农业废弃物的生物处理技术

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4.2 沼气干发酵技术
沼气干发酵装置
1.国外沼气干发酵装置 德国于20世纪90年代就进行间歇式沼气干发酵技术装备研发。目前欧 洲主要采用4中沼气干发酵工艺，即Dmnco竖式推流发酵、Valorga竖式 气搅拌、Kompogas卧式推流发酵和Lingle-KCA卧式推流发酵，这4种 工艺已实现商业化运作。 2.国内沼气干发酵装置 我国起步较晚，在21世纪初才开始干厌氧发酵反应器的研究。韩捷等 研制出新型沼气干发酵反应器-覆膜槽生物反应器（Membrane Covered Trough bioreactor,简称MCT），并开发出规模化的沼气干发酵技术和 成套装置。该项技术在工程上解决了沼气干发酵进料难得问题，便于管 理、节约用地，提高了实用性和经济性。
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图4 秸秆原料生产乙醇流程示意图
4.3 农业废弃物生物转化制燃料乙醇技术
秸秆的预处理技术
1.秸秆预处理的必要性
①纤维素； 秸 秆 ①化学性质很稳定 的高分子化合物； ②不溶于水，也不 不经预处理 溶于一般的有机溶 剂； 纤维素酶水解 ③交织在一起形成 细胞壁结构，相互 制约。
木 质 ②半纤维素； 纤 维 ③木质素。 素 预 处 理
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3. 农业废弃物资源化利用的途径
利用 途径
3.1 能源化
3.2 基质化
3.3 饲料化
3.4 材料化
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3.1 能源化利用
01
02
沼气工程 技术
06
热解液化 技术
03
生产木糖 醇
05
利用途径
04
生物转化 制乙醇
生产单细 胞蛋白
14
生物制氢
3.2 基质化利用
基质化利用是指农业废弃物经过适当处理后用作农业 栽培的原料。农业废弃物可用作不同基质的制作原料。基质 为植物根系提供水、气、肥等营养，并对植物起到支持和固 定作用。 农业废弃物基质化工艺
和农村城镇生活垃圾等。通常我们所说的“农业废物”主要
指农作物秸秆和畜禽粪便。
j 4 秸 秆
1.2 农业废弃物的分类
5
1.3 农业废弃物的特点
1.元素的组成 除C、O、H三元素的含量高达65%—90%外， 还含有丰富的N、P、K、Ca、Mg、S等。 2.化学组成 一是天然高分子聚合物及其混合物，如纤维 素、半纤维素、淀粉、蛋白质等；二是天然小分 子化合物，如氨基酸、生物碱、单糖、激素、抗 生素、脂肪酸等。 3.物理性质 表面密度小、韧性大、抗拉、抗弯、抗冲击 能力强等。
一 定 的 粮 食 危 机 ①2005年起，在“向玉米要能源’’的推动 下，我国东北一些地方上燃料乙醇项目热情高 涨。 ②2006年底全国以生物燃料乙醇名目提出的 建设意向生产能力已超过千万吨，其中很多是 以粮食为原料。 ③以粮食生产生物燃料，粮食不再仅仅是食物。 ④使粮食买卖投机兴盛，导致了粮食市场扭曲， 并使粮价不断攀升。 目前看来，承担改变中国 能源结构重任的，是以秸 秆为代表的植物纤维。
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∙利用棉秆皮、棉铃壳等含有的酚式羟基化学成分可制成 聚合阳离子交换树脂吸收重金属等。
4. 农业废弃物的生物处理

4.1 堆肥技术
4.2 干发酵技术
4.3 生物转化制燃料乙醇技术
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4.1 堆肥技术
概念
堆肥技术是利用微生物的作用，将不稳定的有机质转化为较稳定的有 机质，使废弃物中挥发性物质含量降低，臭味减小，物理性状明显改善 。高温堆肥还可以杀灭堆料中的病原菌、虫卵和草籽，堆肥产品作为土 壤改良剂和植物营养源。
4.2 沼气干发酵技术
沼气干发酵影响因素
3.发酵原料干物质浓度 对于不同的发酵原料干物质浓度会有所不同，一般根据温度、pH值等 发酵条件通过试验确定干物质浓度。冷成保等研究暗河式生活垃圾干发 酵处理指出较理想的干物质浓度是 25%～30%；石利军等以牛粪秸秆为 原料，在C/N 比=25～30，T=36℃条件下研究干物质浓度对厌氧发酵产 沼气影响，结果表明10%的干物质浓度产沼气效果最好。 4.温度
糖得率很 低，一般在 理论得率的 20％以下。
则能大幅度地提高 秸秆作为乙醇化原料的 可利用性，并降低酶解 成本。 31
结论
进行适当的预处理 对于实现秸秆的高值利 用是必要的。
4.3 农业废弃物生物转化制燃料乙醇技术
秸秆的预处理技术
