農業廢棄物基質化利用

趙佳穎 周晚來 戚智勇

摘要：指出了農業廢棄物排放量日益增加但綜合利用率較低是我國農業生產現狀，利用數據計算了我國農業廢棄物的營養物質含量和近年農業廢棄物秸稈排放量，充分說明我國農業廢棄物基質化利用在減少化肥、緩解土地約束力、提高作物產量和實現農業經濟循環4方面的價值和意義。通過對比好氧發酵和炭化技術兩種基質化途徑，得出了我國目前農業廢棄物基質化應用中原料來源參差不齊、重復利用率低、產品缺乏創新和缺乏與新技術手段融合等的5方面問題，為此，提出了未來農業廢棄物規模化、集約化、科技化發展的新方向。

關鍵詞：農業廢棄物;基質;發酵;炭化

中圖分類號：X71 文獻標識碼：A文章編號：1674-9944（2019）22-0232-04

1 引言

近年來，隨著農業技術的發展，農業廢棄物的排放呈現出日益增長的態勢，農業廢棄物的收集、管理和利用已成為世界各國共同面臨的生態環境問題。據估計，我國每年產生的農業廢棄物高達70×10⁸t[1]，合理利用這些農業廢棄物，將其轉化為我國循環經濟的“原料”，對促進我國農業綠色增產增效、改善我國生態環境具有重要的意義。

2 農業廢棄物的內涵

在農業生產過程中被丟棄的有機類物質稱為農業廢棄物[2]。根據其來源，農業廢棄物分為植物類、動物類、農副產品加工生產類和農村城鎮生活類廢棄物[3];根據其性質，農業廢棄物可分為植物性纖維廢棄物和動物性纖維廢棄物;而根據其形態，農業廢棄物可分為固態、液態和氣態廢棄物[4]。隨著現代農業等的發展，農業廢棄物的產生源頭從農村地區擴展到了城市，其內涵也逐步擴展到了包括種植廢棄物、養殖廢棄物、園林廢棄物、餐廚垃圾、生活垃圾等在內的各種有機廢棄物。

作物秸稈是最具基質化利用潛力的農業廢棄物。作物秸稈種類繁多，除了水稻、小麥、玉米等大宗農作物，大麥、豆類、薯類、棉花等也產生了大量的秸稈，這些秸稈比較分散，很難準確統計及產生量，因此，本文根據中華人民共和國國家統計局《中國統計年鑒》（2009-2016年）公布的我國農作物產量年度數據和《農業技術經濟手冊（修訂版）》公布的秸稈系數，計算了我國2016年農作物秸稈理論資源總量，以為評估我國的秸稈資源總量提供參考[5]。本文采用的計算公式如下：

式（1）中，尸代表我國農作物秸稈理論資源總量，單位為億t/a;i代表農作物種類編號;γi表示第i種作物的秸稈系數（草谷比）;Gi代表某種作物的年產量，單位為萬t/a。計算結果如表1所示口

根據表1，2016年我國農作物秸稈理論資源量達9.53×10⁸t，與1991年秸稈理論資源量5.52×10⁸t相比，增加了72.6%。

3 農業廢棄物基質化利用的意義

農業廢棄物基質化利用是指將農業有機廢棄物通過無害化和穩定化處理，經過適當的配方過程，產生用于作物栽培基質的過程，是極具開發前景的農業廢棄物利用途徑。

3.1 減少化學肥料投入

2017年，我國的化學氮肥施用量達到2221.8×10⁴t，磷肥施用量797.6×10⁴t，鉀肥施用量619.7×10⁴t，復合肥施用量2220.3×10⁴t[5]。而農業廢棄物中含有大量的氮、磷、鉀、鈣、鎂等元素，如表2所示，這些廢棄物中含有的氮元素高達2857.4×10⁴t，磷元素633.6×10⁴t，鉀元素3162.7×10⁴t，遠遠超過了當年的化肥消耗量，如果有效利用，可大量減少我國化學肥料的使用，是實現我國“化學肥料零增長”的重要途徑。

