雙碳背景下農(nóng)林有機廢棄物資源化利用模式研究

甘福丁唐健甘貴作蔣湖波石媛媛潘波覃祚玉趙雋宇

(1.廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學研究院，廣西 南寧 530002；2.廣西優(yōu)良用材林資源培育重點實驗室，廣西 南寧 530002； 3.廣西電力職業(yè)技術學院，廣西 南寧 530200)

農(nóng)林有機廢棄物主要是農(nóng)林生產(chǎn)、加工、畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)村居民生活排放的有機廢棄物的總稱，主要包括植物纖維性廢棄物和畜禽糞污2大類。植物纖維性廢棄物又包括作物秸稈、林業(yè)生產(chǎn)剩余枝丫樹葉、木材加工剩余木皮邊角料、甘蔗渣等。

我國自2020年9月提出應對氣候變化的“雙碳”目標后，就正式進入了“雙碳”時代。“雙碳”目標的提出，為農(nóng)林有機廢棄物綜合利用迎來了重要的發(fā)展戰(zhàn)略機遇期。我國農(nóng)林有機廢棄物種類多、數(shù)量大、利用率偏低。在“雙碳”的背景下，探討農(nóng)林有機廢棄物資源化利用模式對實現(xiàn)“雙碳”目標具有重要的現(xiàn)實意義。

1 農(nóng)林有機廢棄物可利用性

我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)林有機廢棄物量多面廣。據(jù)統(tǒng)計和估算，全國農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量約為8.7×108t，畜禽糞便產(chǎn)量約為3.3×109t，林業(yè)廢棄物5×108t[1]。但是不同有機廢棄物，其來源、收集難易程度、利用方式、處理難度相差很大。農(nóng)林有機廢棄物可利用性對比情況見表1。

表1 農(nóng)林有機廢棄物可利用性對比

依據(jù)不同地域、品種類型、技術條件，農(nóng)林有機廢棄物資源化利用模式有多式多樣，但主要為能源化、飼料化、肥料化、原料化等模式。

2 農(nóng)林有機廢物資源化利用模式

2.1 能源化利用模式

能源化利用是減量化、無害化處理農(nóng)林有機廢棄物的主要途徑。另外作為一種生物質(zhì)能，具有實現(xiàn)負碳排放的潛力，是應對氣候變化戰(zhàn)略的關鍵組成部分[2]。農(nóng)林有機廢棄物能源化利用方式主要有直接燃燒、壓塊固化、氣化等。

2.1.1 直接燃燒

薪柴、枝丫樹葉、作物秸稈、木皮邊角料直接燃用是我國農(nóng)村傳統(tǒng)能源利用方式。由于其結構疏松，體積大，長距離運輸不經(jīng)濟，因此大多就地利用。

直接燃燒大致可分為爐灶燃燒、鍋爐燃燒和固型燃燒等。爐灶燃燒是最原始的利用方式，一般適用于農(nóng)村或山區(qū)分散獨立的家庭，燃燒效率低。鍋爐燃燒一般采用現(xiàn)代技術，適用于大規(guī)模利用，燃燒效率較高。

我國北方地區(qū)農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量大、覆蓋面廣、資源充足，打捆直燃是其能源化利用的一種有效方法。以秸稈收儲運體系為基礎，通過秸稈摟草機、收獲機、打包機作業(yè)，將田間秸稈收集、打捆成大圓包、小方包后，配送至秸稈直燃鍋爐進行集中供熱或工業(yè)生產(chǎn)使用。

直接燃燒發(fā)電是由鍋爐設備利用薪柴、秸稈、木皮邊角料、甘蔗渣直接燃燒生產(chǎn)蒸汽，再利用蒸汽推動汽輪發(fā)電系統(tǒng)進行發(fā)電的技術。該利用技術比較成熟，在原料充足的地方容易推廣。

