農業廢棄物危害及堆肥化展望

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1露天焚燒作物秸稈的環境危害

我國是農業大國,據統計,每年產生各種農作物秸稈有6億多t、其中水稻1.68億t、小麥1.06億t、玉米1.21億t。20世紀80年代以來,農村的能源結構、種植結構發生了較大變化,農作物秸稈大量剩余,焚燒農作物秸稈的現象屢禁不止,造成資源浪費、污染環境等不良后果。另外,露天焚燒秸稈還容易造成火災,燒傷人畜甚至致死。

1.1損傷地力土壤中含有許多對農作物有益的微生物。其對促進土壤有機質的礦質化、加速養分釋放和改善植物養分供應起著重要作用。絕大多數土壤微生物在l5~40℃范圍內活性最強。表層土壤過火以后,地下5cm處溫度可達65~90℃,高溫抑制土壤中的微生物生長,從而影響農作物養分的轉化和供應,導致土壤肥力下降。

1.2污染大氣農作物秸稈中含有氮、磷、鉀、碳、氫元素及有機硫等。特別是剛收割的秸稈尚未干透,經不完全燃燒會產生大量氮氧化物、二氧化硫、碳氫化合物及煙塵,氮氧化物和碳氫化合物在陽光作用下還會產生二次污染物臭氧等。在城市“熱島效應”的作用下,城郊四周產生的大氣污染物便自然向市區流動,造成嚴重的大氣污染。如2006年6月20日傍晚,北京部分地區突然被一股刺鼻的煙霧所籠罩,能見度急劇下降,煙霧從南向北逐漸擴散,南部城區污染物一度超標6~9倍。北京市環保局調查后認為,周邊河北地區大面積焚燒麥秸產生的煙霧被風吹到北京上空,造成了空氣嚴重污染。

1.3影響交通我國耕地倒茬時間短、復種指數高,搶收、搶種約1周的時間,客觀上造成焚燒農作物秸稈的時間較為集中。燃燒秸稈形成的大量煙霧,使能見度大大降低,嚴重干擾了正常的交通運輸。在交通干線兩側和機場附近,這種影響尤為突出。在焚燒期間,空氣能見度遠低于機場運行最低標準,成都雙流機場和石家莊機場幾乎年年都要被迫關閉,每年造成數百萬元的經濟損失。

1.4資源浪費農作物秸稈中不僅含有大量纖維素、木質素,還含有一定量的粗蛋白、粗脂肪、磷、鉀等營養成分和許多微量元素。6億t秸稈相當于300多萬t氮肥、700多萬t鉀肥和70多萬t磷肥,約為全國每年化肥施用量的1/4。在田間焚燒農作物秸稈,僅能利用所含鉀的40%,其余氮、磷、有機質和熱能則全部損失。

2自然排放畜禽糞便的環境危害

在我國,除露天焚燒作物秸稈對環境造成嚴重污染外,另一種嚴重的環境公害是養殖場畜禽糞便的自然排放。改革開放以來,我國畜禽養殖業迅速發展,養殖規模越來越大,逐步發展成為一個獨立的產業。隨著畜禽養殖業集約化、規模化、工廠化的快速發展,畜禽養殖業糞便廢棄物的產生量也急劇增加,目前已成為我國農業有機固體廢棄物的主要生產源。根據2000年全國畜禽養殖統計資料,全國畜禽糞便年產生量已達到20.1億t,其中豬糞4.83億t、牛糞10.9億t、羊糞2.29億t、禽糞2.01億t。各種污染成分的年產生量分別是,氮約0.114億t、磷約0.047億t、CODCr約0.694億t、BOD5約0.65億t。隨著我國畜禽養殖業的進一步發展,這一數字還將上升。生產的高度密集,使畜禽糞便量大大超過其周圍環境的處理和合理使用的能力。畜禽糞便含有大量未被消化吸收的有機物、無機物、病菌等,能造成大氣、水體、土壤、生物等多方面的污染。