3.2 提高作物產量

農業廢棄物中含有豐富的營養元素和粗纖維等化合物，通過基質化處理后形成的高品質栽培基質有利于提高作物產量。近年來，國內外許多學者對基質化利用農業廢棄物提高作物產量進行了大量的研究，例如作物秸稈、畜禽糞便、稻殼等農林廢棄物中都富含大量的木質纖維素等粗纖維有機物質，有效分解后可轉化為腐殖質等有機營養物質，為植株生產提供長效肥源。農業廢棄物基質化后作為植株栽培基質，具有支持、固定植株的作用，腐熟后再添加適合的基質調節劑可配制出滿足根系生長所需的水、氣、肥等穩定條件，為植物生長提供適宜的理化環境，減少植物病蟲害，保證植株高產、穩產。劉偉等利用爐渣、菇渣、鋸末和玉米秸稈混配有機質在智能溫室中進行番茄栽培，結果顯示基質栽培較土壤栽培增產37.4%[6]。李謙盛、卜崇凡等用混配后的菇渣基質栽培的網紋瓜，不僅平均單重比草炭和珍珠巖混合基質的對照組增產0.25kg，瓜的等級也從2級提高到1級[7]。

3.3 緩解土壤資源約束

我國是世界上的人口大國，但我國的人均耕地面積遠低于世界人均耕地水平，統計結果顯示2017年我國人均耕地面積僅有0.097hm²/人，遠低于世界人均耕地面積0.193hm²/人。一直以來，我國農業生產片面追求農作物產量而忽視了對土地資源的保護，大量施用化肥和除草劑，導致土壤肥力下降，甚至嚴重的重金屬污染，而近年來我國快速發展的城市化進程進一步減少了我國的耕地面積，導致我國耕地資源更加稀缺。發展無土栽培是解決耕地資源短缺的有效途徑，通過農業廢棄物基質化利用，生產大量用于無土栽培的高品質基質，可緩解土壤資源對農業生產的約束。

3.4 實現循環經濟

農業發展面臨著資源、生態、環境、能源等多方面的嚴峻挑戰，而農業廢棄物基質化利用是實現“農業廢棄物一基質化利用一動/植物一農業廢棄物”農業生產循環體系的重要步驟，是以經濟效益為驅動力，以生態、科學的基質化技術為基礎，以可持續協調發展和經濟循環為目的的廢棄資源循環利用方式，是逐步實現我國農業經濟循環和農村可持續發展的重要措施。

4 農業廢棄物基質化處理的主要技術途徑

4.1 好氧堆肥技術

堆肥技術是把農業廢棄物與添加劑按比例混合，調節物料含水率、在通氣條件下利用微生物代謝降解有機質、分解酚類等有毒物質，同時殺死堆肥中病原菌、草籽，最終產生穩定有機質的過程[8]。根據堆肥過程中微生物的需氧情況不同，微生物發酵技術還可以分為好氧堆肥技術和厭氧發酵技術。好氧堆肥過程中微生物代謝活動會大量放熱，促使堆體溫度升高到50-65℃，能最大限度地殺滅病原菌，同時提高降解速率，因此高溫好氧堆肥成為了應用最為廣泛的農業廢棄物基質化處理技術[9]。

靜態、半靜態、動態堆肥是好氧堆肥技術的三種形式。靜態好氧堆肥缺少翻堆這一環節，因此發酵裝置較簡單，投資成本較低。但是由于靜態堆肥堆體內部容易接觸不到氧氣，缺氧環境下導致物料易板結，微生物繁衍也因此受限，發酵速率低，發酵周期較長，堆肥品質差。而且靜態好氧堆肥堆體面積較大，為滿足堆體充足通風，使用的設備內需含有比動態堆肥設施多的供風和引風機，設施占地面積大于動態堆肥設施，更適合于場地不受限的地區。動態好氧堆肥相比靜態堆肥，物料通過粉碎和充分攪拌后可以均勻地接觸氧氣，促進微生物代謝繁殖，堆肥周期也大大縮短，農業廢棄物降解速度更快，因此動態好氧堆肥技術的使用率更高。例如北京阿蘇衛垃圾堆肥處理廠的筒式發酵裝置是目前我國處理能力最大，處理速度最快的發酵裝置，每天廢棄物處理量可高達2000t，發酵周期僅需要2d，而半靜態機械翻堆條形堆肥的發酵周期需要21d，二級靜態堆肥周期需要70～90d[10]。動態堆肥與靜態堆肥在具備同樣容納量的處理設施中，動態堆肥的耗時遠少于靜態和半靜態，所以耗電量差異顯著。動態堆肥設施占地面積相對小，可實現全自動化，勞動力成本也較少，但動態好氧堆肥機械成本高，所以更適合于土地稀缺的發達地區。

