规定作物秸秆和畜禽粪污需要回收利用,以避免环境污染1-3。在发展中国家,农业废弃物能源化、饲料化、肥料化、材料化、基质化等都具有产业化发展潜力4-7。但是,长期以来农业发展存在依赖化肥农药、区域畜禽产业发展与农业发展相互分离、种养不平衡、农业废弃物资源浪费、农产品品质有待提升等问题。据文献4,8-9报道,国内外农业废弃物资源化利用模式很多,比较典型的有菲律宾玛雅农场以沼气工程为枢纽的废弃物利用产业集群模式,利用沼气工程管控粪肥污染和梯次利用各种废弃物,提供农场生产和家庭生活所需的沼气能源,产沼气后的沼渣梯次回收用作牲畜饲料或制成有机肥料还田。产沼气后的沼液经藻类氧化塘处理后,梯次送入水塘养鱼养鸭,最后取塘水、塘泥去营养农田;美国有机农场以有机肥还田为目的的多种农林废弃物梯次利用生产有机农产品模式,以青草、木材加工厂木屑、小麦秸秆、畜牧场废物为原料,与黏土混合,密封堆沤生产有机肥;北京留民营村以农业生态系统综合循环为核心的农业废弃物梯次利用模式,将农田、菜园产生的蔬菜和玉米秸秆、糠麸等废弃物制成饲料再供给养鸡场、奶牛场、养猪场和鱼塘,鸡粪、牛粪、猪粪及农户粪尿入沼气站发酵生产沼气、沼渣、沼液,灌溉农田、菜园、果园和苗圃等。这些农业废弃物利用模式值得借鉴,且需要因地制宜加以消化吸收和创新优化。碳达峰、碳中和背景下,如何针对不同种类农业废弃物的物理、化学特性和不同区域农业废弃物的资源特点,打造区域农业废弃物联合资源化梯次利用低碳模式,解决农业绿色产业化发展问题是实现农业废弃物高效、生态、环保、循环利用的保障。农业废弃物梯次利用是指农作物或禽畜粪便已经使用过(如作为粮食或能源),再通过其他方法使其继续使用的过程,且该过程属于基本同级、降级或循环利用的方式。随着技术的不断发展,梯次循环使用也是全球提倡低碳、环保发展的趋势,梯次利用是循环高质化利用的前端环节。笔者在分析安徽阜阳和上海崇明城桥镇农业废弃物资源化利用现状的基础上,构建出区域农业废弃物沼气工程全产业链物质流梯次利用和农作物秸秆还田资源化循环利用 2 种低碳模式。1 农业废弃物的分类农业废弃物是在整个农业生产过程中被废弃的有机类物质。按其来源,农业废弃物可分为种植业废弃物、养殖业废弃物、农业加工业废弃物、农村生活废弃物。农业废弃物通常分为畜禽粪便和农作物秸秆两大安徽农业科学,J.Anhui Agric.Sci.2023,51(3):209-212,252 类10。根据腐熟难度,农业废弃物可分为极易腐熟类、容易腐熟类和不易腐熟类 3 类;根据养分富含程度,农业废弃物又可分为养分偏高、养分中等、养分低和养分偏低等11。极易腐熟类农业废弃物有养分偏高的鸡粪、鸽粪和鹌鹑粪,养分中等的羊粪和兔粪,养分低的猪粪、牛粪和马粪。容易腐熟类农业废弃物有养分低的农作物秸秆(如稻秆、麦秆、油菜秆等)和养分偏低的花生藤、番薯藤等。不易腐熟、养分偏低的农作物秸秆有棉花秆和黄豆秆等。不易腐熟、养分偏低的农作物秸秆有玉米秸秆等。农业废弃物的细化分类如图 1所示。图 1 农业废弃物的细化分类 Fig.1 The classification of agricultural wastes 由于农业废弃物来源不同,其理化性质存在很大差异,但也有共同特点。从物理特性来看,农业废弃物普遍具有表面密度小、韧性大以及抗拉、抗弯、抗冲击能力强的特点。植物类废弃物干燥后对热、电的绝缘性和对声音的吸收能力较好,且具有较好的可燃性。