2.1污染大氣由于畜禽高度密集,廄舍內混濁灰塵、糞便、霉變墊料及呼出的二氧化碳等散發出惡臭。據報道,一個年出欄10萬頭的豬場,每天可向大氣排放菌體360億個、氨氣381.6kg、硫化氫348kg、粉塵621.6kg,污染半徑可達4.5~5km。畜禽糞便自然排放在養殖場周邊,產生大量惡臭氣體,其中含有大量的氨、硫化氫等有毒、有害成分,嚴重影響了畜禽養殖場周圍的空氣質量,進而對養殖場的畜禽生長和周圍居民的健康構成嚴重威脅。

2.2污染水體畜禽糞便能直接或間接進入地表水體,導致河流嚴重污染、水體富營養化、水質嚴重惡化,致使公共供水中的硝酸鹽含量及其他各項指標嚴重超標。畜禽污水排入魚塘和河流中,還會導致對有機物污染敏感的水生生物逐漸死亡,嚴重威脅著水產養殖業的發展。研究表明,養豬場排放的污水、固體糞污隨降水淋洗沖刷進入自然水體后,可使水中SS、CODCr、BOD5和微生物含量升高。進入水體的糞污中含有大量的有機物,一方面在水中微生物對其進行分解的過程中,消耗大量的溶解氧(DO);另一方面水體富營養化產生大量水生植物殘體生物降解也消耗大量DO;最終導致水中的DO被耗盡,水體隨之變黑發臭,這時水體的原有生態系統將難以得到恢復。同時,畜禽糞尿淋溶性極強,可以通過地表徑流污染地下水,也可經過土壤滲透污染地下水。

2.3危害土壤少量的畜禽糞便不經過無害化處理就直接施入到土壤中,其中的蛋白質、脂肪和糖及部分有機污染物在土壤中可以較快地被分解而得到凈化。但是,如果污染物排放量超過了土壤的自凈能力,便會出現降解不完全和厭氧腐解,產生惡臭物質和亞硝酸鹽等有害物質,引起土壤的組成和性質發生改變,破壞其原來的基本功能。由此還會致使種植的作物徒長、倒伏、晚熟或不熟,造成減產,甚至毒害作物。直接施用不經處理的畜禽糞便常常會引起作物幼苗的大面積死亡。

3堆肥化處理是農業固體有機廢棄物無害化和資源化利用的有效途徑

目前,我國總有機固體廢棄物年排放量約為41.3億t,其中蘊含粗有機質為12.3億t,氮、磷、鉀總儲量約為0.873億t。在這些有機固體廢棄物中,從氮、磷、鉀養分資源來看,占主要地位的是畜禽糞便,產生量占固體廢棄物的一半左右,其氮、磷、鉀儲量分別相當于0.49億t尿素、1.19億t過磷酸鈣和0.34億t氯化鉀。作物秸稈則是當前我國第二大類農業固體有機廢棄物,其氮、磷、鉀總儲量約為914萬t。從有機質養分資源來看,占主要地位的是農作物秸稈。作物秸稈和畜禽糞便就好象是農牧業生產中兩把雙刃劍,科學處理就會成為很好的、有利用價值的資源,處理不當就會造成環境危害。近年來,隨著人們環保意識的增加和國家對環境保護的高度重視,各級政府部門、相關機構和企業都投入了大量的人力、物力開展污染治理,針對當前在我國已頗為嚴峻的農業固體有機廢棄物污染的現狀開展研究和技術攻關,找到了許多很好的治理和利用方法。

