秸稈和糞污資源化利用概述

陳龍，劉小玲，陳敏，徐道青

（安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所，安徽合肥 230000）

中國是農(nóng)業(yè)大國，作物秸稈年產(chǎn)量達(dá)9 億t 左右，位世界之首[1]。然而，秸稈的資源化利用率有待進(jìn)一步提高，每年約有20%的秸稈腐爛或焚燒，不僅造成了資源浪費(fèi)，而且給環(huán)境帶來了極大的危害[2]；中國同樣也是一個畜牧業(yè)大國，但大量的養(yǎng)殖廢棄物已成為環(huán)境治理的一大難題。據(jù)統(tǒng)計，每年約產(chǎn)生養(yǎng)殖廢棄物35 億t[3]。調(diào)查表明，目前中國畜禽養(yǎng)殖場的畜禽廢棄物無害化處理技術(shù)和能力還不足，加之處理糞便和廢液會增加生產(chǎn)成本，致使養(yǎng)殖場所產(chǎn)生的畜禽糞便和廢水多為直接排放，導(dǎo)致周邊環(huán)境惡化[4-6]，因此對于秸稈和畜禽糞污的資源化利用顯得尤為重要。本文闡述了目前秸稈和畜禽糞污化利用研究進(jìn)展。

1 秸稈的肥料化、飼料化、燃料化、基料化和原料化利用

1.1 秸稈肥料化

秸稈肥料化生產(chǎn)是控制一定的條件, 通過一定的技術(shù)手段,在工廠中實現(xiàn)秸稈腐爛分解和穩(wěn)定,最終將其轉(zhuǎn)化為商品肥料的一種生產(chǎn)方式[7]。秸稈的肥料化不僅能夠改善土地質(zhì)量，還能有效帶來經(jīng)濟(jì)效益，為脫貧攻堅貢獻(xiàn)一份力量。張永春[8]提出了秸稈作為肥料還田利用的四種方式，一是秸稈直接粉碎還田，二是秸稈間接還田，三是農(nóng)作物秸稈離田再利用模式，四是農(nóng)作物秸稈離田和還田相結(jié)合的模式。肖其亮[9]通過大田對比試驗得出秸稈的肥料化利用能夠更好地提升稻田里的氮肥管理水平。張世潔[10]研究發(fā)現(xiàn)秸稈連續(xù)還田4 年以上可以發(fā)揮秸稈部分替代氮肥的增產(chǎn)效應(yīng)。胡乃娟[11]等通過試驗研究發(fā)現(xiàn)秸稈還田能在一定程度上提高土壤活性碳組分的含量和土壤酶活性,土壤總有機(jī)碳和微生物生物量碳的含量隨著秸稈還田量增加,土壤脲酶、過氧化氫酶和蔗糖酶活性也得到明顯升高,同時麥田和稻田的產(chǎn)量也得到明顯提高。劉子語[12]指出秸稈肥料化可使每公頃土地節(jié)約成本1 500 元，能夠使馬鈴薯增產(chǎn)，每公頃可增效6 000 元以上。

1.2 秸稈飼料化

秸稈肥料化利用是把農(nóng)作物秸稈經(jīng)機(jī)械加工或生物利用后作為有機(jī)肥施入農(nóng)田的秸稈資源化利用技術(shù)[13]。秸稈還田是肥料化的主要形式，可細(xì)分為直接還田、堆肥還田和過腹還田3 種方式。直接還田因其操作簡單、效用佳成為最常用的方式，將秸稈粉碎后均勻撒在田地里，秸稈會慢慢腐爛，補(bǔ)充田地土壤所需營養(yǎng)物質(zhì)，例如氮、鐵和鋅，提高田地蓄水保墑能力[14]。堆肥還田又稱間接還田，將秸稈與糞污堆置在一起，利用糞污中的微生物或添加生物菌劑使秸稈腐熟再施于田間。微生物可將秸稈中的營養(yǎng)元素釋放出來，改善土壤性質(zhì)，優(yōu)化土壤內(nèi)部種植環(huán)境，為下季農(nóng)作物提供良好的生長條件[13]。過腹還田是一種最為傳統(tǒng)的方式，先將秸稈作為飼料喂食豬牛羊等牲畜，再將牲畜產(chǎn)生的糞便作為肥料施于田間，這種方式不僅能有效為田地增加肥力，還能飼養(yǎng)牲畜，提高牲畜肉蛋奶的產(chǎn)量[15]。

