农业废弃物资源化技术.docx

1、农业废弃物资源化技术农业废弃物资源化技术讲义 Agricultural Waste Utilization Technology001 什么是农业废弃物？农业废弃物也称为农业垃圾， 是指农业生产和农村居民生活中不可避免的非产品产出， 具有 数量大品种多形态各异、可储存再生利用、污染环境等特性。主要包括植物性纤维性废弃物 （农作物秸秆、 谷壳、果壳及甘蔗渣等农产品加工废弃物 ）和动 物性废弃物 （畜禽粪便、冲洗水、人粪尿 ） 。002 固体废物 概念：指在生产、生活和其他活动中产生的丧失原有利用价值或者虽未丧失利用价值但被抛 弃或放弃的固态、半固态和置于容器中的气态的物品、物质以及法律、行政法规

2、规定纳入固 体废物管理的物品、物质。相对性：时间（昨日废物明日的资源） 空间（过程于场所的改变） “放错地方的资源”003 农业固体废物 概念：是农业生产和再生产链环中资源投入与产出在物质和能量上的差额， 是资源利用过程 中产生的物质能量流失份额。 一般意义上的农业废物主要是指农业生产和农村居民生活中不 可避免的一种非产品产出。 从资源经济学的角度上看， 农业废弃物是某种物质和能量的载体， 是一种特殊形态的农业资源。分类（来源）农业（种植业）林业（？）畜牧业（养殖业）副业（农村生活垃圾等）渔业004 农业废弃物资源化的意义从资源经济学上讲， 它是一种特殊形态的农业资源， 如何充分有效地利用将其

3、加工转化不仅 对合理利用农业生产和生活资源、减少环境污染、改善农村生态环境具有十分重要的影响， 而且对能源日益枯竭的今天具有重大意义。005 农业固废的共同特点可再生性 来源于农作物和畜禽，具有生命周期性，属于可再生的物质。可利用性 属于有机物质，富含多种有机成分，如纤维素、半纤维素和木质素等，具有可 转化为再生资源的基础。可储存性 可以收集、贮存和运输，提供了开发利用的条件。污染性 处置不当，造成污染，大气、土壤、水的污染。太阳能的载体 生物质资源是固化二氧化碳和太阳能的载体，其燃烧产生热量，发酵产生沼气即是太阳能的转化。006 农业废弃物资源化的形式肥料化: 农业废弃物肥料化利用是一种非常

4、传统的用方式，分为直接利用和间接利用。 直接利用是一种最直接最省事的方法，在土壤中通过微生物作用，缓慢分解，释放出其中的 矿物质养分，供作物吸收利用，分解成的有机质、腐殖质为土壤中微生物及其他生物提供食 物，从而一定程度上能够改善土壤结构、培育地力、增进土壤肥力、提高农作物产量，但自 然分解速度较慢，尤其是秸秆类废弃物腐熟慢，发酵过程中有可能损害作物根部。 间接利用是指废弃物通过堆沤腐解 （ 堆肥） 、烧灰、过腹、菇渣、沼渣、或生产有机生物复合 肥等方式还田。堆沤腐解 高温堆腐，烧灰还田，过腹还田粪肥还田，菇渣还田，沼渣还田，生产有 机生物复合肥（商品化流通、高效利用方式）饲料化: 农业废弃物

5、的饲料化主要包括植物纤维性废弃物饲料化和动物性废弃物饲料化。 植物纤维性废弃物主指秸秆类物质， 秸秆中的木质素与糖结合在一起使得瘤胃中的微生物及 酶很难分解，并且蛋白质低及其他必要营养缺乏，导致直接饲喂不能被动物高效吸收利用， 需要对其进一步的加工处理改进其营养价值、提高适口性和利用率。机械加工、辐射、蒸汽、热喷膨化等物理处理， NaOH氨化、Ca（OH）2-尿素、氧化等化学处理，青贮、微贮、发酵、酶解等生物学处理。饲料化植物纤维处理案例分析 （分析如下两个实例中饲料化技术的异同 ?） 孙清等采用黑曲霉、 白地霉组合菌株对榨汁后的甜高粱茎秆渣及发酵残渣进行发酵， 所得蛋 白饲料的粗蛋白含量由

