农业废弃物的资源化利用

东北农业大学农学硕士学位论文
1前言
1.1 研究背景
农业废弃物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和农村城镇生活垃圾等[1,2] 。

而日常所说的农业废弃物主要是
指狭义农业废物即农作物秸秆和畜禽粪便。

本课题所说种植类及其加工废弃物指其中农业生
产及加工过程中产生的废弃物。

中国是世界上农业废弃物产出量最大的国家，每年大约产出40 多亿吨。

随着农业经济的不断发展，农作物的产量随之提高，同时畜禽养殖数量也逐渐增加，使得农业废弃物种类和
总量逐渐上升。

然而近几年农村劳动力的缺失和劳动成本的增加，对用于农业废弃物的利用
率越来越低，导致农业废弃物随意遗弃现象严重。

1.1.1 我国农业废弃物特点
我国农业废弃物主要由 4 个部分构成：养殖业废弃物，种植业废弃物，农村生活垃圾和
农业加工废弃物[3] 。

1.1.1.1 养殖业废弃物
养殖业废弃物包括畜禽粪便和栏圈垫物等。

其资源来自于牧、渔业生产过程中产生的残
余物，主要来自圈养的牛、猪和鸡 3 类畜禽。

畜禽粪便年产出量约为26.1 亿吨，其中牛粪
12.7 亿吨，猪粪 4.7 亿吨，羊粪吨。

畜禽粪便资源量最丰富的
5.4 亿吨，家禽类 3.3 亿吨，乡镇生活垃圾和人类粪便
6 个省份的排序为河南、山东、河北、四川、湖南、云南
2.5 亿
[4] 。

随着畜禽养殖业的快速发展，粪便的生产量还会增加，预计到2020年，我国畜禽粪便量将达到40 亿吨[5]。

1.1.1.2 种植业废弃物
表 1-1 2009 年农作物秸秆资源量
Tab.1-1 crop straw resources of 2009
秸秆种类可收集资源量（亿吨）占理论资源量百分比 (%)
稻草 2.0525%
麦秸 1.5018.3%
玉米秸 2.6532.3%
棉秆0.2584 3.2%
油料作物秸秆0.3737 4.6%
豆类秸秆0.2726 3.3%
薯类秸秆0.2243 2.7%
可收集总量 6.8783.8%
种植业废弃物包括农田、食用菌种植及果园残留物如作物的秸秆、蔬菜的残体或果树的
枝条、落叶、果实外壳等。

农作物秸秆7.0 亿吨，其中稻草 2.3 亿吨，玉米秸秆 2.2 亿吨，豆类和杂粮作物秸秆 1 亿吨，花生、薯类藤蔓和甜菜叶等蔬菜残体 1.8 亿吨。

2009 年我国农作物秸秆理论资源量为8.2 亿吨，而可收集资源量约为6.87亿吨，具体分类见下表1[6]。

调查结果显示，我国的秸秆为利用资源量非常丰富，具有巨大的资源利用潜力[7] 。

1.1.1.3 农村生活垃圾
农村生活垃圾包括农村居民生活废弃物如人粪尿和生活垃圾等。

乡镇生活垃圾和人类粪
便约为 2.5 亿吨。

而这些废弃物虽然相比其他量不是很大，但是不能得到及时处理，也会对
环境造成污染同时浪费资源。

1.1.1.4 农业加工业废弃物
农业加工工业废弃物包括农副产品加工后的剩余物例如稻壳、麦麸、玉米芯、锯末、秸
秆、树皮、果壳、蔗渣、菇渣、酒糟渣、中药渣等，主要来源于动植物。

