農(nóng)業(yè)固體廢物資源化技術(shù)---秸稈綜合利用

1、農(nóng)業(yè)固體廢物資源化技術(shù)秸稈綜合利用學(xué)生張慧班級(jí)環(huán)境工程學(xué)號(hào)642085229007教師張宇峰目錄1前言32秸稈綜合利用途徑42.1秸稈飼料利用技術(shù)42.2秸稈能源利用技術(shù)52.2.1沼氣發(fā)酵技術(shù)52.2.2秸稈發(fā)電技術(shù)62.3秸稈工業(yè)原料利用技術(shù)72.3.1生產(chǎn)有機(jī)產(chǎn)品72.3.2改性秸稈吸附材料73國(guó)外秸稈利用情況84總結(jié)8參考文獻(xiàn)9農(nóng)業(yè)固體廢物資源化技術(shù)秸稈綜合利用摘要：農(nóng)作物秸稈是當(dāng)今世界上僅次于石油、天然氣和煤炭的第四大能源，因此秸稈的綜合利用越來(lái)越得到人們的關(guān)注。秸稈的綜合利用技術(shù)主要有秸稈飼料利用技術(shù)，能源利用技術(shù)，包括沼氣發(fā)酵技術(shù)和秸稈發(fā)電技術(shù)，秸稈工業(yè)原料利用技術(shù)，包括產(chǎn)乙醇和

2、制作改性吸附材料等。關(guān)鍵詞：秸稈綜合利用；能源利用技術(shù)；飼料利用技術(shù)；工業(yè)原料技術(shù)1 前言隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和農(nóng)民生活水平的提高，農(nóng)村的生產(chǎn)、生活方式也發(fā)生了巨大變化，科技農(nóng)業(yè)和農(nóng)村企業(yè)成為農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的兩大支柱，隨之而來(lái)的就是農(nóng)村固廢的種類(lèi)增多，污染程度加深和處理難度增大等問(wèn)題。農(nóng)村環(huán)境迅速遭到嚴(yán)重破壞，阻礙了農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展。我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，擁有極其豐富的生物質(zhì)資源，農(nóng)林剩余物年產(chǎn)出實(shí)物量為20.29億t，主要有農(nóng)作物秸稈、林業(yè)剩余物、畜禽糞便、能源作物1。農(nóng)作物秸稈是當(dāng)今世界上僅次于石油、天然氣和煤炭的第四大能源。我國(guó)每年產(chǎn)生的秸稈含有大量的氮、鉀、磷元素，這些元素的總量相當(dāng)于全國(guó)每年化

3、肥用量的1/42。合理利用秸稈，有利于工業(yè)、農(nóng)業(yè)發(fā)展，但是大量秸稈被露天焚燒會(huì)產(chǎn)生大量氣體及氣溶膠組分，不僅造成了資源浪費(fèi)，破壞土壤肥力，還會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的大氣污染。因此，如何將秸稈轉(zhuǎn)化為可為我們利用的資源，已得到人們的日益關(guān)注。表1-1列出了我國(guó)主要農(nóng)作物秸稈營(yíng)養(yǎng)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)。表 11 主要農(nóng)作物秸稈營(yíng)養(yǎng)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)（干重%）秸稈種類(lèi)干物質(zhì)粗蛋白粗脂肪粗纖維無(wú)氮浸出物粗灰分CaP稻草854.81.435.639.812.40.70.6麥秸854.41.536.736.86.00.30.1玉米稈94.45.71.629.351.36.6微量微量大豆稈855.72.038.739.44.21.00.

4、1花生藤9012.2-21.8-2.80.1蠶豆稈8.72.91.137.035.99.8-2 秸稈綜合利用途徑我國(guó)秸稈利用技術(shù)主要有秸稈還田技術(shù)、秸稈能源利用技術(shù)、秸稈飼料利用技術(shù)以及用于工業(yè)原料（造紙、降解膜、建筑材料、塑料替代品等）等。不同秸稈的有機(jī)質(zhì)成分基本相似，根據(jù)不同途徑可選擇適合的秸稈。一般而言，用作飼料和食用菌基料的秸稈要求粗蛋白、粗脂肪、無(wú)氮浸出物的含量要高，纖維素、木質(zhì)素和灰分的含量要低；用作建筑材料和能原材料的秸稈要求纖維素、木質(zhì)素的含量和熱值高，對(duì)蛋白質(zhì)、脂肪、無(wú)氮浸出物的含量低3。2.1 秸稈飼料利用技術(shù)在農(nóng)作物完全成熟以后秸稈的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值很低，粗蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)、維生素