6、2.01%提高到 21.43%，粗纤维由 12.37%降为 2.34%； 英国 Aston 大学的研究者从农作物秸秆中筛选出一种白腐菌属真菌， 它能降解木质素， 但不 能降解纤维素，用这种真菌发酵农作物秸秆，能最大限度地提高农作物秸秆的消化率，使农 作物秸秆的消化率从 9.63%提高到 41.13%，效果极为明显。据粗略测算，如果我国秸秆资源的 40%用于发酵饲料，就会产生即相当于 112亿 t 粮食的饲 用价值。能源化农业废弃物的能源化利用主要分为厌氧发酵及直燃热解两个方向。 厌氧发酵分为制沼气和微生物制氢技术； 厌氧发酵制沼气技术是指农业废弃物经多种微生物厌氧降解成高品位的清洁燃料沼气 （

7、甲烷 含量 50%-70%及） 副产品沼液和沼渣的过程。微生物制氢技术是指利用异养型的厌氧菌或固氮菌分解小分子的有机物制氢的过程， 是农业 废弃物利用非常具有潜力的方向 直燃热解又分直燃和热解两方面。直燃作为一种传统获得热能的技术一直存在，例如使用秸秆（其能源密度能达到 13376-15466kJ/kg） 和草原地区牛马粪便直燃做饭、取暖； “贫用福弃”。现阶段直燃有表现为生物质固体成型燃料供热与发电和有机垃圾混合燃烧发电。 农业废弃物通过热解技术可以转化为清洁的气体燃料、 热解油和固体热解焦， 热解液体经过 加工制备生物柴油、生物汽油或者生产酸、醇、酯、醚等，固体热解焦由于空隙发达、比表 面

8、积较大可作为吸附材料用于环境污染治理，或者作为燃料供热解所需的热源。基质化 基质化是指利用经适当处理的农业废弃物作为农业生产 （ 如栽培食用菌、花卉、蔬菜等，及 养殖高蛋白蝇蛆、蚯蚓等 ） 的基质原料。关键在于原料的选取及配比，和原料的前处理。 玉米秸、稻草、油菜秸、麦秸等农作物秸秆，稻壳、花生壳、麦壳等农产品的副产物，木材 的锯末、树皮等，甘蔗渣、蘑菇渣、酒渣等二次利用的废弃有机物，鸡粪、牛粪、猪粪等养 殖废弃物都可以作为基质原料。材料化 农业废弃物中的高蛋白资源和纤维性材料可以生产多种生物质材料和农业资料。 秸秆作为纸浆原料、保温材料、包装材料、各类轻质板材的原料，可降解包装缓冲材料、编

9、织用品稻壳作为生产白碳黑、炭化硅陶瓷、氮化硅陶瓷的原料 棉籽加工废弃物清洁油污地面； 或棉秆皮、 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甘蔗渣、玉米渣等二次利用废弃物制取膳食纤维食品，提取淀粉、木糖醇、糖醛等 废旧农膜、编织袋、食品袋等经过一定的工艺处理后作为基体材料， 同时加入适当的添加剂， 通过一定的处理和复合工艺形成以球 - 球、球-纤维堆砌体系为基础的复合材料。生态化 生态农业的基本原理 生态农业一词最初是中美国土壤学家 W Albreche 于 1970 年提出的， 1981 年英国农学家 MWorthington 将生态农业明确定义为： “生态上能自我维持、

