農業廢棄物能源化利用技術研究現狀

摘要：農業是我國的第一產業，農業廢棄物是導致環境污染的一大因素。如果農業廢棄物能夠得到合理利用，就可以解決環境問題，同時促進農業發展和美麗鄉村建設。近年來，農業廢棄物能源化利用技術研究取得眾多突破。本文結合我國農業廢棄物產生現狀，綜述農業廢棄物能源化利用的技術模式，然后提出改進策略，以推進農業廢棄物能源化利用。

關鍵詞：農業廢棄物；能源化利用；技術模式

中圖分類號：X71 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2023）05-0-04

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2023.05.030

Abstract： Agriculture is the primary industry in China， and agricultural waste is a major factor leading to environmental pollution. If agricultural waste can be reasonably utilized， it can solve environmental problems and promote agricultural development and beautiful rural construction. In recent years， there have been numerous breakthroughs in the research of agricultural waste energy utilization technology. Based on the current situation of agricultural waste generation in China， this paper summarizes the technological models for the energy utilization of agricultural waste， and then proposes improvement strategies to promote the energy utilization of agricultural waste.

Keywords： agricultural waste; energy utilization; technical mode

農業廢棄物種類繁多，主要包括農作物秸稈、畜禽糞便及水產養殖廢物、農產品初加工廢料和農村生活垃圾[1-3]。如今，我國農業正在精細化布局，關注重心也從產量逐漸轉向農業生產對環境的影響與可持續發展，自然消化或焚燒處理的傳統農業廢棄物處理方式無疑早已跟不上時代的發展。農作物秸稈、畜禽糞便及水產養殖廢物蘊含大量的生物質資源，秸稈可以用于生產固體成型燃料，減少碳排放量[4-7]。如何定量評估農業廢棄物不同處置方式的碳源與碳匯、優化資源化利用方式、實現碳減排最大化成為我國農業綠色低碳轉型升級、深化農業循環經濟發展的研究熱點[8-12]。

1 農業廢棄物產生現狀

1.1 秸稈

如今，我國每年可產生約10.4億t農作物秸稈，其中可收集的秸稈約為9億t[1]。秸稈富含N、P、K、Ca、Mg、有機物和纖維素、半纖維素、木質素，它可以作為農業生物質能的一大來源，也可以作為粗飼料的主要成分。近年來，我國秸稈綜合利用率不斷提高，秸稈能源化利用能力明顯增強，碳減排效果顯著。

1.2 畜禽糞便

如今，我國畜禽養殖業規模不斷擴大，每年產生超過30.5億t畜禽糞便，資源利用率約為75%。同時，畜禽糞便也是其他農業廢棄物（如秸稈等）的轉化物，所以蘊含大量能量，可以在很大程度上代替煤氣與天然氣[12]。

2 農業廢棄物能源化利用的技術模式

2.1 秸稈的能源化利用

秸稈轉化為清潔能源的方式主要包括物理法、化學法和生物法。其中，物理法主要為固化成型技術，化學法主要為直接燃燒技術、秸稈熱解技術和催化轉化技術，生物法主要為厭氧發酵技術和生物乙醇技術[1]。秸稈能源化利用前需要進行預處理，減少發酵時間，提高產氣效率[2]。

物理法采用機械粉碎、聲波破壞、蒸汽爆破和微波預處理等方式來破壞秸稈晶體結構，增大微生物與發酵底物的接觸面積，提高反應速率。機械粉碎主要包括鍘切式粉碎、錘片式粉碎、揉切式粉碎和組合式粉碎[3]。聲波破壞利用超聲波破壞分子結構，通常應用在酸處理、堿處理、酶處理與蒸汽爆破之前，以提高預處理效率[4]。蒸汽爆破可以提高秸稈產能潛力，同時縮短其干發酵的延滯期。它被廣泛應用于生物乙醇制備中，同時對秸稈資源飼料化有重要意義[5]。與蒸汽爆破原理相似的方法還有二氧化碳爆破法、水熱法等。微波預處理相對于常規烘焙有著卓越的性能，可作為化學預處理的前置步驟。

化學法可以對秸稈進行酸處理、堿處理[6]。酸處理的目的主要是破壞共價鍵、氫鍵和范德華力，所用試劑有磷酸、甲酸、乙酸、鹽酸、硫酸等。酸處理應用范圍廣，但容易造成環境污染。常用的無機酸有硫酸、鹽酸、硝酸、三氟乙酸等，常用的有機酸有甲酸、乙酸、丙酸、富馬酸、馬來酸和草酸等。但酸洗后，秸稈有機物損失較大，會導致甲烷產量減小，同時酸液回收難度較大，成本較高。堿處理主要分為兩步。一是進行熱處理，以增加纖維素的可溶性，排除雜菌與有害菌種對后續處理的干擾。二是用KOH、NaOH等堿溶液進行處理[6-7]。

生物法主要利用酶與各類微生物降解木質纖維素，相比酸處理和堿處理，更加綠色環保，能耗低，經濟性好，方便回收利用。白腐菌、褐腐菌、軟腐菌等是從自然環境（土壤、污泥等）中篩選分離的真菌，對木質素降解較為有效[6]。但是，生物法耗時長，占地面積大。

2.1.1 固化成型技術

固化成型技術可以讓秸稈變成易運輸、易儲存的固體燃料，利用特殊裝置將其壓制成密度較大的成型燃料，它可作為可再生能源代替煤炭。其加工流程為收集—干燥—破碎—篩分—給料倉—壓塊設備—成品儲存[8]。如今，松散秸稈的加工設備主要有3種型式，即輥模碾壓、活塞沖壓、螺旋擠壓等，其中，輥模碾壓設備因能耗低、效率高的優點已逐漸成為主流設施。