“十五”期間,農業部推薦的作物秸稈綜合利用技術包括秸稈青貯、堆肥、氣化、養菇、用于建材和直接還田等;畜禽糞便的處理和利用方式主要有固體圈肥、高溫堆肥、膨化處理、水解處理、蚯蚓處理或是不加處理直接用作肥料等。在所有利用方式中,高溫堆肥以其無害化程度高、腐熟程度高、堆腐時間短、處理規模大、成本較低、適于工廠化生產等優點而逐漸成為作物秸稈和畜禽糞便的首選處理方式。此外,以優質的腐熟堆肥作為基料,配制高附加值的多功能復混肥料和微生物有機肥料的前景也相當廣闊。堆肥化(Composting)是在微生物作用下通過高溫發酵使有機物礦質化、腐殖化和無害化而變成腐熟肥料的過程。在微生物分解有機物的過程中,不但生成大量可被植物利用的有效態氮、磷、鉀化合物,而且能合成新的高分子有機物—腐殖質,它是構成土壤肥力的重要活性物質。傳統有機肥料堆置技術,體積龐大,養分含量低,無害化程度差,生產應用受到很大局限。

現代農業條件下,如何迅速而有效地處理作物秸稈和畜禽糞便等農業固體有機廢棄物,是科技工作者面臨的新挑戰。根據國際公認的廢棄物”減量化、無害化、資源化”綜合治理原則,生物堆肥處理是在人工控制條件下依靠細菌、放線菌等微生物,通過有目的的降解作用,把有機物轉化為腐殖質的生物化學處理技術,從而達到原料的無害化和資源化。這是促進有機廢棄物在農業生產中良性循環并促進環境污染問題得以真正解決的有效途徑,是符合我國國情的最佳處理方法。

4農業固體有機廢棄物堆肥關鍵技術存在問題及解決措施

4.1作物秸稈的快速腐解技術農作物秸稈、植物殘枝及農產品加工廢棄物(酒糟、醋糟、中藥渣等材料)中除粗纖維外,其他組分都較易降解,因此,粗纖維降解速度是決定秸稈腐熟快慢的關鍵。關于加快纖維素、木質素降解的研究,國內外已有大量文獻報道。主要有物理的方法,如α或β-射線輻照、微波處理等;化學的方法,如強酸或堿或氧化劑處理;生物的方法,如接種纖維降解細菌、放線菌、真菌或直接加酶進行處理等。也有將物理、化學及生物方法相結合進行處理。還有用化學-生物聯用技術進行處理,提高腐熟速度,并減少成本和勞力。從處理的經濟上的可行性和技術上的可操作性分析表明,秸稈的生物發酵腐解處理是研究的熱點。

4.2堆肥過程中的廢氣污染防治技術在畜禽糞便的堆肥處理過程中,如果通氣條件良好、微生物活動旺盛,有機物質的分解比較徹底,則產生的臭氣物質濃度就相對較低。當通氣不良而導致堆肥內部出現嫌氣環境時,因有機物分解不徹底就會產生大量的低級脂肪酸和含硫化合物等臭氣物質。糞便處理中臭氣主要由氨和硫化氫的揮發引起的,有氧發酵中的局部厭氧環境是產生惡臭氣味的重要原因,所以,保證堆肥中充足的氧氣供應,從而控制硫化氫的形成和釋放以及氨的揮發,可以較顯著地減少臭氣。因此,堆肥過程中盡量保持堆肥內部處于良好的好氣狀態,特別是堆肥前應對材料的水分含量和通氣性進行調節。實行強制通風和定時攪拌是抑制堆肥過程中臭氣產生的關鍵措施。目前廢氣處理技術按照技術路線可分為3大類:物理方法、化學方法和生物方法。采用物理方法的主要技術有空氣稀釋法、活性碳吸附法和低溫冷凝法等;采用化學方法的主要技術有濕法化學吸收法、焚燒法、催化氧化法和臭氧法等。生物過濾法處理的技術原理是利用微生物將廢氣中無機和有機污染物或惡臭物質分解或轉化為無臭、無害物質。Muthumbi等依據微生物組織形式、液相狀態將生物廢氣處理技術分為生物濾池、生物洗滌塔、生物滴濾池和膜反應器4大類。相比較而言,在現有技術水平狀況下,生物濾池處理成本最低,設備簡單、易于操作和維護,可靠性較好,因此在生產中應用也最廣泛。目前生物濾池處理已被廣泛應用于對于堆肥廠、水處理廠、食品加工廠和部分廢氣濃度較低的冶煉廠和化工廠的尾氣處理。用于廢氣處理的生物濾池技術在我國的研究處于起步階段,尚未見到文獻報道和相關專利。而歐美等發達國家對生物濾池技術研究已經在生物技術和工程設計兩方面取得了重要進展。其中生物學技術研究已經深入到分子水平,研究熱點主要集中在利用現代分子生物學技術篩選、改造與構建高效降解廢氣微生物菌株和菌群結構來提高其降解效率和擴大降解底物范圍;工程技術研究熱點則集中在低成本耐用濾料介質選擇復配、防止氣流短路以及低能耗的濾池構架設計等方面。