10、低输入，经济上有生命力， 在环境、伦理和审美方面可接受的小型农业”。克服石油农业所带来的危机，其中心思想是企图将农业建立在生态学基础上而不是化学基础 上，但西方替代农业出现了一些片面遏制化学物质投入的极端做法。六个“化”的启发针对农业废弃物的特性应用现代的生物工程技术提升农业废弃物的肥料化、 饲料化、能源化、基质化及工业原料化水平，使技术上向机械化、无害化、资源化、高效化、综合化发展， 产品上向廉价化、商品化、高质化、多样化和多功能化靠拢。物尽其用、变废为宝、高效利用废弃物达到消除污染、改善农村生态环境、促进农业可持续 发展的目标。007农业固体废物产生与现状农业废弃物主要包括农作物秸秆、畜禽

11、粪便、农膜、农村生活垃圾等。目前，我国每年仅作物秸秆量就达 7亿吨，7亿吨秸秆中的氮磷钾养分含量相当于 400多万 吨尿素，700多万吨过磷酸钙和700多万吨硫酸钾。相当于目前我过化肥施用量的四分之一。 如果能够还田50%，就相当于投入化肥900多万吨。但因缺乏相应的技术和设备来加以利用，其中的 2/3只能废弃或焚烧。008固体废物污染防治的“三化”原则我国固体废物污染控制工作起步较晚，开始于 80年代初期。由于技术力量和经济力有限， 近期内还不可能在较大的范围内实现“资源化”。我国于80年代中期提出了以“资源化”、“无害化”、“减量化”作为控制固体废物污染的技术政策，并确定今后较长一段时间内

12、应以“无害化”为主。我国固体废物处理利用的发展趋势必然是从“无害化”走向“资源化” ，.“资源化”是以“无害化”为前提的一, “无害化”.和“减量.化”则应以二资源化”为条件。 009减量化就是通过适宜的手段减少固体废物数量、体积，并尽可能地减少固体废物的种类、 降低危险废物的有害成分浓度、减轻或清除其危险特性等，从“源头”上直接减少或减轻固 体废物对环境和人体健康的危害， 最大限度地合理开发和利用资源和能源。 是防治固体废物 污染环境的优先措施010资源化就是指采用适当的技术从固体废物中回收有用组分和能源， 加速物质和能源的循环，再创经济价值的方法。一切废物，都是尚未被利用的资源，是人类拥有

13、的有限资源的一部分，不能随意丢弃。工业发达国家已把固体废物资源化纳入资源和能源开发利用之中， 逐步形成了一个新兴的工 业体系：资源再生工程。目前，日本、西欧各国固体废物资源化率已达 60%左右，我国仍很低。011概念：无害化是指对已产生又无法或暂时尚不能资源化利用的固体废物，经过物理、化 学或生物方法，进行对环境无害或低危害的安全处理、处置，达到废物的消毒、解毒或稳定 化，以防止并减少固体废物的污染危害。012农业废弃物肥料化技术利用微生物的新陈代谢作用使固体废物分解、矿化或氧化的过程，称为固体废物的生物处理 技术。作用：可将大量的固体废物通过各种工艺转换为有用的物质和能源。013生物转化技术

14、就是利用微生物的分解、转化将固体废物中易于生物降解的有机组分转化 为腐殖肥料、沼气或其他化学转化品，从而达到固体废物无害化的一种处理方法。(一)堆肥化的定义与分类堆肥化(Composting)是在控制 条件下，使来源于生 物的有机 废物发生生物 稳定作用 (Biostablizatio n) 的过程。具体讲就是依靠自然界广泛分布的细菌、放线菌、真菌等微生物，在一定的人工条件下，有控制地促进可被生物降解的有机物向稳定的腐殖质转化的生物 化学过程，其实质是一种发酵过程。废物经过堆肥化处理，制得的成品叫做堆肥 (Compost )。它是一类棕色的、泥炭般的腐殖质 含量很高的疏松物质，故也称为“腐殖土

