雙碳背景下農(nóng)林有機(jī)廢棄物資源化利用模式研究

甘福丁唐健甘貴作蔣湖波石媛媛潘波覃祚玉趙雋宇

(1.廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院，廣西 南寧 530002；2.廣西優(yōu)良用材林資源培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530002； 3.廣西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530200)

農(nóng)林有機(jī)廢棄物主要是農(nóng)林生產(chǎn)、加工、畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)村居民生活排放的有機(jī)廢棄物的總稱，主要包括植物纖維性廢棄物和畜禽糞污2大類。植物纖維性廢棄物又包括作物秸稈、林業(yè)生產(chǎn)剩余枝丫樹葉、木材加工剩余木皮邊角料、甘蔗渣等。

我國自2020年9月提出應(yīng)對氣候變化的“雙碳”目標(biāo)后，就正式進(jìn)入了“雙碳”時(shí)代?！半p碳”目標(biāo)的提出，為農(nóng)林有機(jī)廢棄物綜合利用迎來了重要的發(fā)展戰(zhàn)略機(jī)遇期。我國農(nóng)林有機(jī)廢棄物種類多、數(shù)量大、利用率偏低。在“雙碳”的背景下，探討農(nóng)林有機(jī)廢棄物資源化利用模式對實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 農(nóng)林有機(jī)廢棄物可利用性

我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)林有機(jī)廢棄物量多面廣。據(jù)統(tǒng)計(jì)和估算，全國農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量約為8.7×108t，畜禽糞便產(chǎn)量約為3.3×109t，林業(yè)廢棄物5×108t[1]。但是不同有機(jī)廢棄物，其來源、收集難易程度、利用方式、處理難度相差很大。農(nóng)林有機(jī)廢棄物可利用性對比情況見表1。

表1 農(nóng)林有機(jī)廢棄物可利用性對比

依據(jù)不同地域、品種類型、技術(shù)條件，農(nóng)林有機(jī)廢棄物資源化利用模式有多式多樣，但主要為能源化、飼料化、肥料化、原料化等模式。

2 農(nóng)林有機(jī)廢物資源化利用模式

2.1 能源化利用模式

能源化利用是減量化、無害化處理農(nóng)林有機(jī)廢棄物的主要途徑。另外作為一種生物質(zhì)能，具有實(shí)現(xiàn)負(fù)碳排放的潛力，是應(yīng)對氣候變化戰(zhàn)略的關(guān)鍵組成部分[2]。農(nóng)林有機(jī)廢棄物能源化利用方式主要有直接燃燒、壓塊固化、氣化等。

2.1.1 直接燃燒

薪柴、枝丫樹葉、作物秸稈、木皮邊角料直接燃用是我國農(nóng)村傳統(tǒng)能源利用方式。由于其結(jié)構(gòu)疏松，體積大，長距離運(yùn)輸不經(jīng)濟(jì)，因此大多就地利用。

直接燃燒大致可分為爐灶燃燒、鍋爐燃燒和固型燃燒等。爐灶燃燒是最原始的利用方式，一般適用于農(nóng)村或山區(qū)分散獨(dú)立的家庭，燃燒效率低。鍋爐燃燒一般采用現(xiàn)代技術(shù)，適用于大規(guī)模利用，燃燒效率較高。

我國北方地區(qū)農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量大、覆蓋面廣、資源充足，打捆直燃是其能源化利用的一種有效方法。以秸稈收儲(chǔ)運(yùn)體系為基礎(chǔ)，通過秸稈摟草機(jī)、收獲機(jī)、打包機(jī)作業(yè)，將田間秸稈收集、打捆成大圓包、小方包后，配送至秸稈直燃鍋爐進(jìn)行集中供熱或工業(yè)生產(chǎn)使用。

直接燃燒發(fā)電是由鍋爐設(shè)備利用薪柴、秸稈、木皮邊角料、甘蔗渣直接燃燒生產(chǎn)蒸汽，再利用蒸汽推動(dòng)汽輪發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電的技術(shù)。該利用技術(shù)比較成熟，在原料充足的地方容易推廣。

2.1.2 壓塊固化

植物纖維性廢棄物分布不均，且不易運(yùn)輸。將廢棄物壓塊固化是一種比較好的方法。通過一定的機(jī)械過程，將疏松結(jié)構(gòu)的植物纖維性廢棄物用粉碎機(jī)粉碎，使用“固型燃料成型機(jī)”把粉碎的廢棄物加熱、壓制成“植物生物質(zhì)煤”，或利用干餾技術(shù)將其干餾變成“人工生物質(zhì)炭”[3]。制成商品性的炊事、供熱燃料，密度大，熱值高，燃燒時(shí)間長，并且便于運(yùn)輸、存儲(chǔ)、銷售及燃用。