5、和可消化能等含量較低，適口性和消化性差，反芻動(dòng)物對(duì)秸稈的采食量小，秸稈在反芻動(dòng)物體內(nèi)消化率低。但秸稈中含有70%的碳水化合物類(lèi)，所以可以采取一些處理措施提高秸稈的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。秸稈用作飼料的加工方法及優(yōu)缺點(diǎn)如下表2-1所示表 21秸稈用作飼料的加工方法及優(yōu)缺點(diǎn)方法具體方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)物理方法粉碎軟化、壓塊制粒、熱噴處理、擠壓膨化簡(jiǎn)單易行、容易推廣一般不能提高營(yíng)養(yǎng)價(jià)值化學(xué)方法堿化處理、氧化劑處理、氨化處理、復(fù)合化學(xué)處理提高采食量、消化率易造成化學(xué)物質(zhì)的過(guò)量，使用范圍狹窄、推廣費(fèi)較高生物方法青貯、微貯、雞糞調(diào)制、酒糟調(diào)制提高營(yíng)養(yǎng)價(jià)值技術(shù)要求高，易造成腐爛變質(zhì)余建軍4采用物理法將玉米秸稈高溫蒸煮預(yù)處理，以酶

6、菌共降解秸稈的生物技術(shù)手段轉(zhuǎn)化生產(chǎn)蛋白飼料。結(jié)果表明，通過(guò)生物轉(zhuǎn)化可明顯提高秸稈粗蛋白含量，超過(guò)了蛋白飼料中最低含20%粗蛋白量的要求。王巍杰5采用白腐真菌降解玉米秸稈制備飼料，以降解纖維素酶活為考察指標(biāo)，通過(guò)L93(4)正交試驗(yàn)確定玉米秸稈飼料發(fā)酵最佳工藝條件發(fā)酵時(shí)間72h、溫度30、pH值8.5和固液比1：15。秸稈飼料中粗纖維還原糖含量增加13.77個(gè)百分點(diǎn)，粗蛋白含量增加3.98個(gè)百分點(diǎn)，粗纖維含量降低13.91個(gè)百分點(diǎn)。露西亞6采用尿素氨化、常規(guī)青貯、外加植物乳酸菌等三種常規(guī)方法對(duì)稻草、玉米秸、甘蔗尾進(jìn)行處理，比較其體外消化率，以確定這三種秸稈飼料最適宜的常規(guī)處理方式。試驗(yàn)結(jié)果顯示，

7、在添加5%玉米粉、5%麥麩、1%豆粕、0.5%尿素的基礎(chǔ)上采用植物乳酸青貯處理的稻草、玉米秸、甘蔗尾的體外消化率最高。2.2 秸稈能源利用技術(shù)2.2.1 沼氣發(fā)酵技術(shù)秸稈發(fā)酵制沼就是將麥秸、稻草等秸稈和人畜糞便等在厭氧條件下，經(jīng)過(guò)多種微生物的作用，降解成簡(jiǎn)單而穩(wěn)定的物質(zhì)和以CH4為主要成分的沼氣。秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物經(jīng)沼氣發(fā)酵后，有機(jī)質(zhì)消耗了50%，氮、磷、鉀可保留90%，病蟲(chóng)源明顯下降。秸稈生產(chǎn)沼氣，一般有兩種途徑：一是直接進(jìn)沼氣池；二是秸稈作牲畜飼料，牲畜的糞便入沼氣池。沼液不僅營(yíng)養(yǎng)豐富，還具有殺菌作用。沼渣中含有10%15%的粗蛋白、45%作用的礦物質(zhì)，不僅是優(yōu)質(zhì)肥料，還可以用于培育蘑菇、木