2.1.2 壓塊固化

植物纖維性廢棄物分布不均，且不易運輸。將廢棄物壓塊固化是一種比較好的方法。通過一定的機械過程，將疏松結構的植物纖維性廢棄物用粉碎機粉碎，使用“固型燃料成型機”把粉碎的廢棄物加熱、壓制成“植物生物質(zhì)煤”，或利用干餾技術將其干餾變成“人工生物質(zhì)炭”[3]。制成商品性的炊事、供熱燃料，密度大，熱值高，燃燒時間長，并且便于運輸、存儲、銷售及燃用。

2.1.3 氣化

2.1.3.1 直接氣化

直接氣化是以農(nóng)林有機廢棄物為氣化原料，在缺氧條件下加熱，使之發(fā)生熱解氣化反應的能量轉化過程。此過程實質(zhì)是植物生物質(zhì)中的C、H、O等元素的原子，在一定反應條件下，變成CO、CH4、H2等可燃性氣體的分子，從而使植物生物質(zhì)中的大部分能量轉移到這些氣體中[3]。

直接氣化需要使用熱解氣化爐。熱解氣化爐以秸稈等植物纖維較多的有機物為原料，氣化成高品位氣體燃料?？扇夹詺怏w可用于農(nóng)戶集中供氣、鍋爐供熱、作物子實烘干、農(nóng)副產(chǎn)品加工，也可用于驅(qū)動內(nèi)燃機、熱氣機等動力裝置。固體副產(chǎn)品可用于制作“炭基肥”，促進秸稈炭化還田，發(fā)展綠色有機農(nóng)業(yè)。液體副產(chǎn)品可用作家畜消毒殺菌液或作物葉面肥等。

2.1.3.2 厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣

厭氧發(fā)酵實質(zhì)上是人畜糞尿、生活有機污水和植物莖葉等有機物質(zhì)在一定的濕度、溫度和厭氧條件下，經(jīng)微生物發(fā)酵生成的一種清潔、優(yōu)質(zhì)、高品位的沼氣燃料的過程。糖廠、酒精廠等輕工食品加工過程產(chǎn)生的有機污水也是沼氣發(fā)酵的優(yōu)質(zhì)原料。

作物秸稈也可以作為沼氣發(fā)酵原料，而且原料產(chǎn)氣率較高。由于秸稈原料含有大量纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，C/N較高，不適宜沼氣發(fā)酵微生物的正常成長，需要先通過物理、化學、生物等方式進行預處理[4]。若能與畜禽糞污按比例混合發(fā)酵，效果更好。

戶用沼氣池沼氣可以直接用于農(nóng)戶炊事和照明；中小型養(yǎng)殖場沼氣工程沼氣可用于集中供氣、發(fā)電、畜禽幼仔保溫、職工生活用能等；大型沼氣工程沼氣可用于集中供氣、提純凈化制作生物天然氣、發(fā)電上網(wǎng)、車用燃料等。產(chǎn)生的沼肥，可用于生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)，提升土壤肥力，生產(chǎn)綠色農(nóng)產(chǎn)品。

2.1.4 其他能源化利用

主要為有機廢棄物液化技術。從農(nóng)林有機廢棄物中直接提取碳氫化合物，制成液體燃料；將秸稈、甘蔗、玉米、薯干等經(jīng)過微生物的糖化發(fā)酵生產(chǎn)甲醇、生物乙醇等；隔絕空氣的情況下，對有機廢棄物加熱至750～860K[3]，使之轉化為液體燃料等。但這些技術還不太成熟，市場化程度低。

2.2 飼料化利用模式

秸稈飼料化利用模式是將農(nóng)作物莖葉直接或調(diào)制后喂飼家畜。在禁牧、舍飼條件下，秸稈是重要的粗飼料來源，可以被牛、羊等反芻牲畜吸收和利用。但是秸稈質(zhì)地粗硬，直接飼喂存在適口性差、采食量低、消化率低、營養(yǎng)價值不高等。要提高秸稈飼料化綜合利用率，往往需要通過物理、化學或生物等方法加以處理，如秸稈粉碎處理、青儲處理、壓塊處理、堿化處理等。蒸汽爆破預處理可破壞玉米秸稈纖維結構，提高瘤胃微生物黏附效率，增強秸稈瘤胃降解率和發(fā)酵能力，給牛、羊提供更多的能量和營養(yǎng)。