其中肉类加工和农
作物加工废弃物 1.5 亿吨，林业废弃物0.5 亿吨；其他类有机废弃物约有0.5 亿吨。

农产品在初加工过程中产生的废弃物主要包括甘蔗渣、玉米芯、稻壳、花生壳等，这些废弃物的年产
量现已超过 1 亿 t。

随着粮食产量的增长，这些废弃物也会增加，预计到2020年将达到 2 亿t。

2006-2010 年我国木材采伐剩余物和加工剩余物量为8056万吨，折合4592万吨标准煤，加上各类经济林抚育管理期间育林剪枝所获得的薪材实物量4813 万吨，折合标准煤2743 万吨，实物量共计为12869 万吨，可折合7335 万 t 标准煤[8]。

1.1.2 农业废弃物资源化利用意义
到
由于农业生产的迅速发展和人口不断增加，这些废弃物以年
2020 年我国农业废弃物产生量将超过50 亿吨，其中秸秆将达到
5%~10% 的速度递增。

预计
9.5 亿吨 ~11 亿吨，畜禽
粪便将达到41 亿吨[1]。

如果把这些农业废弃物随意丢弃或者排放到环境中，不能被作为资源利用，将会造成严重的空气污染、水污染、固体废弃物污染，将对人们的身体健康带来很大
危害，值得重视。

同时，农业废弃物具有数量巨大，具有可再生、再生周期短、生物降解、
环境友好等优点，是重要的生物质资源。

1.1.
2.1 消除日益严重的环境污染
秸秆目前，我国是世界上农业废弃物产出量最大的国家，每年大约有
7.0 亿 t，畜禽粪便排放量26.1 亿 t ，废弃农膜等塑料
40 多亿 t ，其中农作物
2.5 万 t ，乡镇生活垃圾和人粪便
2.5 亿 t，蔬菜废弃物
弃物每年约达3700万1~1.5 亿 t，肉类加工厂废弃物
3
m ，相当于1000 万 t 标准煤
0.5~0.65 亿 t ，饼粕类0.25 亿 t，林业废
[9]。

随着市场经济的快速发展，种植业逐
渐转向集中、高效、清洁的方式，传统的个体堆肥技术已经不能适应现代农业的发展需要。

从而农业废弃物在原有堆肥的利用上又面临着新的问题和挑战。

农业废弃物的污染主要表现
为： (1) 秸秆焚烧和臭气引起的空气污染[10] ；(2)重金属、农药和兽药残留引起的土壤污染；(3)农业“白色污染”；(4)粪便等造成的水源污染[11] ；(5)农业废弃物引起细菌和病毒的传播。

上
述污染均是伴随着农业生产过程产生的。

合理利用农业废弃物资源可以有效地降低或者消除
以上存在的环境污染问题。

因此，在大力发展农业的基础上，合理利用农业废弃物资源是非
常必要的[12]。

1.1.
2.2 改善耕地土壤质量
随着农业生产日益集约化，生产资料投入的增加，农业生产有了飞跃的发展，传统的有
机肥料面临被抛弃的境地。

根据全国化肥试验网肥料长期定位试验和国家土壤肥力与肥料效益
监测资料显示，近年来，我国耕地土壤有机质含量有下降趋势，土壤缓冲能力减弱，抗灾
能力衰退，化肥利用率低，土壤肥力降低。

实现农业废弃物的肥料化利用,生产有机肥料可以补充土壤养分，提高土壤中营养元素的有效性,并有助于改善土壤质地。

1.1.
2.3 解决农村能源短缺问题
我国的人均生活用电很低不到韩国的五分之一，而人口占全国总人口的
电力供应缺口更大。

因此生物质能一直是农村的主要能源之一，农村生活用能源仍有70% 以上的农村
57% 依
靠薪柴和秸秆。

薪柴消费量超过合理采伐量的15%，导致大面积森林植被破坏，水土流失加
剧和生态环境失衡。

如果用当前农林废弃物产量的50% 作为电站燃料，可发电4000亿kW ·h，占目前我国总耗电量的30％左右。

要实现我国经济的快速发展目标，因地制宜地利用当地生
物质能资源，秸秆、薪柴、谷壳和木屑等，建立分散、独立的离网或并网电站拥有广阔的市
场前景。

“九五”以来的全国生态农业和生态家园建设的实践已经证明，有效利用农林废弃物和
乡镇生活废弃物，发展农村沼气等能源工程和生态农业模式，可有效地促进生态良性循环，
减轻对森林资源的破坏，减少土壤侵蚀和水土流失，保护生物多样性。