8、耳等。聯(lián)戶秸稈沼氣工程的工藝類(lèi)型為能源生態(tài)型，即通過(guò)厭氧發(fā)酵后的沼液以農(nóng)村的農(nóng)田、魚(yú)塘、植物塘等為依托，作為農(nóng)作物的有機(jī)液體肥料的工程，以生產(chǎn)沼氣、環(huán)境保護(hù)和沼肥生產(chǎn)為目的，冬季通過(guò)自身產(chǎn)生的沼氣以及太陽(yáng)照射加溫方式，保持中溫發(fā)酵，其主要原料來(lái)源為農(nóng)作物秸稈，輔料為少量人畜糞便或者少量尿素，投料方式為連續(xù)投料。秸稈沼氣技術(shù)的主要工藝流程如圖2-1。圖 21沼氣發(fā)酵基本工藝流程秸稈在投入發(fā)酵池之前，一般需要進(jìn)行除雜、切碎、堆漚等處理。在聯(lián)戶秸稈沼氣工程中，原料的預(yù)處理只需要粉碎、添加沼液或者復(fù)合菌劑并進(jìn)行池外堆漚即可。沼氣生產(chǎn)時(shí)，沼氣在發(fā)酵產(chǎn)氣過(guò)程中需要完全的隔絕氧氣，故沼氣發(fā)酵也稱厭氧發(fā)酵或厭

9、氧消化。厭氧消化的類(lèi)型，根據(jù)原料在消化器內(nèi)的水力滯留期（HRT）、固體污泥滯留期(SRT)和微生物滯留期(MRT)相關(guān)性的不同，可分為常規(guī)型、污泥滯留型和附著膜型三種，不同類(lèi)型的適應(yīng)不同的發(fā)酵原料7。2.2.2 秸稈發(fā)電技術(shù)秸稈發(fā)電方式主要有直燃發(fā)電、氣化發(fā)電、混燃發(fā)電。秸稈氣化發(fā)電通常采用內(nèi)燃機(jī)或汽輪機(jī)的發(fā)電方式，規(guī)模一般小于5MW；秸稈直燃發(fā)電通常采用中壓鍋爐或高壓鍋爐，規(guī)模一般小于30MW；秸稈混燃發(fā)電大多由常規(guī)電廠改造而成，規(guī)模一般大于100MW8。直接燃燒發(fā)電是指秸稈原料未經(jīng)化學(xué)轉(zhuǎn)變，直接在鍋爐中燃燒，產(chǎn)生蒸汽，驅(qū)動(dòng)蒸汽輪機(jī)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。秸稈直燃發(fā)電系統(tǒng)包括秸稈的預(yù)處理、輸送系統(tǒng)

10、，鍋爐系統(tǒng)，煙氣凈化系統(tǒng)、汽輪機(jī)系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。秸稈的預(yù)處理、輸送系統(tǒng)包括秸稈的干燥、粉碎、打包，運(yùn)輸和儲(chǔ)存等過(guò)程鍋爐系統(tǒng)包括喂料系統(tǒng)、供風(fēng)系統(tǒng)9。氣化發(fā)電是在氣化爐中將秸稈原料氣化，生成可燃?xì)怏w，經(jīng)過(guò)凈化，供給內(nèi)燃機(jī)或小型燃?xì)廨啓C(jī)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。秸稈氣化發(fā)電系統(tǒng)包括秸稈原料預(yù)處理系統(tǒng)、氣化爐系統(tǒng)、燃?xì)鈨艋到y(tǒng)、燃?xì)獍l(fā)電系統(tǒng)和廢水處理系統(tǒng)。秸稈混燃發(fā)電是指秸稈原料經(jīng)過(guò)預(yù)處理，和化石燃料一起在鍋爐中燃燒，產(chǎn)生蒸汽，驅(qū)動(dòng)蒸汽輪機(jī)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。秸稈原料在燃燒前需要經(jīng)過(guò)物理化學(xué)轉(zhuǎn)變，如打捆、制塊、氣化等。秸稈混燃發(fā)電系統(tǒng)包括秸稈的預(yù)處理、輸送系統(tǒng)，鍋爐系統(tǒng)，煙氣凈化系統(tǒng)、汽輪機(jī)系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)系統(tǒng)