2.秸秆预处理的方法 目前，对秸秆进行预处理的研究十分众多。从分类上讲，预处理方法 主要包括物理法、化学法和生物法，或者是其中多者的组台。 (1)物理预处理方法 比较常用的物理处理方法是机械粉碎，通过破碎、碾磨等方式将秸秆 粉碎为10～30mm的切片或0.2～2mm的颗粒，随着粉碎程度加深，表面 积也逐渐增大，酶解速度加大。高温分解也可以作为木质纤维原料预处 理的方法。当秸秆在300℃以上的高温下处理时，纤维素会快速分解成为 气体和残留固体。 此外，高能射线如电子射线、γ射线等也可对纤维素原料进行预处理， 电离辐射可以使纤维素聚合度下降。
≈
3.67亿ha天然 草地产草量
≈
养殖量约为 4.6亿只羊
大多可以 直接饲喂
也可经过一定加 工处理后饲喂
优点：可以提高其营养利用率 和经济效益。
加工处理方法：粉碎等物理方法、酸 碱处理等化学方法和微生物发酵等。 16
3.3 饲料化利用
2. 动物性废弃物饲料化 动物性废弃物主要指畜禽粪便和加工下脚料。如鸡粪的 有效能值为7 524 kJ/kg,含粗蛋白27%左右，无氮浸出物20% 以上，还含有丰富的钙、磷和微量元素，通过特定的物理、 化学和微生物方法处理后可作为畜禽饲料。但是，动物性废 弃物的饲料化利用存在一定的安全隐患，目前人们对动物性
综合堆肥技术应用实例
1.蚯蚓堆肥技术 底 物
及农 废作 渣物 秸 秆 禽 类 粪 便 城 市 生 活 垃 圾 蚯蚓消化系统
蚯蚓体：优质动物蛋白，可用 于养殖。
微生物
有 机 污 泥 等
产 物
代谢产物：富含植物必须的N、 P、K等养分，可作肥料。
4.1 堆肥技术
综合堆肥技术应用实例
2.高温快速堆肥技术与蚯蚓堆肥技术结合 优点：高温快速堆肥技术与蚯蚓堆肥技术相结合可有效地解决高温快 速堆肥过程中因处理时间短，腐熟度达不到，产品需进一步处理等问题 。
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2. 我国农业废弃物的现状及资源化潜力


2.1 我国农业废弃物的现状
2.2 我国农业废弃物的资源化潜力
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2.1 我国农业废弃物的现状
变化
种植业向省工、高效的方向转变
现状
农业废弃物堆积
大量化肥代替原用农家肥
养殖业向集约化、城郊化靠拢 人工饲料代替农业废弃物饲料
农业废弃物利用率低
环境污染问题 资源浪费问题
废弃物的饲料化利用观点不一致，存在争议。
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3.4 材料化利用
材料化利用是利用农业废弃物中的高蛋白质资源和纤维性材料生产 多种生物质材料，比如：
∙生产纸板、人造纤维板、轻质建材板； 高纤维性 植物废弃 物 ∙通过固化、炭化技术制成活性炭；
∙生产可降解餐具材料和纤维素薄膜。
∙稻壳作为生产白碳黑、炭化硅陶瓷、氮化硅陶瓷的原料； 实 例 ∙秸秆、稻壳经炭化后生产钢铁冶金行业金属液面的新型保温材 料；
2.2 我国农业废弃物的资源化潜力
3.小结
由上可知，我国农业废弃物具有巨大的资源化潜力，将这些废弃物通 过合理的资源化利用技术转化为资源，为人类所利用，有利于解决因农 业、畜牧业快速发展带来的环境污染和资源浪费等问题，这对于实现农 业循环经济的发展，促进“三农”问题的解决，推进社会主义新农村建 设等都具有重要的现实意义。
1.C/N比 在干发酵过程中，CH4不断生成，导致原料的C/N比不断下降，因此进 料时的C/N比可适当调高些，研究表明，C/N比在20:1～30:1最适于沼气 干发酵。
2.预处理
农业固体废弃物化学组成含有纤维素、半纤维素、木质素，这些成分 在自然条件下很难分解，采取适当的预处理，可有效提高产气率以及原 料的利用率，常见的预处理方法有破碎、热处理、酸碱处理等。
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4.3 农业废弃物生物转化制燃料乙醇技术
燃料乙醇
乙醇俗称酒精，它以粮食及各种植物纤维为原料，经发酵、蒸馏制成。将乙醇 进一步脱水再与适量汽油混合后即可形成“燃料乙醇"，又称乙醇汽油。如图3所 示乙醇是太阳能的一种表现形式。在整个自然界大系统中，乙醇的生产和消费过 程可形成无污染的闭路循环，永恒再生，永不枯竭。
堆肥过程中的影响因素
堆肥过程受许多环境因子的影响，如C/N比、水分、氧气浓度、粒度、 pH值、温度等。表3列出了一些堆肥参数的合理范围和优先范围，这些数 值可能根据堆肥原材料的不同而有所变化。
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4.1 堆肥技术
综合堆肥技术
随着我国经济的快速发展，农业固体废弃物的排放量不断增加，成分 日趋复杂，为提高固体废弃物的处理效率，人们不再局限于单一的、传 统的堆肥处理技术，而是将不同的技术有机结合逐步向多元化发展。