1.2 研究目的及意义
本文拟将从循环经济的视角对黑龙江农垦农业废弃物中种植类及加工废弃物的资源化利用
问题进行研究，在对现有的废弃物资源化利用方式进行概述的基础上，紧密结合黑龙江农垦的
实际情况，初步提出种植业废弃物综合利用模型及其效益评价指标，为最大程度上实现农垦农
业种植类废弃物的资源化提供理论指导和相关建议并做出进一步探讨，希望达到以下
目的：
（ 1）深入调查黑龙江农垦现有的农业种植类废弃物的种类、数量及其处理方式、资源化程度以及相关政策，分析现有方式的优缺点，找出最佳改进方式的切入点；
（ 2）建立黑龙江农垦农业种植类废弃物的综合利用模型，旨在最大程度的实现农业废弃
物的资源化；
（ 3）完善农业种植类废弃物综合利用效益评价体系，为不同的废弃物利用方式进行效益
评价；
（ 4）通过该研究强调农垦农业种植类废弃物的资源化利用，最大限度的让农民分享到农
业循环经济发展所带来的好处。

通过对黑龙江农垦种植类农业废弃物资源化利用的分析优化及效益评价，在环境方面能
够找出最佳的资源化利用方式及利用分配以达到最大程度的利用。

综合利用效益评价可从经
济方面得出最佳的农业循环发展的模式，在达到环保性和可持续发展的基础上，给农民带来
最大的经济效益。

1.3 国外研究现状及分析
国外对种植类农业废弃物的开发利用较早，也比较完善。

主要以下几个方面[13] ：
1.3.1 农业废弃物处理废水
传统的废水处理方法是利用粒状活性炭以及从原油中发分离的聚合物转移废水中的有毒
金属等物质。

而Purdue大学的研究院将农副产品加工废弃物用于处理工业和生活污水，且效
果不错。

吸附是一种用于去除替代或从水溶液中回收金属离子的新兴技术。

生物吸附比传统方
法有一定的优势，包括：低成本、高效率、最小的化学或生物污泥、生物吸附剂的再生和
金属回收的可能性。

D. Sud 等研究表明纤维素类农业废弃物是具有显著金属吸附作用的丰富来源，生物质废
弃物中的官能团对重金属离子有很强的亲和力，从而形成金属络合物或螯合物[14] 。

而这些官能团主要包括：乙酰氨基，酒精，羰基，酚基，酰胺基，氨基，巯基等。

吸附过程的机理包
括化学附着、络合作用、表面吸附、气孔扩散和离子交换等。

D.K. Mohamad等也利用吸附作用吸附去除阳离子和阴离子燃料，同时也得出农业废弃物吸附燃料的吸附能力有所不锁，受
溶液的 PH 值、燃料初始浓度、吸附剂用量和处理温度影响[15]。

B.H. Hameed 等对用蒜皮从水溶液出去亚甲蓝（MB ）的吸附能力进行了评价，利用伪一阶和伪二阶动力学模型对数据
进行分析，结果表明蒜皮可以作为一种燃料吸附剂用于替代更为昂贵的吸附剂[16]。

另外，U.K.
Garg 和 Z. Aksu 等分别用甘蔗渣、玉米秸秆和甜菜渣从水溶液中吸附去除其中的六价Cr( Ⅵ )和Cu( Ⅱ ) 离子[17, 18]。

1.3.2 农业废弃物清洁油污
A. Srinivasan 和 T. Viraraghavan 评估了四种类型的生物质材料去除水中油的效率，在研究
中使用的是标准的矿物油、植物油和切削油。