2.3 肥料化利用模式

肥料化利用模式是將秸稈、畜禽糞便、糖廠濾泥等有機廢棄物進行肥料化處理與利用技術。有機廢棄物肥料化利用可以增加土壤有機質(zhì)，改善土壤結構，尤其是土壤中各種微生物的組成和數(shù)量。土壤微生物可通過自身的生理作用對土壤中的各種元素進行轉化，使之能被植物吸收利用。土壤中有機質(zhì)含量和成分是影響微生物數(shù)量和種類的主要因素。肥料化利用可減少化學肥料施用，提高作物產(chǎn)品品質(zhì)和產(chǎn)量，促進生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，有助于減污降碳，保護環(huán)境。

農(nóng)林有機廢棄物肥料化模式一般有秸稈機械翻埋還田技術、秸稈粉碎覆蓋還田技術、添加腐熟劑秸稈還田技術、秸稈生物反應技術、秸稈有機肥生產(chǎn)技術、秸稈糞便混合堆肥技術和糖廠濾泥發(fā)酵、沼渣沼液制作有機肥等。

2.4 原料化模式

甘蔗是主要糖料作物之一，甘蔗渣是糖廠的副產(chǎn)品，且易于收集和儲運。經(jīng)榨糖后剩下的甘蔗渣，含纖維素32%～48%，半纖維素19%～24%，木質(zhì)素23%～32%[5]，纖維長度約為0.65～2.17mm，與闊葉樹纖維相當，經(jīng)除髓后的甘蔗渣是一種良好的造紙原料。據(jù)2018—2019年廣西糖業(yè)年報制糖期數(shù)據(jù)，廣西全區(qū)甘蔗種植面積約7.433×105hm2，年產(chǎn)原料蔗5.473×107t，蔗渣打包量2.5×106t左右，可產(chǎn)漂白甘蔗渣絕干漿6.0×10t多t[6]。

甘蔗渣屬草類纖維范疇，易煮易漂，化學藥品耗量少，制漿及堿回收工藝技術和設備也比其它草類纖維原料成熟簡單。漂白化學漿在摻配一定量的長纖維后可抄造各種高檔文化和生活用紙。使用適當?shù)某旃に嚕部梢陨a(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的銅板原紙和新聞紙等。

農(nóng)林有機廢棄物也可用于制作生物質(zhì)炭。生物質(zhì)炭是由富含碳的生物質(zhì)在無氧或缺氧條件下經(jīng)熱化學轉化生成的一種具有高度芳香化、富含碳素的多孔固體顆粒物質(zhì)。其含有大量的碳和植物營養(yǎng)物質(zhì)、具有豐富的孔隙結構、表面含有較多的含氧活性基團，是一種多功能材料。使用與常量元素肥料配伍制成的炭基復合肥料，可增加土壤碳含量，改善土壤透氣性，增加農(nóng)作物光合作用，改善農(nóng)作物品質(zhì)。

另外，秸稈也可進一步加工成菌棒，替代木材用于種植食用菌。部分秸稈還用于生產(chǎn)板材、非木紙漿、包裝材料、編織品等，提高綜合利用效益。

3 農(nóng)林有機廢棄物開發(fā)利用對推動實現(xiàn)“雙碳”目標的意義

現(xiàn)在人類面臨解決全球氣候變化帶來的能源環(huán)境問題。即是由以煤、石油、天然氣為基礎的化石能源結構轉為以風電、光電、水電、核電、生物質(zhì)能為主的新能源結構。而在新能源結構里，生物質(zhì)燃料是零碳原料。據(jù)測算，將我國農(nóng)作物的秸稈、稻殼、玉米芯、花生殼、甘蔗渣等農(nóng)產(chǎn)品初加工的剩余物，林業(yè)枝條和木材加工廢棄物，禽畜糞便，食品加工產(chǎn)生的有機污水，以及生活有機垃圾、廚余垃圾等生物質(zhì)原料加在一起，可生產(chǎn)出總量約為3.26×108tce·a-1的生物質(zhì)燃料[7]。