11、8。秸稈三種發(fā)電技術(shù)的對(duì)比：秸稈直接燃燒發(fā)電技術(shù)適于現(xiàn)代化大農(nóng)場(chǎng)或大型加工廠的廢物處理對(duì)秸稈較分散，收集、運(yùn)輸成本較高之處不適合，在我國(guó)適合于人口稀少、秸稈之源豐富的平原地區(qū)；秸稈氣化發(fā)電具有投資少，發(fā)電成本較低，靈活性好的特點(diǎn)。小型秸稈氣化發(fā)電技術(shù)適合于對(duì)缺電、缺油的農(nóng)村和偏遠(yuǎn)的山區(qū)，中型秸稈發(fā)電技術(shù)適合于農(nóng)村、農(nóng)場(chǎng)、林場(chǎng)的照明用電或工業(yè)用電，尤其適用于有加工剩余物的農(nóng)林加工廠、糧食加工廠的自身供電。秸稈混燃發(fā)電是在現(xiàn)有煤電廠基礎(chǔ)上改造而成，具有投資成本低、發(fā)電效率高的優(yōu)點(diǎn)，適合于已有發(fā)電廠、秸稈資源豐富的平原地區(qū)。2.3 秸稈工業(yè)原料利用技術(shù)2.3.1 生產(chǎn)有機(jī)產(chǎn)品通過(guò)對(duì)農(nóng)作物秸稈進(jìn)行各種

12、處理，可將農(nóng)作物秸稈作為原料生產(chǎn)乙醇，具體工藝流程如圖2-2。秸稈酒精預(yù)處理酸或酶水解單糖、五碳糖、六碳糖纖維素、半纖維素發(fā)酵、蒸餾圖 22 農(nóng)作物秸稈之酒精工藝流程圖預(yù)處理主要是為了溶解和分離秸稈中纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和其他可溶性物質(zhì)。預(yù)處理的方法主要有蒸餾爆破法、酸預(yù)處理法、堿預(yù)處理方法等。預(yù)處理后需要進(jìn)行水解，目的是破壞秸稈中纖維素和半纖維素中的氫鍵，將其降解成可發(fā)酵性糖。酸水解是利用無(wú)機(jī)酸進(jìn)行催化使纖維素轉(zhuǎn)化為單糖，催化劑的成本較低。但濃酸水解過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一些對(duì)微生物發(fā)酵過(guò)程有抑制作用的有機(jī)酸、酚類(lèi)和醛類(lèi)化合物等副產(chǎn)物。酶水解是利用纖維素酶將纖維素水解成單糖的過(guò)程。發(fā)酵即纖維素和半

13、纖維素水解后得到的六碳糖和五碳糖在酵母等微生物的代謝下生成乙醇的過(guò)程。迄今為止科研人員已發(fā)現(xiàn)100多種生物，包括細(xì)菌、真菌、酵母菌等，能代謝五碳糖發(fā)酵生成醇10。勇強(qiáng)等11利用固定化樹(shù)干畢赤酵母細(xì)胞利用葡萄糖、木糖發(fā)酵產(chǎn)酒精，結(jié)果表明，在pH為5.05.5時(shí)，細(xì)胞活性最強(qiáng)，在發(fā)酵前12h以利用葡萄糖為主，在12h后主要利用木糖發(fā)酵，總糖利用率達(dá)到96.6%。李素玉等12也篩選出了能同時(shí)發(fā)酵葡萄糖和木糖的菌株，菌株的酒精產(chǎn)率達(dá)到理論值的82.91%。發(fā)酵完畢后，發(fā)酵醪液即可進(jìn)行蒸餾，將蒸餾出的酒精在進(jìn)行精餾，即可得到體積分?jǐn)?shù)為95%的酒精，由于該酒精不符合有關(guān)食用酒精標(biāo)準(zhǔn)，所以生產(chǎn)出來(lái)的酒精一般

14、直接用作燃料或添加到汽油中制成“汽油醇”。2.3.2 改性秸稈吸附材料稻草秸稈含有豐富的纖維素，纖維素是由D-吡喃葡萄糖酐以-1,4苷鍵連接而成的線性半剛性天然高分子化合物，在其大分子鏈中每個(gè)葡萄糖基環(huán)上有2個(gè)仲羥基和1個(gè)伯羥基，它們?yōu)榛顫姷牧u基。纖維素經(jīng)預(yù)處理后，通過(guò)與氧化劑和其他試劑反應(yīng)，可在羥基的位置上引入官能團(tuán)，制成改性秸稈13。劉婷14等人將稻草秸稈通過(guò)高錳酸鉀和乙二胺改性后，制成對(duì)廢水中Pb2+具有良好吸附效果的吸附劑。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，改性稻草對(duì)廢水中Pb2+的吸附去除率可達(dá)98.7%。任杰15對(duì)玉米秸稈進(jìn)行炭化，制成炭黑，再經(jīng)一系列改性制得氨氮吸附劑，改性秸稈炭黑對(duì)氨氮具有較好的吸