利用材料为伴随着壳聚糖和核桃介质的鲁氏
毛霉和蓝色犁头霉两种真菌生物。

发现无活性的鲁氏毛霉从水中去油效果比蓝色犁头霉更有
效，且鲁氏毛霉的去油效率在77-93% 之内， PH 为 5.0 。

标准矿物油、植物油和切削油的吸附
容量分别为 77.2 、92.5 和 84毫克 /克[19, 20]。

S. Ibrahim和 S. wang 利用大麦秸秆由阳离子表面
活性剂作为吸附剂以从水溶液中去除乳化菜籽油。

同时利用N 2吸附、 FT-IR 、 SEM 、表面酸
性和吸附剂解析分析了改进后的大麦秸秆表面活性剂的组织和结构特性。

从吸附温度、溶液
的 PH 值、装载吸附剂和粒度四个因素分析了对油的吸附性能。

动力学研究表明平衡时间较
短，等温线研究表明油的吸附与Langmuir模型拟合很好。

从Langmuir吸附等温线测定的吸
附容量为576.0 ±0.3mg/g （ 25℃）[21]。

1.3.3 农业废弃物作为能源
1.3.3.1 制备甲烷
P. Weiland从沼气的生产和环境影响方面从出发，分析了现阶段生产沼气（甲烷）的主
要生产方式。

发现生物残渣和废物的厌氧消解既能生产沼气同时还能得到一种可用性更高和
更好的氮肥。

最后综述了沼气生产中生化参数和原料影响微生物转化和天然气产量的效率和
可靠性[22]。

城市固体废弃物和木质纤维素生物质如农作物秸秆和能源作物的有机部分都可通
过 SS-AD 进行处理。

Y. Li 和 S.Y. Park 等分析了固态厌氧消化（SS-AD ）的优缺点和主要技术参数。

对不同原料的沼气生产产量的变化进行了讨论，同时需要对木质纤维素生物质需要
预处理以提高沼气产量。

并对主要操作参数如：C/N 比、固含量、温度、接种对SS-AD 性能的影响进行了总结。

提高工作温度可以提高沼气产量和生产料率。

并对用于当前商业规模的
SS-AD 系统的不同反应装置和经济对系统选择的影响都进行了讨论[23]。

而 S. Karellas 等提出厌氧消化是目前农业废物利用防止污染和高效能源生产的非常有前途的解决方案。

但由于这
项技术存在一定的不足，文章的目的是介绍一种基于农业原料的沼气厂项目经济评价的投资
决策工具包[24] 。

R. Chandra等通过从木质纤维素主要农作物废弃生物质（玉米，小麦，水稻
和甘蔗）的生物途径提出关于可再生甲烷燃料生产的工艺并进行了全面的探讨。

同时对生物
甲烷化过程中的最佳生产条件也进行了探讨。

与生物乙醇生产比较得出甲烷产量潜力和能量
分析。

从厌氧消化及酒精发酵的总体参数分析得出啊产品能够木质纤维素农作物废弃物生产
生物沼气发电更经济，是生物质利用有利于环境的能源生产的可持续性途径[25] 。

1.3.3.2 制备乙醇
1.3.3.3 制备氢气
1.3.3.4 其他能源用途
1.4 国内研究现状及发展
1.5 主要研究内容
黑龙江农垦农业废弃物资源化利用方式的完善，不但能促进该地区农业循环经济的实现，
而且对我国其它地区的农业经济提供借鉴模式。

农业废弃物未得到妥善处理不但是资源的损
失，也会引发一系列的环境问题。

尽管目前我国在这方面已经有一定的进步，但是与发达国
家相比还有一定的差距。

因此，完善我国农业废弃物资源化综合利用方式，已成为亟需关注
的问题。

本论文围绕黑龙江农垦农业废弃物的资源化利用展开研究，对各类农业废弃物的利用方
式进行系统研究，探讨如何建立黑龙江农垦农业废弃物的综合利用模型、构建农业废弃物综
合利用效益评价体系，从实体和程序方面解决黑龙江农垦农业废弃物资源化利用的种种问题。