2.1.3 氣化

2.1.3.1 直接氣化

直接氣化是以農(nóng)林有機(jī)廢棄物為氣化原料，在缺氧條件下加熱，使之發(fā)生熱解氣化反應(yīng)的能量轉(zhuǎn)化過程。此過程實(shí)質(zhì)是植物生物質(zhì)中的C、H、O等元素的原子，在一定反應(yīng)條件下，變成CO、CH4、H2等可燃性氣體的分子，從而使植物生物質(zhì)中的大部分能量轉(zhuǎn)移到這些氣體中[3]。

直接氣化需要使用熱解氣化爐。熱解氣化爐以秸稈等植物纖維較多的有機(jī)物為原料，氣化成高品位氣體燃料?？扇夹詺怏w可用于農(nóng)戶集中供氣、鍋爐供熱、作物子實(shí)烘干、農(nóng)副產(chǎn)品加工，也可用于驅(qū)動(dòng)內(nèi)燃機(jī)、熱氣機(jī)等動(dòng)力裝置。固體副產(chǎn)品可用于制作“炭基肥”，促進(jìn)秸稈炭化還田，發(fā)展綠色有機(jī)農(nóng)業(yè)。液體副產(chǎn)品可用作家畜消毒殺菌液或作物葉面肥等。

2.1.3.2 厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣

厭氧發(fā)酵實(shí)質(zhì)上是人畜糞尿、生活有機(jī)污水和植物莖葉等有機(jī)物質(zhì)在一定的濕度、溫度和厭氧條件下，經(jīng)微生物發(fā)酵生成的一種清潔、優(yōu)質(zhì)、高品位的沼氣燃料的過程。糖廠、酒精廠等輕工食品加工過程產(chǎn)生的有機(jī)污水也是沼氣發(fā)酵的優(yōu)質(zhì)原料。

作物秸稈也可以作為沼氣發(fā)酵原料，而且原料產(chǎn)氣率較高。由于秸稈原料含有大量纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，C/N較高，不適宜沼氣發(fā)酵微生物的正常成長，需要先通過物理、化學(xué)、生物等方式進(jìn)行預(yù)處理[4]。若能與畜禽糞污按比例混合發(fā)酵，效果更好。

戶用沼氣池沼氣可以直接用于農(nóng)戶炊事和照明；中小型養(yǎng)殖場沼氣工程沼氣可用于集中供氣、發(fā)電、畜禽幼仔保溫、職工生活用能等；大型沼氣工程沼氣可用于集中供氣、提純凈化制作生物天然氣、發(fā)電上網(wǎng)、車用燃料等。產(chǎn)生的沼肥，可用于生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)，提升土壤肥力，生產(chǎn)綠色農(nóng)產(chǎn)品。

2.1.4 其他能源化利用

主要為有機(jī)廢棄物液化技術(shù)。從農(nóng)林有機(jī)廢棄物中直接提取碳?xì)浠衔?，制成液體燃料；將秸稈、甘蔗、玉米、薯干等經(jīng)過微生物的糖化發(fā)酵生產(chǎn)甲醇、生物乙醇等；隔絕空氣的情況下，對有機(jī)廢棄物加熱至750～860K[3]，使之轉(zhuǎn)化為液體燃料等。但這些技術(shù)還不太成熟，市場化程度低。

2.2 飼料化利用模式

秸稈飼料化利用模式是將農(nóng)作物莖葉直接或調(diào)制后喂飼家畜。在禁牧、舍飼條件下，秸稈是重要的粗飼料來源，可以被牛、羊等反芻牲畜吸收和利用。但是秸稈質(zhì)地粗硬，直接飼喂存在適口性差、采食量低、消化率低、營養(yǎng)價(jià)值不高等。要提高秸稈飼料化綜合利用率，往往需要通過物理、化學(xué)或生物等方法加以處理，如秸稈粉碎處理、青儲(chǔ)處理、壓塊處理、堿化處理等。蒸汽爆破預(yù)處理可破壞玉米秸稈纖維結(jié)構(gòu)，提高瘤胃微生物黏附效率，增強(qiáng)秸稈瘤胃降解率和發(fā)酵能力，給牛、羊提供更多的能量和營養(yǎng)。