15、” 。014分类：根据堆肥化过程中氧气的供应情况可以把堆肥化过程分成两种。1、 好氧堆肥(高温堆肥)：在通气条件好，氧气充足的条件下通过好氧微生物的代谢活动降 解有机物。特点：一般在5560T时比较好，有时可高达8090C,堆制周期短，也称为高温堆肥或 高温快速堆肥。2、 厌氧堆肥：是在氧气不足的条件下借助厌氧微生物发酵堆肥。特点：堆制温度低，工艺较简单，成品堆肥中氮素保留比较多，但堆制周期过长，需 312个月，异味浓烈，分解不够充分。015 (二)好氧堆肥原理(1)中温阶段(产热或起始阶段)堆制初期，1545C,嗜温性微生物利用堆肥中可溶性有机物进行旺盛繁殖。温度不断 上升，此阶段以中温、需

16、氧型微生物为主，一些无芽抱细菌，真菌和放线菌。在目前的堆肥 化设备中，此阶段一般在12小时以内。(2)高温阶段45 C以上，嗜热性微生物为主，复杂的有机物如半纤维素、纤维素和蛋白质等开始被强烈分解。50C左右主要是嗜热性真菌和放线菌；60 C时，几乎仅为嗜热性放线菌和细菌在活动；70 C以上大多数嗜热性微生物不适应，大批死亡、休眠。大多数微生物在4565C范围内最活跃，所以最佳温度一般为 55C，最易分解有机物，病原菌和寄生虫大多数可被杀死。(3)降温阶段(腐熟阶段)在内源呼吸后期，只剩下部分较难分解的有机物和新形成的腐殖质，此时微生物的活性下降， 发热量减少，温度下降。嗜温性微生物又占优势，

17、腐殖质不断增多且稳定化，堆肥进入腐熟 阶段，需氧量和含水量降低。降温后，需氧量大大减少，含水率也降低。堆肥物孔隙增大，氧扩散能力增强， 此时只须自然通风，最终使堆肥稳定，完成堆肥过程。016堆肥无害化的机理一一热灭活理论好氧堆肥化能提供杀灭病原体所需要的热量， (病原体)细胞的热死主要是由于酶的热灭活所致。其依据的理论主要是热灭活理论。热灭活有关理论指出：(1)温度超过一定范围时，以活性型存在的酶将明显降低，大部分将呈变性 (灭活)型。细胞会失去功能而死亡。(2)热灭活作用是温度与时间两者的函数，即经历高温短时间或者低温长时间同样有效，如 下表所示。(3)在低温下，灭活是可逆的；而在高温下，则

18、是不可逆的。实际因素会限制热灭活效率，所以实际操作时，堆肥无害化温度一时间条件要比理论上更高 一些。即在较高的温度维持较长时间，才能达到无害化要求。017影响堆肥化的因素(1)化学因素1C/N和C/P比：初始物料的C/N比在30:1较好，最佳为25:135:1; C/P比在75150为宜。 为保证成品肥料中的C/N比为1020:1，初始原料的一般C/N比都高于最佳值，多为35:1。2氧浓度:适宜的氧浓度为18%最低不应小于8%3营养元素：足够的K和微量元素对于微生物的新陈代谢是必须的，一般它们不是限制条件。4pH值：堆肥微生物最佳的pH=5.58.5。（2）物理因素1温度：一般认为最佳温度在5

19、065C之间。2颗粒尺寸：适宜的粒径范围是1260mm3含水率:堆肥原料的最佳含水率通常是在 50%60%018堆肥的基本工序1、 前处理以城市生活垃圾为堆肥原料时，包括破碎、分选、筛分等工序；以家畜粪便、污泥等为堆 肥原料时，主要任务是调整水分和碳氮比，或者添加菌种和酶制剂，以促进发酵过程正常或 快速进行。降低水分、增加透气性、调整碳氮比的主要方法是添加有机调理剂和膨胀剂。2、 主发酵（一次发酵）将堆肥化物料温度升高到开始降低为止的阶段，称为主发酵阶段（或主发酵期） 。堆肥过程的中温阶段和高温阶段，时间约 412天。3、 后发酵（二次发酵）将主发酵尚未分解的易分解和较难分解的有机物进一步分解