从化学特性来看,C、H、O 的含量为65%90%,还含有丰富的N、P、K、Ca、Mg、S 等元素。从有机化学特性来看,农业废弃物可分为天然高分子聚合物和天然小分子化合物。天然高分子聚合物包括纤维素、半纤维素、淀粉、蛋白质、天然橡胶、果胶和木质素等;天然小分子化合物包括生物碱、氨基酸、单糖、抗生素、脂肪、脂肪酸、激素、酮类、甾体化合物、萜烯类和各种碳氢化合物等12。2 安徽阜阳农业废弃物资源化梯次利用低碳模式安徽阜阳阜南县龙王乡针对畜禽粪污及其他有机废弃物,以厌氧发酵技术为核心,采用碳、氮、磷梯次利用工程技术和有机废弃物能肥联产物质流梯次利用循环技术,集成创新畜禽粪污收储运、预处理技术、高效厌氧发酵碳转化技术、发酵残余物碳、氮、磷等养分农田回用再循环利用等关键技术,实现了农业废弃物综合转化和生物天然气产业联动技术体系产业化应用13。畜禽粪污生物质废弃物初步利用容易产生二次污染问题,全面提升生物质废弃物厌氧消化产物品质。沼渣具有固态有机缓释肥的性质,可作为农田基肥;沼液可喷洒农田用作叶面肥,C、N、P 营养回收利用,反哺农田。在此基础上,构建出区域农业废弃物沼气工程全产业链物质流梯次利用循环模式,如图 2 所示。在安徽区域农业废弃物沼气工程全产业链物质流梯次利用循环模式中,产生的生物天然气除保障居民日常用气外,余量还可用来发电。生物天然气本身替代燃煤可以减碳40%以上,减碳量远大于自身因电力消耗所排放的二氧化碳量。畜禽粪污经济高效资源化利用采用成套关键装备,突破“减量化收集、稳定化运行和高值化利用”技术瓶颈。通过研制刮板干法清粪、粪污水两级固液分离、高浓度粪污收集等源头减量化成套装备,实现污水减量 60%以上;通过研发沼液浓缩、储存池防渗就地改造、粪水农田均匀喷灌等技术,保障了液肥经济安全输送、贮存和施用;通过创新设计干法厌氧发酵、自动翻料好氧发酵等高含固率粪污无害化处理技术,处理效率提升 50%以上;通过开发好氧堆肥产品、厌氧沼气/沼液产品多元化利用系列新技术,促进末端资源化产品常年高效、稳定、安全利用。通过资源化梯次利用,通过粪污生态还田技术,保障种养平衡,可以增加土壤有机质含量,避免土壤板结。通过该模式多维可控生物天然气先进技术处理,生物天然气甲烷含量达到 96%,促进并保障了区域生态农业循环、生态环境保护和农村能源产业的绿色可持续发展。通过分析图 2 模式中物质流动情况发现,该模式中营养物质在种植业和养殖业之间形成了良性循环流动,体现了生态农业和有机农业种养有机平衡的理念,在此理念框架下得出农业系统内种养结合资源化物质流动梯次循环利用流程,如图 3 所示。图 3 中种植业和养殖业有机平衡,种养结合在系统内物质流资源化梯次循环利用,用地和养地结合,形成种养物质循环。将种植业产生的秸秆类资源送至生物质加工单元加工后,与养殖业产生粪便污水的 2 个环节废弃物收纳在废弃物处理单元,通过该单元厌氧发酵产生沼液、沼渣,生成速效叶面肥和缓释固态有机肥,营养物质 N、P、K 和有机碳重新回归到土壤,土壤消纳有机废弃物,同时土壤有机质含量增加,土壤碳氮比增加。通过畜禽粪便厌氧发酵后还田,促进012 安徽农业科学 2023 年了有机碳的固定和储备,同时促进了土壤孔隙发育和土壤团聚体稳定。畜禽粪便中含有一定量的氮和磷,厌氧发酵后作为固态有机肥返田,可提高土壤有机碳含量,减少化肥用量,平衡养分供应,改善土壤保水保肥以及缓冲性能,防止养分流失,提升土壤地力,提高