这对促进农业循环经济的实现具有重要意义。

同时对完善相关政策法规具有重要的理论价值
和现实意义。

（ 1）深入调查黑龙江农垦现有的农业废弃物的种类、数量及其处理方式、资源化程度以及相关政策。

黑龙江农垦每年到底产生多少农业废弃物，这些农业废弃物在时间和空间上的分
布格局，目前尚没有准确的数据和记录。

对农业废弃物的产生量和危害的粗略估算，大多数也
仅仅是由作物和养殖规模估算得出，而且不同部门公布的统计数据出入也很大；对于农
业废弃物的利用状况如何，农业废弃物是如何处置处理的，各种消化和利用途径的比例及具
体应用情况如何，没有量化的数据，也没有估算的标准统计数据。

根据农业废弃物的数量、
特点以及依据地区特点和经济发展状况因地制宜确定的农业废弃物综合利用模式有哪些，也
都没有明确的数据。

因此深入调查黑龙江农垦现有的农业废弃物的种类、数量及其处理方式、资源化程度以及相关政策，避免我国农业废弃物资源利用的盲目性，为制定切实可行的政策
提供依据[26]。

（ 2）建立黑龙江农垦农业废弃物的综合利用模型。

我国农业废弃物资源化利用创新性技
术少，有自己知识产权的技术和有很好适应性能以及推广价值的技术更少，转化产品品种单一、
质量差、利用率低、商品价值低。

一些成熟技术却无法实现产业链的延伸和配套技术间的兼容，
农业废弃物饲料化处理技术实施以后就成为了整个技术的终端。

高效的机械设备与生物技术无
法有机结合，工艺和工程技术得不到升级，设备水平得不到提高，不能有效地转化农业废弃物，
实现资源化利用。

与此同时，设备的投入、财政的支撑和吸纳社会资金的能力不足，一些很好
的技术在产业化的转化过程中，得不到应用和推广，导致废弃物的资源化利用在低水平上重复，
无法有效实现产业化推广，不能适应社会。

因此，根据黑龙江农垦的现状，利用现有最先进的
技术，建立农业废弃物综合利用模型，具有重要意义。

（3）完善农业废弃物综合利用效益评价体系。

对不同的农业废弃物利用方式从生态效益、经
济效益和社会效益三个方面进行评价，最后得出其综合效益，并据此提出优化黑龙江农垦
农业废弃物资源化利用结构的建议。

2、农业废弃物资源化利用的现状
中国农业废弃物再利用有着悠久的历史，堆肥和沼气技术在传统的生态理念指引下被广
泛应用，从全国生态农业示范县收集到的 370 多个生态农业实用模式中，有 1/3 是以农业废弃物的循环利用技术为纽带联结形成的高效生产模式。

近些年来，我国农业废弃物资源再利
用的方式主要有能源化、肥料化、饲料化和材料化等。

2.1 能源化利用生物质能是仅次于煤炭、石油、天然气的第四大能源, 在世界能源消费总量中
占14% ，而且与前三大能源相比具有可再生的独特优势。

我国农业废弃物的生物质能是农村
能源的重要组成部分，在解决农村能源短缺和农村环境污染方面有重要的价值。

近年来，中
国先后对禽畜粪便厌氧消化、农作物秸秆热解气化等技术进行了攻关研究和开发 ,已经取得了一定成绩。

比如利用粪便产生沼气发电 ,燃烧秸秆产生热能供热 ,将有机垃圾混合燃烧发电等。

2.2 肥料化利用农业废弃物和乡镇生活垃圾的肥料化在提高土壤肥力，增加土壤有机质, 改善土壤结构等方面有其独特的作用。

2.3 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。

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，相当于 3.67 亿 h ㎡天然草地的产草量,其相应的养殖量约为 4.67 亿只羊单位 ,占我国草食畜养殖总量的3/4。