2.3 肥料化利用模式

肥料化利用模式是將秸稈、畜禽糞便、糖廠濾泥等有機(jī)廢棄物進(jìn)行肥料化處理與利用技術(shù)。有機(jī)廢棄物肥料化利用可以增加土壤有機(jī)質(zhì)，改善土壤結(jié)構(gòu)，尤其是土壤中各種微生物的組成和數(shù)量。土壤微生物可通過自身的生理作用對土壤中的各種元素進(jìn)行轉(zhuǎn)化，使之能被植物吸收利用。土壤中有機(jī)質(zhì)含量和成分是影響微生物數(shù)量和種類的主要因素。肥料化利用可減少化學(xué)肥料施用，提高作物產(chǎn)品品質(zhì)和產(chǎn)量，促進(jìn)生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，有助于減污降碳，保護(hù)環(huán)境。

農(nóng)林有機(jī)廢棄物肥料化模式一般有秸稈機(jī)械翻埋還田技術(shù)、秸稈粉碎覆蓋還田技術(shù)、添加腐熟劑秸稈還田技術(shù)、秸稈生物反應(yīng)技術(shù)、秸稈有機(jī)肥生產(chǎn)技術(shù)、秸稈糞便混合堆肥技術(shù)和糖廠濾泥發(fā)酵、沼渣沼液制作有機(jī)肥等。

2.4 原料化模式

甘蔗是主要糖料作物之一，甘蔗渣是糖廠的副產(chǎn)品，且易于收集和儲(chǔ)運(yùn)。經(jīng)榨糖后剩下的甘蔗渣，含纖維素32%～48%，半纖維素19%～24%，木質(zhì)素23%～32%[5]，纖維長度約為0.65～2.17mm，與闊葉樹纖維相當(dāng)，經(jīng)除髓后的甘蔗渣是一種良好的造紙?jiān)?。?jù)2018—2019年廣西糖業(yè)年報(bào)制糖期數(shù)據(jù)，廣西全區(qū)甘蔗種植面積約7.433×105hm2，年產(chǎn)原料蔗5.473×107t，蔗渣打包量2.5×106t左右，可產(chǎn)漂白甘蔗渣絕干漿6.0×10t多t[6]。

甘蔗渣屬草類纖維范疇，易煮易漂，化學(xué)藥品耗量少，制漿及堿回收工藝技術(shù)和設(shè)備也比其它草類纖維原料成熟簡單。漂白化學(xué)漿在摻配一定量的長纖維后可抄造各種高檔文化和生活用紙。使用適當(dāng)?shù)某旃に?，也可以生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的銅板原紙和新聞紙等。

農(nóng)林有機(jī)廢棄物也可用于制作生物質(zhì)炭。生物質(zhì)炭是由富含碳的生物質(zhì)在無氧或缺氧條件下經(jīng)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化生成的一種具有高度芳香化、富含碳素的多孔固體顆粒物質(zhì)。其含有大量的碳和植物營養(yǎng)物質(zhì)、具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)、表面含有較多的含氧活性基團(tuán)，是一種多功能材料。使用與常量元素肥料配伍制成的炭基復(fù)合肥料，可增加土壤碳含量，改善土壤透氣性，增加農(nóng)作物光合作用，改善農(nóng)作物品質(zhì)。

另外，秸稈也可進(jìn)一步加工成菌棒，替代木材用于種植食用菌。部分秸稈還用于生產(chǎn)板材、非木紙漿、包裝材料、編織品等，提高綜合利用效益。

3 農(nóng)林有機(jī)廢棄物開發(fā)利用對推動(dòng)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的意義

現(xiàn)在人類面臨解決全球氣候變化帶來的能源環(huán)境問題。即是由以煤、石油、天然氣為基礎(chǔ)的化石能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)為以風(fēng)電、光電、水電、核電、生物質(zhì)能為主的新能源結(jié)構(gòu)。而在新能源結(jié)構(gòu)里，生物質(zhì)燃料是零碳原料。據(jù)測算，將我國農(nóng)作物的秸稈、稻殼、玉米芯、花生殼、甘蔗渣等農(nóng)產(chǎn)品初加工的剩余物，林業(yè)枝條和木材加工廢棄物，禽畜糞便，食品加工產(chǎn)生的有機(jī)污水，以及生活有機(jī)垃圾、廚余垃圾等生物質(zhì)原料加在一起，可生產(chǎn)出總量約為3.26×108tce·a-1的生物質(zhì)燃料[7]。