4.2 低溫炭化技術

低溫炭化是指在無氧或低氧的環境下，通過熱裂解（<700℃）有機物產生生物質炭、可燃氣、生物油等可利用物質的技術方法。農業廢棄物原料經低溫炭化后，體積變小，自身所帶的病原菌等有害物質也被殺死。其主要產物生物炭具有質量輕、表面多孔隙，有較大的比表面等特點，既可以儲存充足的水分和養分，也可為植物根系呼吸作用提供充足的氧氣和吸收養分的空間，為微生物代謝提供一個好的場所，且陽離子交換能力較強，可最大程度減少養分淋失，是可代替草炭進行植物育苗和栽培的高品質基質。

根據炭化原理，農業廢棄物低溫炭化技術可分為熱裂解法、水熱炭化法和微波炭化法[11]，其中熱裂解法是其中最常用的一種方法。水熱炭化技術是荷蘭在20世紀80年代發明的一種熱轉化技術，該技術是把具有固定含水率的生物質在反應器特定溫度和壓力下，生成固體和液體并產生氣體產物的過程，與熱裂解炭化法相比，水熱炭化少了原料預處理階段的干燥原料步驟，因此當農業廢棄物含水量較高時，采用水熱炭化法進行生物炭的制備就無需干燥環節，節約了大量的勞動力，降低了炭化設備的成本。無論是熱解炭化還是水熱炭化，都需要保持對加熱爐的持續加熱和保溫，而微波炭化法是利用頻率為300MHz～300GHz的電磁波在完全無氧或少量氧氣的條件下作用于農業廢棄物，使其分子內外產生劇烈振動發熱從而制備生物質炭的過程，不需要對反應爐進行加熱，相比較傳統炭化方法，微波炭化法受熱均勻，沒有額外的熱量損失，所以加熱速度快，能源消耗少[12]。在追求降低勞動力和時間成本，提高能源利用率和實現全自動化炭化的選擇上，微波炭化法具有優勢。彭金輝等利用農林廢棄物為原料，利用微波炭化法，僅幾分鐘就可快速完成傳統工藝的預熱、干燥、炭化和活化四個工藝環節，制得優質生物質炭[13]。

5 農業廢棄物基質化利用出現的問題及發展途徑

5.1 農業廢棄物來源廣泛，產品一致性差

除了不同種類的農業廢棄物存在巨大的理化性狀差異，即使同一種類的農業廢棄物，由于品種、來源等原因，在碳含量、含氮量、干濕情況、重金屬含量等理化性質上也存在著巨大的差異，這些理化性質的參差不齊會導致發酵腐熟進度和程度上的差異，降低基質化速率并影響堆肥產品的品質。對農業廢棄物原料實施科學有效的收集和分類，對性質差異大的農業廢棄物實施針對性處理，是提高農業廢棄物基質產品品質的關鍵。

5.2 農業廢棄物成分復雜，可控性差

農業廢棄物組成較復雜且理化性狀相差巨大。多數農業廢棄物中還存在著一些不穩定、難降解的粗纖維以及酚類等有害物質，如果處理不充分就用作栽培基質會影響植物的正常發育，阻礙植物根系對營養元素的吸收。因此在研究農業廢棄物中木質纖維素物質對農業廢棄物基質化處理結果和效率上具有關鍵作用。MohdHuzairi MohdZainudin研究表明在整個堆肥過程中添加增稠的POME污泥可同時為木質纖維素OPEFB的生物降解提供營養物和微生物來源，這可以減少堆肥期，從而提高堆肥生產的生產率[14]。

5.3 基質重復利用率低

農業廢棄物基質制備成本較高，若可多次重復利用就可降低其制備和使用成本，使基質化生產低成本化、基質的使用更符合社會經濟條件。然而，任何基質在使用后，基質內部理化性質都會有所改變。這種變化受栽培和養殖作物本身、內外環境、微生物種類及含量和施肥等因素影響。程智慧等人把栽培一茬辣椒的有機基質混合泥炭、玉米秸稈和牛糞等農業廢棄物共腐熟后用于大白菜、辣椒、番茄三種蔬菜的栽培，結果顯示用栽培了一茬作物后復配的農業廢棄物基質種植三種蔬菜的出苗率和效果都優于以泥炭為主成分的鮮配育苗基質，說明農業廢棄物基質化再利用切實可行[151。因此在農業廢棄物基質化研究上應注重如何把使用過的舊基質進行處理后重新利用，實現封閉式循環利用。