15、附效果，對(duì)廢水中氨氮的去除率達(dá)到90%。3 國(guó)外秸稈利用情況歐洲國(guó)家生秸稈資源利用技術(shù)成熟，政策落實(shí)，秸稈資源開(kāi)發(fā)利用已成為重要的新型產(chǎn)業(yè)，對(duì)保障能源安全、增加就業(yè)機(jī)會(huì)、促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展，以及確保能源與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展等發(fā)揮著重要的作用。年德國(guó)擁有80多家農(nóng)作物秸稈和農(nóng)林廢棄物發(fā)電廠，其中發(fā)電量在5.0103kW以上的有20多家。拉麥爾生物質(zhì)發(fā)電國(guó)際有限公司為德國(guó)可再生能源開(kāi)發(fā)公司，在風(fēng)能、水利及農(nóng)作物秸稈和農(nóng)林廢棄物項(xiàng)目領(lǐng)域有著豐富的開(kāi)發(fā)和引導(dǎo)經(jīng)驗(yàn)。主要提供農(nóng)作物秸稈和農(nóng)林廢棄物固體燃料直燃發(fā)電技術(shù)。丹麥在農(nóng)作物秸稈和農(nóng)林廢棄物直燃發(fā)電方面成績(jī)顯著，對(duì)于農(nóng)作物秸稈和農(nóng)林廢棄物資源的利用則傾向于直燃

16、熱電聯(lián)供。近年來(lái)，丹麥新建設(shè)的熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目都是以農(nóng)作物秸稈和農(nóng)林廢棄物為燃料，同時(shí)，還將過(guò)去許多燃煤供熱廠改為了燃燒農(nóng)作物秸稈和農(nóng)林廢棄物的熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目。另外，國(guó)外的學(xué)者還對(duì)其他一些農(nóng)業(yè)秸稈或農(nóng)業(yè)廢棄物如花生殼、蘋(píng)果渣、鋸末、椰子殼、松樹(shù)皮等進(jìn)行改性，制備成離子吸附劑，吸附去除工業(yè)廢水中的陰離子、陽(yáng)離子及去除水溶液中的離子型染料等，并取得了較好的效果15。4 總結(jié)我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，作物秸稈產(chǎn)量極其豐富，充分發(fā)展秸稈的綜合利用技術(shù)不僅能增加農(nóng)民的收入，還能緩解日益嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，解決能源缺乏問(wèn)題。我國(guó)對(duì)秸稈綜合利用的領(lǐng)域還有限，技術(shù)還不成熟，需要我國(guó)研究人員積極探索秸稈的利用潛力，更多的向國(guó)外學(xué)習(xí)

17、先進(jìn)的技術(shù)，將秸稈充分利用起來(lái)。參考文獻(xiàn)1 劉竹林, 王建麗等. 農(nóng)作物廢棄物-鐵精礦球團(tuán)性能研究J. 2013, 27(06): 73-77.2 林紹霞. 貴州農(nóng)作物秸稈綜合利用與有機(jī)循環(huán)經(jīng)濟(jì)研究J. 貴州科學(xué), 2007, 25(4): 61-65.3 任芝軍. 固體廢物處理處置與資源化技術(shù)M. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社, 2010.4 余建軍. 酶菌共降解玉米秸稈及飼料化工藝研究D. 陜西科技大學(xué), 2010.5 王巍杰, 賈瑞雪, 常麗新. 白腐真菌發(fā)酵玉米秸稈飼料的工藝研究J. 飼料工業(yè), 2014, 35(17): 37-39.6 露西亞, 不同處理的秸稈飼料體外消化率的比較D. 廣西大學(xué), 2008.7 盧金. 聯(lián)戶秸稈沼氣工程工藝和模式的研究D. 江西農(nóng)業(yè)大學(xué), 2013.8 張培遠(yuǎn). 國(guó)內(nèi)外秸稈發(fā)電的比較研究D. 河南農(nóng)業(yè)大學(xué), 2007.9 李水成, 李駿鳴, 任曉東. 河南焦作市武陸縣秸稈發(fā)電項(xiàng)目動(dòng)工. 中國(guó)能源網(wǎng), 2005.10 盧暄. 秸稈燃料乙醇工藝技術(shù)J. 化學(xué)工業(yè), 2011, 29(7): 29-33.11 勇強(qiáng), 徐勇, 宋向陽(yáng)等.