從促進(jìn)“雙碳”目標(biāo)角度看農(nóng)林有機(jī)廢棄物的合理化利用，最好的方式是對于干的廢棄物，先制成成型燃料，再燃燒；對于濕的廢棄物，可通過厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣，或再經(jīng)提純凈化，制成生物天然氣。

沼氣是一種優(yōu)質(zhì)、廉價(jià)、清潔的氣體燃料，是可再生的生物質(zhì)能源。沼氣的主要成分是CH4和CO2，高位熱值一般為22～25MJ·m-3。經(jīng)提純凈化后可提高CH4的相對含量，熱值可達(dá)39.8MJ·m-3。由于沼氣是處理各類有機(jī)廢棄物的產(chǎn)物，使用CH4作為能源不會(huì)增加CO2排放。因此，在實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)進(jìn)程中，沼氣能源將會(huì)得到更大關(guān)注，沼氣工程發(fā)展將大有可為，迎來新的發(fā)展機(jī)遇。據(jù)測算，2030年、2060年我國農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物資源量分別約為5.4×109t、4.8×109t。2060年我國農(nóng)業(yè)有機(jī)廢物產(chǎn)生沼氣潛力達(dá)2.5×1011m3，可實(shí)現(xiàn)減排4.5×108t CO2當(dāng)量[8]。沼渣沼液加工成優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥，可以部分替代化肥，產(chǎn)生減碳減肥效果。

將秸稈做成成型燃料，這時(shí)產(chǎn)生的CO2是莊稼生長過程中通過光合作用從大氣中固化而來，不需要計(jì)算在碳排放中，這樣秸稈制成的成型燃料就成為零碳燃料。用甘蔗渣造紙，可減少林木砍伐，保護(hù)森林，增加林業(yè)碳匯。

因此，農(nóng)林有機(jī)廢棄物資源化利用，對改善農(nóng)村能源結(jié)構(gòu)，減少農(nóng)村地區(qū)對化石能源的依賴，保護(hù)農(nóng)村生態(tài)環(huán)境，助力我國實(shí)施減污降碳，實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有十分重要意義。

4 我國農(nóng)林有機(jī)廢棄物資源化利用主要存在的問題

4.1 出臺(tái)政策不少，但落實(shí)力度不強(qiáng)

我國重視農(nóng)林有機(jī)廢棄物資源化利用工作，出臺(tái)了許多扶持政策。但在實(shí)踐中仍然存在技術(shù)、政策、產(chǎn)業(yè)化等層面的各種瓶頸。如涉及部門多，牽頭部門不明確，政出多頭，原則性支持意見多，具體可執(zhí)行落實(shí)的措施少，力度不強(qiáng)，政策引領(lǐng)發(fā)展的效果難以彰顯。

4.2 利用率偏低，高值化利用途徑欠缺

據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部測算，2017年我國秸稈綜合利用率不足80%，而發(fā)達(dá)國家在90%以上，與我國秸稈資源豐富實(shí)際不相符。農(nóng)林有機(jī)廢棄物利用率偏低，直接導(dǎo)致能源資源浪費(fèi)，環(huán)境受到污染。一些地方原料供應(yīng)的不確定性也妨礙了其利用供應(yīng)鏈的可持續(xù)發(fā)展，生物質(zhì)熱解氣化、生物天然氣、沼氣發(fā)電等高值化利用途徑欠缺。

4.3 原料收儲(chǔ)運(yùn)體系未建立，收儲(chǔ)運(yùn)成本偏高

植物纖維性有機(jī)廢棄物具有體積大、蓬松和難以收集的特點(diǎn)?？咳斯な占?，勞動(dòng)強(qiáng)度大，人工成本高，導(dǎo)致農(nóng)民收集利用的積極性不高。收儲(chǔ)運(yùn)體系仍處于初級階段，相應(yīng)的監(jiān)管機(jī)制和技術(shù)工藝不完善，導(dǎo)致收儲(chǔ)運(yùn)成本偏高。

4.4 綜合利用核心技術(shù)不夠成熟

在我國，農(nóng)林有機(jī)廢棄物是大宗固體廢棄物，但綜合利用技術(shù)還不夠成熟，主要集中于還田、飼料、農(nóng)戶薪柴做飯取暖等低附加值的方式上。用于制作沼氣、直燃發(fā)電、沼氣發(fā)電、注入天然氣管網(wǎng)、車用燃料等新型工業(yè)化應(yīng)用尚不能普及。