5.4 基質化產品缺乏創新

隨著農業廢棄物基質化逐漸得到重視，未來大規模的基質化生產、流通和異地運輸都對基質化產品有更高的要求。但是目前我國研究并投人生產的農業廢棄物基質化產品在規模化生產和異地運輸過程中容易受外部環境條件影響，導致基質產品內部溫度忽高忽低、板結和營養元素揮發等問題，不利于后期的作物栽培。因此，創新和發展保水性能好，形狀穩定，內部溫度恒定且可以固化成型的基質化產品是方便運輸和使用，避免板結、營養成分揮發等問題的未來基質化發展之路。

5.5 缺乏對高科技手段的利用

農業廢棄物基質化處理各階段的影響因素較多，以好氧堆肥為例，隨著發酵的發生，農業廢棄物的水分、pH值和微生物活性等都處于動態變化的狀態，需要對農業廢棄物基質化處理的溫度、含水率、酸堿性、有毒物質等進行實時數據收集和調控，以免基質化速率和效率受影響。因此運用大數據分析，分子識別、DNA識別、智能化管理等高科技手段，可以及時捕捉農業廢棄物基質化處理中溫度、水份、微生物生理活性的變化，并對搜集的數據進行儲存、處理和分析，辨別出需要作出調整的成分和調整量，再通過智能化控制系統進行自動化調控。通過把農業廢棄物基質化與GPs等系統結合，還可以實現在異地客戶端對基質化過程的實時監控和調節，從而減少勞動力投入，實現“一人管一個工廠”的科技化、集約化發展目標。

參考文獻：

[1]許修宏，李洪濤，張迪.堆肥微生物原理及雙孢蘑菇栽培[M].北京：科學出版社，2010.16.

[2]孫振鈞，袁振宏，張夫道，等.農業廢棄物資源化與農村生物質能源戰略研究報告[R].北京：國家中長期科學和技術發展戰略研究院，2006：6～13.

[3]孫振鈞，孫永明.我國農業廢棄物資源化與農村生物質能源利用的現狀與發展[J].中國農業科技導報，2006，8（1）：6～23.

[4]彭靖.對我國農業廢棄物資源化利用的思考[J].生態環境學報，2009，18（2）：794～798.

[5]中國國家統計局.中國統計年鑒[M].北京：中國統計出版社，2016.

[6]劉偉，余宏軍，蔣衛杰.溫室番茄長季節無土栽培技術的研究[J].中國蔬菜，2000，1（21）：7～10.

[7]李謙盛，卜崇興，張艷等.菇渣發酵園藝基質的理化性狀和應用效果[J].中國土壤與肥料，2006（5）：56～58.

[8]馮康，趙立欣.孟海波，等.序批式好氧發酵一體化反應器的研制與驗證[J].環境工程學報，2018，12（8）：2395～2402.

[9]李艷霞，王敏健，王菊思.有機固體廢棄物堆肥的腐熟度參數及指標[J].環境科學，1999，20（2）：98～103.

[10]張永濤.有機固體廢棄物堆肥的腐熟度研究[D].楊凌：西北農林科技大學，2009.

[11]李保強，劉鈞，李瑞陽，等.生物質炭的制備及其在能源與環境領域中的應用陰[J].生物質化學工程，2012，46（1）：34-38.

[12]李斌，谷月玲，嚴建華，等.城市生活垃圾典型組分的熱解動力學模型研究[J].環境科學學報，1999，19（5）：562-566.

[13]彭金輝，張利波，張世敏，等.綜合利用煙桿廢料制取優質活性炭[J].林產化學與工業，2002，22（3）：85-87.

[14]Mohd H M Z，Mohd A H，Mitsunori Tokura，et al.Indigenous-cellulolytic and hemicellulolytic bacteria enhanced rapid cc-com-posting of lignocellulose oil palm empty fruit bunch with palm oilmill effluent anaerobic sludge[J].Bioresource Technology，2013（147）：632～635.

[15]程智慧，于艷輝，張慶春.辣椒栽培有機基質在蔬菜育苗中的二次利用初探[J].西北農業學報，2010，19（4）：123～126.

收稿日期：2019-10-14

作者簡介：趙佳穎（1996-），女，碩士研究生，研究方向為城市生態代謝與廢棄物資源化。

通訊作者：戚智勇（1980-），男，副教授，研究方向為城市生態代謝與廢棄物資源化。