從促進“雙碳”目標角度看農(nóng)林有機廢棄物的合理化利用，最好的方式是對于干的廢棄物，先制成成型燃料，再燃燒；對于濕的廢棄物，可通過厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣，或再經(jīng)提純凈化，制成生物天然氣。

沼氣是一種優(yōu)質(zhì)、廉價、清潔的氣體燃料，是可再生的生物質(zhì)能源。沼氣的主要成分是CH4和CO2，高位熱值一般為22～25MJ·m-3。經(jīng)提純凈化后可提高CH4的相對含量，熱值可達39.8MJ·m-3。由于沼氣是處理各類有機廢棄物的產(chǎn)物，使用CH4作為能源不會增加CO2排放。因此，在實現(xiàn)“碳中和”目標進程中，沼氣能源將會得到更大關注，沼氣工程發(fā)展將大有可為，迎來新的發(fā)展機遇。據(jù)測算，2030年、2060年我國農(nóng)業(yè)有機廢棄物資源量分別約為5.4×109t、4.8×109t。2060年我國農(nóng)業(yè)有機廢物產(chǎn)生沼氣潛力達2.5×1011m3，可實現(xiàn)減排4.5×108t CO2當量[8]。沼渣沼液加工成優(yōu)質(zhì)有機肥，可以部分替代化肥，產(chǎn)生減碳減肥效果。

將秸稈做成成型燃料，這時產(chǎn)生的CO2是莊稼生長過程中通過光合作用從大氣中固化而來，不需要計算在碳排放中，這樣秸稈制成的成型燃料就成為零碳燃料。用甘蔗渣造紙，可減少林木砍伐，保護森林，增加林業(yè)碳匯。

因此，農(nóng)林有機廢棄物資源化利用，對改善農(nóng)村能源結構，減少農(nóng)村地區(qū)對化石能源的依賴，保護農(nóng)村生態(tài)環(huán)境，助力我國實施減污降碳，實現(xiàn)“雙碳”目標具有十分重要意義。

4 我國農(nóng)林有機廢棄物資源化利用主要存在的問題

4.1 出臺政策不少，但落實力度不強

我國重視農(nóng)林有機廢棄物資源化利用工作，出臺了許多扶持政策。但在實踐中仍然存在技術、政策、產(chǎn)業(yè)化等層面的各種瓶頸。如涉及部門多，牽頭部門不明確，政出多頭，原則性支持意見多，具體可執(zhí)行落實的措施少，力度不強，政策引領發(fā)展的效果難以彰顯。

4.2 利用率偏低，高值化利用途徑欠缺

據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部測算，2017年我國秸稈綜合利用率不足80%，而發(fā)達國家在90%以上，與我國秸稈資源豐富實際不相符。農(nóng)林有機廢棄物利用率偏低，直接導致能源資源浪費，環(huán)境受到污染。一些地方原料供應的不確定性也妨礙了其利用供應鏈的可持續(xù)發(fā)展，生物質(zhì)熱解氣化、生物天然氣、沼氣發(fā)電等高值化利用途徑欠缺。

4.3 原料收儲運體系未建立，收儲運成本偏高

植物纖維性有機廢棄物具有體積大、蓬松和難以收集的特點?？咳斯な占瑒趧訌姸却螅斯こ杀靖撸瑢е罗r(nóng)民收集利用的積極性不高。收儲運體系仍處于初級階段，相應的監(jiān)管機制和技術工藝不完善，導致收儲運成本偏高。

4.4 綜合利用核心技術不夠成熟

在我國，農(nóng)林有機廢棄物是大宗固體廢棄物，但綜合利用技術還不夠成熟，主要集中于還田、飼料、農(nóng)戶薪柴做飯取暖等低附加值的方式上。用于制作沼氣、直燃發(fā)電、沼氣發(fā)電、注入天然氣管網(wǎng)、車用燃料等新型工業(yè)化應用尚不能普及。