2.1.2 直接燃燒技術

直接燃燒技術將秸稈燃燒所產生的能量用于人類生產生活。如今，很多發達國家已在燃燒發電技術上取得較大成效，但我國燃燒發電技術不成熟，目前秸稈能源化利用只集中在取暖方面。因此，若想在直接燃燒技術上取得長足的進步，仍需要不斷努力[9]。

2.1.3 秸稈熱解技術

秸稈熱解技術是指在缺氧或無氧條件下，通過脫氧、脫羧和低聚反應使秸稈不斷解聚、聚合、重組，最終將生物質資源轉化成生物氣、生物油和生物碳等高價值能源產品[1]。其主要有3種工藝，即熱解氣化、熱解液化和熱解炭化。首先干燥脫水，游離水和結合水會蒸發成水蒸氣，然后進入預熱解階段，半纖維素會分解重組成醋酸、CO和CO2，之后進入主熱解階段，纖維素、半纖維素、木質素分解重組成生物氣和生物油，最后進入炭化階段，木質素轉變成生物炭。秸稈熱解技術可生產工業用生物油，但生物油含有大量酸性物質且制作工藝復雜，處理成本高，應用并不廣泛，產品市場競爭力不強[1]。作為產物之一，生物炭是一種性能優良的吸附劑，應用前景廣闊。

2.1.4 催化轉化技術

催化轉化技術應用廣泛，研究熱潮一直居高不下。它可將生物質資源轉化成化工用品和清潔能源[10]，有廣闊的發展前景。

2.1.5 厭氧發酵技術

厭氧發酵技術可以將經過預處理的秸稈與其他農業廢棄物（如畜禽糞便）混合，并加入目的菌種進行厭氧發酵，從而產生沼氣。其中，碳氮比、pH、溫度、預處理方式等因素對發酵效率與沼氣產量均有巨大影響[9]。但是，國內目前尚缺乏農作物秸稈-養殖糞污-沼氣的工程一體化裝置，工藝參數不完善，混合發酵對環境保護缺乏重視[9]。

2.1.6 生物乙醇技術

生物乙醇技術可對秸稈纖維進行降解，然后通過發酵生產乙醇燃料。乙醇具有良好的辛烷值與抗爆性，是備受關注的清潔能源。首先進行聯合預處理，保留纖維素組分，脫去半纖維素和木質素，并減小副產物毒性。然后，在纖維素水解酶的催化下，利用纖維素乙醇生產菌株進行水解反應，將纖維素水解為單糖，再經過發酵工藝制備乙醇。其中，主要發酵工藝包括分步水解發酵、同步糖化發酵、同步糖化共發酵以及聯合生物加工[11]。聯合生物加工工藝最符合綠色化學理念，成本相對低廉，操作步驟簡單，最有發展前景，其難點主要在于選育適宜的微生物[11]。

2.2 畜禽糞便的能源化利用

我國每年產生大量畜禽糞便，若不妥善處理而直接排放，將對環境造成巨大破壞。糞便中殘留的大量氮磷元素會與空氣、水及非金屬化合物反應，生成硝酸鹽和磷酸鹽，破壞土壤結構。殘留的抗生素、農藥及各種病原微生物會造成水體污染，嚴重威脅動植物健康。其在堆放過程中會產生多種有害氣體，不僅降低畜禽免疫力，還會加劇溫室效應。

如今，畜禽糞便的處理方式主要有3種，即飼料化、肥料化和能源化。畜禽糞便的肥料化處理方法分為好氧堆肥和厭氧消化。好氧堆肥利用好氧微生物對有機物進行分解，生成腐殖質[12-14]。在好氧堆肥過程中，合適的碳氮比為25～30，堆肥溫度約為55 ℃[14]。厭氧發酵可以產生大量沼氣，之后利用沼渣生產有機肥。畜禽糞便的能源化利用形式主要包括生物質液體燃料、生物質氣體燃料和生物質固體成型燃料，其可以作為燃料發電，沼渣沼液可以還田處理。同時，畜禽糞便具有較多纖維素，可作為工業酒精的原料。先通過預處理將纖維素轉化為糖，再經發酵制備乙醇[13]。

3 改進策略

農業廢棄物形態各異，產生量大，運輸成本高，不利于產業集群的建立，小型處理或將成為趨勢。農業廢棄物的不同能源化利用方式各有利弊，當前要明確技術發展方向，加強應用研究，有效實現農業廢棄物的能源化利用[9]。

一是大力普及技術。為提高農業廢棄物的能源化利用率，促進產業鏈建設，首先應加大技術普及力度，宣傳技術使用方法。要推進產學研結合，減少信息傳播成本。同時，要加大宣傳力度，鼓勵技術創新，在實踐中獲得真知。二是建立產業鏈。各地政府要加強政策引導，定點建設龍頭企業，樹立行業規范，扶持產業鏈建設，建立產業聯盟。同時，要鼓勵企業研發小型設備，促進農業廢棄物的分散處理，處理后產物就地還田，從而節省運輸成本。三是健全規范標準。當前，要借鑒國外優秀農業廢棄物能源化利用案例，與國際接軌，推動產業鏈形成，同時結合我國自身情況，逐步完善產業規范標準。

4 結論

低碳與環保是當今時代的發展趨勢，高耗能、高排放的技術手段逐漸被淘汰，生態環保且成本低廉的農業廢棄物能源化利用技術正在逐步推廣應用。如今，我國農業廢棄物能源化利用技術較之國外仍有較大差距，但隨著關注度的提高和研發力度的加大，我國農業廢棄物能源化利用技術不斷取得突破，農業廢棄物能源化利用水平必將大幅度提升。

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