秸秆大多可以直接饲喂，经过一定的加工处理,可以提高其营养利用率和经济效益。

加工处理方法包
括粉碎等物理方法、酸碱处理等化学方法和微生物发酵等。

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，
目前人们对动物性废弃物的饲料化利用观点不一致，存在争议。

2.4 材料化利用利用农业废弃物中的高蛋白质资源和纤维性材料可生产多种生物质材料，比
如利用农业废弃物中的高纤维性植物废弃物生产纸板、人造纤维板、轻质建材板,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,利用稻壳作为生产白碳黑、炭化硅
陶瓷、氮化硅陶瓷的原料，利用秸秆、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，利用棉秆皮、棉铃壳等含有酚式羟基化学成分制成聚合阳离子交换树脂吸收重金属。

农业废弃物资源利用中存在的主要问题
3.1 农业废弃物资源总量不清
中国每年到底产生多少农业废弃物，这些废弃物呈怎样的分布利用状况如何，对环境造成多
大影响，没有准确的数据和记录，现有的来自不同部门的数据出入很大，真伪难辨。

3.2 重视程度不够,缺乏相关政策法规
国家目前没有完整的农业废弃物利用的专门法律法规农业，主管部门只重视“肉、蛋、奶”
等农产品的生产，不重视农业废弃物的利用。

即便在当前注重环境保护和食品安全的大背景
下，对农业废弃物的处理和资源化利用也没摆在应有的位置。

现有的农业废弃物的管理体制
和相关标准可操作性差 ,更谈不上预警、监测体系。

3.3 农业废弃物利用技术落后，利用率低
虽然我国农业废弃物利用有着悠久的历史，但是创新性技术少，推广价值不高，农业废弃物
的利用率很低。

比如秸秆的利用，大多数还是采用直接燃烧供热或者还田的方式 ,缺乏先进的利用技术。

3.4 农业废弃物转化产品单一，商品价值低
农业废弃物产品开发缺乏主攻方向，品种单一，质量不高，商品价值低。

比如畜禽粪便的利
用，大多数采用烘干后直接饲喂的方式，缺乏对其有效营养价值的分析利用，没有形成创新
型的饲料产品。

3、我国农业废弃物资源利用的发展前景
3.1 要树立总体发展思路
中国在未来15～20 年农业废弃物的产生总量依然呈增加的趋势，如果不加合理的利用和处理，
农业废弃物，尤其是畜禽养殖对环境的污染将更加严重。

农业废弃物的处理与资源化不仅关系
到资源的再利用和环境安全，而且与农业的可持续发展和农村小康社会的建设紧密相
关，必须树立农业废弃物资源化的总体发展战略思路。

按循环经济理论 ,以人为本，由废弃物的生态循环开始 ,逐级发展到循环农业、循环社会的“三环”循环总体发展战略思路：第一个“环”是从农业本身发展的层面，按照生态循环原理，以农业废弃物的循环利用为切入点连
接种植和养殖业，构建循环农业的发展模式；第二个“环”是依据循环经济的原理，构建生
产—生活—生态—生命 (人 )一体化协调发展的“四位一体”农村发展模式；第三“环”为在上
述两个循环的基础上，形成具有循环社会特征的农村小康社会。

3.2 注重技术创新突破和集成
在今后农业废弃物的资源化利用中，要把新技术、新工艺的研究放在突出位置，依靠现代生
物技术、信息技术和工程技术 , 提升产品的技术含量。

比如发酵工程中微生物的筛选和高效工程
菌的构建 ,新型酶制剂的选择等。

依据不同地区资源优势和经济发展水平，因地制宜地利用现代科学技术并与传统农业技术相结合，
按照“整体、协调、循环、再生”的原则，运用系统工程方法，将各种技术优化组合，构建农业
废弃物资源化高效利用生态模式。

建立和完善农业废弃物资源化利用标准技术体系
和技术保障体系。

实现生态环境与农村经济两个系统的良性循环, 达到经济、生态、社会三大。