4.5 降碳減排方法學尚未制定

目前我國農(nóng)林廢棄物綜合利用項目碳減排方法尚未制定，項目的社會效益、環(huán)境效益未能得到體現(xiàn)，期待相關部門創(chuàng)新研究，明確基準線排放以及監(jiān)測、計算方法，方便碳減排量核算及開展碳市場交易等工作。

5 提高農(nóng)林有機廢棄物利用率的措施

5.1 重視農(nóng)林廢棄物的開發(fā)利用

農(nóng)林有機廢棄物是重要的可再生資源，富含熱能和C、N、P、K及微量元素等營養(yǎng)成分，具有廣泛的應用價值，在推動實現(xiàn)“雙碳”目標進程中，降碳減排潛力巨大。作為能源，具有可儲存性、可運輸性、可靈活使用性。因此，需要重視技術研發(fā)，拓寬利用渠道，建立以綠色低碳為導向的有機廢棄物生態(tài)補償制度，提高集中供氣、發(fā)電、鍋爐供熱等高值化利用水平。

5.2 構建農(nóng)林廢棄物綜合利用長效機制

我國已經(jīng)把碳達峰、碳中和納入生態(tài)文明建設整體布局，強調(diào)“要實施重點行業(yè)領域減污降碳行動”、“減污降碳、協(xié)同增效”等。在未來10～15a都將是中國的主基調(diào)。因此，需要構建農(nóng)林有機廢棄物綜合利用的長效機制，做好項層設計，制訂和完善相關優(yōu)惠政策，加大資金投入，培育市場化主體，鼓勵開發(fā)利用技術，服務國家“雙碳”戰(zhàn)略。

5.3 因地制宜采用不同利用模式

農(nóng)林有機廢棄物采用不同利用模式，對環(huán)境、氣候、碳排放也會有不同的影響，需要找到對環(huán)境影響最小、對實現(xiàn)“雙碳”目標貢獻最大的利用典型模式，形成可復制可推廣的技術。

要重視地域差異，以及有機廢棄物的可利用性，因地制宜選擇合適的利用模式。對于有機廢棄物資源優(yōu)勢明顯且具備高質(zhì)量發(fā)展要求的地區(qū)，應充分利用資源優(yōu)勢，適當加大技術投入，實現(xiàn)規(guī)?；I(yè)化經(jīng)濟狀態(tài)下運行，確保產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

5.4 科學制定農(nóng)林有機廢棄物項目降碳減排方法學

目前我國農(nóng)林有機廢棄物綜合利用具有天時、地利、人和的優(yōu)勢。能源供給形勢嚴峻，環(huán)境保護、“雙碳”目標壓力加大，美麗鄉(xiāng)村建設、鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實施都需要加大農(nóng)林有機廢棄物處理和利用力度。因此，需要科學制定農(nóng)林有機廢棄物項目降碳減排方法學，以實現(xiàn)項目的經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益。

6 結語

我國對世界作出的“碳減排”和“碳中和”承諾，為農(nóng)林有機廢棄物資源化利用提供了難得的歷史機遇。我國農(nóng)林有機廢棄物資源豐富，開發(fā)潛力巨大。推進農(nóng)林有機廢棄物資源化利用，有助于促進生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展，推動能源消費結構轉型升級，在生態(tài)文明建設、實現(xiàn)“雙碳”目標方面將起到十分重要的作用。

農(nóng)林有機廢棄物資源化利用具有多種模式。要結合實際，根據(jù)農(nóng)林有機廢棄物的可利用性，因地制宜選擇合適的利用模式。要做好產(chǎn)業(yè)布局，加大技術投入，實現(xiàn)有機廢棄物資源化利用項目在規(guī)模化工業(yè)化經(jīng)濟狀態(tài)下運行，提高項目的經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益。