4.3畜禽糞便脫水技術畜禽糞便中的含水量一般為75%~85%,這個含水量難以進行堆肥(由于濕度大、使堆肥溫度上不來),從而大大限制了畜禽糞便的資源化利用,因此,畜禽糞便的脫水和堆肥干燥是堆肥的關鍵技術。國外自20世紀30年代開始,就對固液分離的機械設備開展研發工作。經過數十年的發展,已經形成了技術成熟且系統化用于畜禽糞便固液分離的機械設備。如日本開發的擠壓式固液分離機,具有結構簡單、不堵塞等特點,該機器能將含水量80%以上新鮮畜禽糞便脫水至60%以下,且脫水能耗小、機械設備投資成本不高。近10年來,國內有關用于糞便固液分離設備的研究取得了較大進展,我國”九五”科技攻關項目”規模化蛋雞場糞污處理關鍵設備研究”和”規模化豬場糞污處理關鍵設備研究”開展了對XJG-25型斜板擠壓固液分離機和螺旋機固液分離機的研究。這兩種機械在養殖場推廣使用,均取得很好的效果。但存在的普遍問題是在分離含纖維多的糞水時易堵塞,且機械故障多,易磨損,使用成本高。因此,引進國外脫水機械和技術是解決高濕固體有機廢棄物資源化的關鍵環節之一。

4.4固體有機廢棄物處理機械和工藝技術目前常用的好氧堆肥技術有很多種,分類也較復雜。按照有無發酵裝置可分為:開放式堆肥系統和密閉堆肥系統。相對于開放式系統,密閉堆肥系統有很多優點:堆肥周期短,堆肥設備占地面積小,能夠進行很好的過程控制(水、氣、溫度),堆肥系統不受氣候條件的影響,且能夠對廢氣進行統一的收集處理,防止環境的2次污染。該系統在我國已被一些堆肥場采用,但目前非常缺乏成功運行的攪拌設備和廢氣處理系統,導致堆肥場大氣環境較差,且攪拌機械運行可靠性差,影響堆肥場的正常運行。因此,需要通過引進與消化國外先進技術,創新地研究出價格低、工作效率高的機械設備和高效的臭氣消除系統。作物秸稈與畜禽糞便的混合堆制是產生優質堆肥的最佳組合,但在發酵工藝方面仍沒有大的突破,主要原因是秸稈的堆肥處理周期較長影響處理速度,在處理過程中若添加篩選的高效菌種和配合秸稈破碎則其腐熟時間可大大縮短。

因此,在今后的秸稈堆肥處理中,除需要繼續進行高效菌種的篩選外,還需考慮秸稈的簡便、快速和低成本破碎技術,以增大堆肥秸稈與發酵菌的接觸面積從而提高發酵速度。在此基礎上,將新技術的引進吸收、消化整合與自主創新相結合,解決好畜禽糞便的脫水和堆肥場的廢氣防治等制約我國農業固體有機廢棄物堆肥產業化的瓶頸問題,促進作物秸稈和畜禽糞便的資源化利用及工廠化生產。