4.5 降碳減排方法學(xué)尚未制定

目前我國農(nóng)林廢棄物綜合利用項(xiàng)目碳減排方法尚未制定，項(xiàng)目的社會(huì)效益、環(huán)境效益未能得到體現(xiàn)，期待相關(guān)部門創(chuàng)新研究，明確基準(zhǔn)線排放以及監(jiān)測、計(jì)算方法，方便碳減排量核算及開展碳市場交易等工作。

5 提高農(nóng)林有機(jī)廢棄物利用率的措施

5.1 重視農(nóng)林廢棄物的開發(fā)利用

農(nóng)林有機(jī)廢棄物是重要的可再生資源，富含熱能和C、N、P、K及微量元素等營養(yǎng)成分，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值，在推動(dòng)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)進(jìn)程中，降碳減排潛力巨大。作為能源，具有可儲(chǔ)存性、可運(yùn)輸性、可靈活使用性。因此，需要重視技術(shù)研發(fā)，拓寬利用渠道，建立以綠色低碳為導(dǎo)向的有機(jī)廢棄物生態(tài)補(bǔ)償制度，提高集中供氣、發(fā)電、鍋爐供熱等高值化利用水平。

5.2 構(gòu)建農(nóng)林廢棄物綜合利用長效機(jī)制

我國已經(jīng)把碳達(dá)峰、碳中和納入生態(tài)文明建設(shè)整體布局，強(qiáng)調(diào)“要實(shí)施重點(diǎn)行業(yè)領(lǐng)域減污降碳行動(dòng)”、“減污降碳、協(xié)同增效”等。在未來10～15a都將是中國的主基調(diào)。因此，需要構(gòu)建農(nóng)林有機(jī)廢棄物綜合利用的長效機(jī)制，做好項(xiàng)層設(shè)計(jì)，制訂和完善相關(guān)優(yōu)惠政策，加大資金投入，培育市場化主體，鼓勵(lì)開發(fā)利用技術(shù)，服務(wù)國家“雙碳”戰(zhàn)略。

5.3 因地制宜采用不同利用模式

農(nóng)林有機(jī)廢棄物采用不同利用模式，對環(huán)境、氣候、碳排放也會(huì)有不同的影響，需要找到對環(huán)境影響最小、對實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)貢獻(xiàn)最大的利用典型模式，形成可復(fù)制可推廣的技術(shù)。

要重視地域差異，以及有機(jī)廢棄物的可利用性，因地制宜選擇合適的利用模式。對于有機(jī)廢棄物資源優(yōu)勢明顯且具備高質(zhì)量發(fā)展要求的地區(qū)，應(yīng)充分利用資源優(yōu)勢，適當(dāng)加大技術(shù)投入，實(shí)現(xiàn)規(guī)模化工業(yè)化經(jīng)濟(jì)狀態(tài)下運(yùn)行，確保產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

5.4 科學(xué)制定農(nóng)林有機(jī)廢棄物項(xiàng)目降碳減排方法學(xué)

目前我國農(nóng)林有機(jī)廢棄物綜合利用具有天時(shí)、地利、人和的優(yōu)勢。能源供給形勢嚴(yán)峻，環(huán)境保護(hù)、“雙碳”目標(biāo)壓力加大，美麗鄉(xiāng)村建設(shè)、鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實(shí)施都需要加大農(nóng)林有機(jī)廢棄物處理和利用力度。因此，需要科學(xué)制定農(nóng)林有機(jī)廢棄物項(xiàng)目降碳減排方法學(xué)，以實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益。

6 結(jié)語

我國對世界作出的“碳減排”和“碳中和”承諾，為農(nóng)林有機(jī)廢棄物資源化利用提供了難得的歷史機(jī)遇。我國農(nóng)林有機(jī)廢棄物資源豐富，開發(fā)潛力巨大。推進(jìn)農(nóng)林有機(jī)廢棄物資源化利用，有助于促進(jìn)生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展，推動(dòng)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級，在生態(tài)文明建設(shè)、實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)方面將起到十分重要的作用。

農(nóng)林有機(jī)廢棄物資源化利用具有多種模式。要結(jié)合實(shí)際，根據(jù)農(nóng)林有機(jī)廢棄物的可利用性，因地制宜選擇合適的利用模式。要做好產(chǎn)業(yè)布局，加大技術(shù)投入，實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢棄物資源化利用項(xiàng)目在規(guī)?；I(yè)化經(jīng)濟(jì)狀態(tài)下運(yùn)行，提高項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益。