20、， 使之变成腐殖酸、氨基酸等较稳定的有机物，得到完全成熟的堆肥制品。也称为熟化阶段，堆肥过程的腐熟阶段，发酵 时间通常在2030天以上。4、 后处理分选以去除杂物，并根据需要再破碎。5、 脱臭化学除臭剂除臭、碱水和水溶液过滤、熟堆肥或活性炭、沸石等吸附剂过滤。例：土壤过 滤器。&贮存堆肥一般在春秋两季使用，夏冬两季生产的堆肥只能贮存，所以要建立可贮存6个月生产 量的库房。贮存方式可直接堆存在二次发酵仓中或袋装，要求干燥而透气。019堆肥过程的C/N比控制作用：保证成品堆肥中一定的碳氮比（一般为1020:1）和堆肥中使分解速度有序地进行。 适宜的C/N比范围：2535:1时发酵过程最快。过低（V

21、20:1），微生物的繁殖会因能量不足 受到抑制，导致分解缓慢且不彻底；另外，由于可供消耗的碳素少，氮素相对过剩，将变成氨气挥发，降低肥效。过高（40:1）,则堆肥施入土壤后，将会发生夺取土壤中氮素的现象， 产生“氮饥饿”状态，对作物生长产生不良影响。堆肥原料C/N比调整的方法：kG+G堆肥过程的水分（含水率）控制水分的调整方法：最佳含水率为 5060%按质量计）。水分过多，易造成厌氧状态，并会产 生渗滤液的处理问题。水分低于 40%时，微生物活性降低，堆肥温度随之下降。条垛式系 统和反应器系统， 65%;强制通风静态垛系统， 150mg/L,发酵受抑制。(5)酸碱度、pH值和发酵液的缓冲作用水

22、解、发酵菌及产氢产乙酸菌对 pH 值的适应范围大致为 56.5 ，而甲烷菌对pH值的适应范围为6.67.5之间。发酵液中的碳酸及氨的存在，使其具有一定的缓冲性。 碱度指沼气发酵液结合H+的能力，是衡量发酵体系缓冲能力的尺度，由碳酸盐 (CO32-)、重碳酸盐(HCO3-)、部分氢氧化物(HO-)组成，应在2000mg/L以上。(6)不同发酵基质上生长的发酵菌群种群不同031沼气发酵池的管理(1)装料：预先在池底铺一层熟污泥。(2)搅拌：每日三、四次，不使物料下沉。(3)温度：5060C，并保温。(4)供料：每日加入适当数量的原料。(5)水分：应保持相对稳定。(6)pH值：应取样分析并调节。(7

23、)沼气：初产沼气不纯，应放掉，直到所产沼气燃烧不熄为止032循环系统搅拌机械搅拌: 泵搅拌：用泵将消化污泥从池底抽出，加压后送至浮渣层表面或消化池不同部位进行循环搅 拌。一般只适用于小型消化池。螺旋桨搅拌：在一个竖向导流管中安装螺旋桨。水射器搅拌：水射器也称喷射泵。一般设置在池中心，用水泵将消化池底部的污泥抽出后压 入水射器的喷嘴，当污泥射入水射器的喉管时，形成很大的负压，将消化池内液面的消化液 吸入，通过扩散管从池子下部排出形成一个循环搅拌 。2沼气搅拌：气提式搅拌：将沼气压入设在消化池的导流管中部或底部，使沼气与消化液混合，含气泡的 污泥即沿导流管上升，起提升作用，使池内消化液不断循环搅拌。竖管式搅拌：在池内均匀布置若干根竖管，经过加压的沼气通过配器总管分配到各根竖管， 从下端吹出，起搅拌作用。气体扩散式搅拌：经过压