① 中国政府果断叫 停粮食乙醇化项目。 ②实行生物燃料乙 醇项目核准制。 ③国家的燃料乙醇 产业规划中，更明 确了“非粮化"的 思路。
4.3 农业废弃物生物转化制燃料乙醇技术
秸秆乙醇化工艺流程
以秸秆为原料生产乙醇技术主要包括秸秆原料的预处理、酶水解和乙 醇发酵3个过程(如图4所示)。目前,在秸秆乙醇化过程中，预处理费用过 于昂贵、纤维素酶成本高、缺乏产乙醇的高转化率微生物菌种等是其主 要技术障碍。其中，仅预处理部分的花费就要约占总成本的1/3。
3.普通堆肥与蚯蚓堆肥技术结合
优点：普通堆肥与蚯蚓堆肥技术相结合具有缩短反应时间、提高堆肥 质量、对环境危害小、很好的控制病原菌等优点。
小结：实践证明，综合堆肥技术不仅能加快堆肥的腐熟过程，更能有效
解决堆肥处理过程中的处理率和堆肥应用间的矛盾，从而实现废物的减 量化、无害化及资源化，是处理农业固体废弃物切实可行的途径。
主要内容
1.农业废弃物的相关概念 2.我国农业废弃物的现状及资源化潜力 3.农业废弃物资源化利用的途径 4.农业废弃物的生物处理技术 5.总结
重要内容
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1. 农业废弃物的相关概念

1.1 什么是农业废弃物 1.2 农业废弃物的分类 1.3 农业废弃物的特点
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1.1 什么是农业废弃物？
农业废弃物(agricultural residue)，是指在整个农业生 产过程中被丢弃的有机类物质，主要包括：农林业生产过程 中产生的植物残余类废弃物，畜牧渔业生产过程中产生的动 物类残余废弃物，农业加工过程中产生的加工类残余废弃物
厌氧干发酵温度一般在中温（30～45℃）条件下产气较好。
5.pH值 pH对生物体内各种酶的活性有一定影响，在中性条件下更适合菌的生 长，促进沼气的产生。
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4.2 沼气干发酵技术
沼气干发酵影响因素
6.搅拌 通过搅拌可实现微生物和底物的有效接触，促进传质、传热效率， 从而提高沼气消化效率。国外许多国家在沼气发酵过程中设置混合搅拌 装置，搅拌方式有气体搅拌、水利搅拌、机械搅拌，搅拌模式分为连续 搅拌和间歇式搅拌。
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焚 烧 的 秸 秆
遗弃的秸秆
2.2 我国农业废弃物的资源化潜力
1.农作物秸秆
我国是农业大国，秸秆资源非常丰富。据统计，2009 年全国农作 物秸秆理论资源量为8.20亿t（风干，含水量为15%），其中稻草、麦 秸和玉米秸三大农作物秸秆分别为2.05亿t、1.5亿t、2.65亿t，约占 资源总量的75.6%，农作物秸秆折标煤总量为4.04亿t（表1）。
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图3 纤维素乙醇在自然界中的循环
4.3 农业废弃物生物转化制燃料乙醇技术
纤维素类农业废弃物生产燃料乙醇的意义
Βιβλιοθήκη Baidu
我国推行乙醇汽油清洁燃料，对我国的能源安全、农业建设和环境保护 等方面将起到积极的推动作用。 （1）减少对进口石油的依赖，提高能源安全； （2）建设农村经济，带动农民增收； （3）降低温室气体排放，改善大气环境。
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2.2 我国农业废弃物的资源化潜力
2.畜禽粪便
近年来，随着我国经济的快速发展和人们生活质量的不断提高，对畜 禽产品的需求量也在不断增加，这使得畜禽养殖模式不断从散养向规模 化、集约化养殖转变，促使集约化、规模化养殖业迅猛发展。但与此同 时，畜禽粪便的产生量也在逐年增加，据统计，2012 年我国畜禽粪便年 产量约12.69×108t，折算为标煤年产能总量达9430万t（表2）。
种农 植业 食废 用弃 菌物 基 质
3.3 饲料化利用
目前，农业废弃物的饲料化主要分为植物纤维性废弃物的饲料化和动 物性废弃物的饲料化，因为农业废弃物中含有大量的蛋白质和纤维类物质, 经过适当的技术处理便可作为畜禽饲料应用。
1.植物纤维性废弃物
植物纤维性废弃物主要指秸秆。当前我国秸秆的饲用量约为1.6亿t。 1.6亿t 秸秆
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4.2 沼气干发酵技术
概念：
沼气干发酵又称固体厌氧发酵，是以畜禽粪便、秸秆等有机固体废弃 物为原料，在干物质浓度为 20%以上的条件下，利用厌氧菌将废弃物分 解为CH4、CO2等气体的发酵技术，它是处理有机废弃物资源化的有效途 径。
图2 沼气发酵基本流程 23
4.2 沼气干发酵技术
沼气干发酵影响因素