1.3 秸稈燃料化

秸稈固化成型燃料加工技術(shù)是秸稈燃料化的主要技術(shù)，是在一定溫度和壓力作用下,利用木質(zhì)素充當(dāng)黏合劑,將松散的秸稈、樹枝和木屑等農(nóng)林生物質(zhì)壓縮成棒狀、塊狀或顆粒狀的成型燃料。有研究指出我國能源消耗巨大，農(nóng)村地區(qū)能源潛力有待發(fā)掘，秸稈作為一種生物質(zhì)能,能夠有效緩解能源壓力[16]。劉秋蘭[17]等人研究出玉米秸稈的燃料化利用是其綜合利用的主要方式之一，對緩解能源緊缺、減少環(huán)境污染和增加農(nóng)業(yè)效益有著重要的意義。Han[18]等人利用酸洗預(yù)處理改變了秸稈中生物質(zhì)組分的含量和結(jié)構(gòu)，提高生物質(zhì)固體燃料的質(zhì)量。Bhatnagar[19]等人利用稻草秸稈和花生殼共同作用，發(fā)現(xiàn)了稻草秸稈中有巨大的燃料值。

1.4 秸稈基料化

秸稈的基料化應(yīng)用是以秸稈為主要原料進(jìn)行加工，制作成為植物提供營養(yǎng)的有機(jī)固體物料。基料化的應(yīng)用主要是在食用菌的培養(yǎng)基上，食用菌使用基料化的培養(yǎng)基能夠增產(chǎn)。李海霞[20]利用玉米秸稈基料化生產(chǎn)出適合栽培平菇和黑木耳的培養(yǎng)基。王志國[21]也指出玉米秸稈基料化用于食用菌的栽培，不僅實現(xiàn)了秸稈廢料變廢為寶，促進(jìn)秸稈的有效利用，推動了多次循環(huán)利用的生態(tài)鏈條的形成，還能實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益的統(tǒng)一。秸稈基料化做成的培養(yǎng)基可滿足種類較多的植物栽培，且滿足植物各個時期生長需求，絕熱性能良好，不會因夏季過熱、冬季過冷而損傷植物根系和本身不帶土傳病蟲害等優(yōu)點(diǎn)也可應(yīng)用在植物育苗和栽培[22]。

1.5 秸稈原料化

秸稈原料化是以秸稈為原料，生產(chǎn)非木漿紙、人造板材、復(fù)合材料等產(chǎn)品。主要有5 種原料化利用方式，一是秸稈編制,將秸稈編織成草簾、草苫、草席、草墊、草編或制作成秸稈畫，此種方式工藝較為簡單，家庭式的作坊就可以生產(chǎn)，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益[23]。二是秸稈造紙，我國是造紙大國，傳統(tǒng)的木質(zhì)紙會消耗大量林木資源，利用秸稈造的非木質(zhì)紙能夠緩解林木資源緊張問題，秸稈價廉易得，纖維含量高，使得非木質(zhì)紙便宜耐用[24]。三是秸稈加工成板材，與造紙面臨同樣的問題，板材加工會消耗林木資源，尤其消耗大口徑林木，秸稈板材產(chǎn)量逐年遞加，李贏[25]等人對秸稈進(jìn)行前處理后制得的板材密度、吸水厚度膨脹率、抗沖擊強(qiáng)度得到較大提升。劉德軍[26]等人對秸稈板材運(yùn)用無機(jī)凝膠和有機(jī)凝膠混合的膠黏劑，使得秸稈板材各項指標(biāo)均達(dá)到中密度纖維板的國家標(biāo)準(zhǔn)。四是秸稈加工成生物塑料，秸稈生物質(zhì)塑料具有良好的可塑性、可降解性，且制造成本低廉，因此近些年來得到大力發(fā)展[24]。五是秸稈有機(jī)化工是對秸稈進(jìn)行高值化利用可將秸稈內(nèi)的纖維素和半纖維素轉(zhuǎn)化為木糖, 木漿再經(jīng)微生物發(fā)酵或催化加氫等方式轉(zhuǎn)化為乙醇、丁醇、丁二酸、1-3丙二醇、乳酸等有機(jī)化工原料和新型材料產(chǎn)品，減少傳統(tǒng)有機(jī)化工行業(yè)對石油的消耗, 有利于資源節(jié)約[28]。

2 畜禽糞污的肥料化、能源化、生態(tài)化和飼料化利用

2.1 糞污肥料化利用

畜禽糞污肥料化是利用微生物在糞污中生長繁殖，把糞污中的有機(jī)物腐質(zhì)化、礦質(zhì)化和無害化，變成對土壤有利的腐殖質(zhì)，增加土壤中有機(jī)質(zhì)、磷、鉀含量,改良土壤結(jié)構(gòu),提高土壤肥力以及農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)[29]。劉宇璇[30]等人研究發(fā)現(xiàn)牛糞經(jīng)堆肥后，能夠產(chǎn)生豐富的含有氮、磷、鉀元素的化合物，顯著提升土壤肥力。趙艷等人[31]提出豬糞經(jīng)積堆制肥后，在糞污固液分離后進(jìn)行無害化、資源化處理，讓固體糞污堆積后在好氧菌和厭氧菌的共同作用下，高溫發(fā)酵殺滅有害病原體，形成有機(jī)肥料。雞糞燃燒可以生成一種富含磷元素的肥料。研究顯示，從雞糞燃燒之后的殘渣中用硫酸浸提磷效果較好，可以作為高效磷肥[32]。

2.2 糞污能源化利用

畜禽糞污能源化主要是將畜禽糞污生產(chǎn)沼氣、乙醇等能源物質(zhì)。主要有兩種形式，一是熱化學(xué)法能源化，這種形式最簡單也是最傳統(tǒng)的方法就是將糞便燃燒，我國在古代就有點(diǎn)燃干燥的狼糞便，用來傳遞軍情，草原上的牧民仍有用牛糞煮飯的習(xí)慣。近代則是將糞便熱化學(xué)氣化產(chǎn)燃?xì)夂鸵夯a(chǎn)燃油，于前熱化學(xué)氣化產(chǎn)燃?xì)夂彤a(chǎn)燃油雖然從理論上證實了可行性，但技術(shù)上的障礙還很大，無法大規(guī)模生產(chǎn)，還在實驗室探索階段[33]。二是生物化學(xué)法能源化，利用微生物將糞便發(fā)電、釋氫、產(chǎn)沼氣、轉(zhuǎn)化成乙醇和養(yǎng)藻產(chǎn)燃油[34-38]。可大大改善居民生活條件，降低居民能源使用成本。

2.3 糞污生態(tài)化利用

糞便生態(tài)化利用是將畜禽糞便應(yīng)用于農(nóng)牧結(jié)合，生態(tài)保護(hù)修復(fù)及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，一是落實農(nóng)牧有機(jī)結(jié)合戰(zhàn)略，構(gòu)建良性循環(huán)生態(tài)系統(tǒng)，積極保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)[39]。二是進(jìn)行土壤修復(fù)，對土壤肥力較低的土地，將糞污經(jīng)過處理后撒入田間，可有效提高土壤肥力[40]。三是用作蔬菜育苗的基質(zhì)，畜禽糞便中有機(jī)質(zhì)含量較高，因畜禽草食，還含有未消化的植物生長激素可幫助蔬菜苗成長，在具體操作時按照標(biāo)準(zhǔn)混合畜禽糞便和蛭石等材料，放入待種植蔬菜的土地下方，便可為蔬菜提供良好的生長條件[41]。

2.4 糞污飼料化利用

飼料化利用是指將畜禽糞便作為飼料進(jìn)行再次利用，畜禽糞便含有豐富的粗蛋白和纖維等，因此可以作為飼料，主要有3 種方法，一是青貯，將糞便和玉米粉或其它的青綠飼料共同制作青貯，進(jìn)行厭氧發(fā)酵，可以殺死糞便中寄生蟲等，增加飼料安全性，提高適口性[42]。二是干燥，將糞便收集在一起，利用光熱，使其干燥，干燥后形成塊狀，再粉碎，用作飼料[43]。三是發(fā)酵分解法，收集糞便利用酵母進(jìn)行發(fā)酵，或利用蝸牛、蚯蚓和果蠅對糞便進(jìn)行分解從而獲得蛋白質(zhì)，可以獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益[44]。

3 結(jié)語

我國是農(nóng)業(yè)和畜禽業(yè)大國，秸稈和糞污是它們的副產(chǎn)物，如果不善加處理很可能破壞環(huán)境，經(jīng)過適當(dāng)加工秸稈與糞污可變廢為寶，不僅能產(chǎn)生生態(tài)效益，而且還會產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益；但目前我國的秸稈和糞污利用存在著一定的技術(shù)障礙，導(dǎo)致資源化不能發(fā)揮最大功效，現(xiàn)階段可以從改良工藝，降低資源化成本，開發(fā)資源化新用途等方面研究探索，綜合考究秸稈和糞污等農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化利用，促進(jìn)我國農(nóng)業(yè)綠色健康發(fā)展。