生物質固體廢棄物資源化利用研究

摘要：生物質固廢是一類來源廣范、成本低廉、開發(fā)潛力大的資源。由于傳統(tǒng)的生物質固廢處理方式既會對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生負面影響，又會造成資源浪費，因而資源化利用成為實現(xiàn)生物質固廢增值的方法。研究在介紹生物質固廢來源和利用的現(xiàn)狀基礎上，總結了物理化學法、微生物法等生物質固廢資源化利用技術，例舉了部分實際案例，提出了今后的發(fā)展策略。同時，建議根據(jù)生物質固廢特點采用組合工藝，以及結合當?shù)厥袌觥⒒A設施和環(huán)境承載力等因素進行綜合考量，以提高生物質固廢的整體處置效率。

關鍵詞：生物質固廢；整體處置；物理化學法；微生物法；資源化利用

引言

隨著社會的發(fā)展，日常生產(chǎn)生活中產(chǎn)生的大量秸稈、工農(nóng)產(chǎn)品副產(chǎn)物、餐廚垃圾、牲畜糞便等生物質固體廢棄物（簡稱“生物質固廢”）給環(huán)境帶來了很大影響，因此對生物質固廢進行合理的處理已成為一個不可忽視的問題。本文從物理化學法、微生物法的角度探討了生物質固廢資源化利用技術，可為科學地開發(fā)利用生物質固廢資源，以及實現(xiàn)經(jīng)濟與環(huán)境的雙重效益提供一定參考。

1傳統(tǒng)處置方式和利用現(xiàn)狀

生物質固廢的傳統(tǒng)處置方式主要有露天焚燒、直接還田和用作農(nóng)村做飯的薪柴。從生態(tài)環(huán)保的角度來看，焚燒不僅會產(chǎn)生大量溫室氣體、煙塵、二噁英和多環(huán)芳烴等有毒有害物質，而且還會降低空氣質量及能見度，影響人類健康。因此，近年來有關部門開展了大量治理和宣傳工作，露天焚燒秸稈、枯葉等現(xiàn)象已大量減少，同時隨著天然氣在農(nóng)村的推廣，將生物質固廢作為薪柴使用的情況也在逐年減少。

生物質固廢往往含有大量無機物和有機物，特別是含有植物生長所需的氮、磷、鉀營養(yǎng)元素。因此，將一些生物質固廢還田，一方面可改變土壤微生物群落結構及土壤酶活性，增加田土有機質含量，為后茬作物生長提供所需營養(yǎng)物質，減少養(yǎng)分損失和連續(xù)施加化肥導致的土壤退化及污染風險；另一方面也可改善土壤容重、孔隙度和團聚體等結構特性，防止土壤板結，利于土壤儲水保墑，增強土壤抗旱抗侵蝕能力，最終使作物呈現(xiàn)生長快、莖壯、葉茂、高產(chǎn)等特點。由此可見，資源化利用無疑是實現(xiàn)生物質固廢減量化、無害化的有效途徑，其資源化利用的方法主要有物理化學法、微生物法等。物理化學法主要通過物理化學作用破壞結構或斷裂化學鍵，從而將生物質固廢中的高分子有機物降解為低分子有機物，以及實現(xiàn)有效成分的分離與提取、制作吸附材料、熱解制生物燃料、制作生物質新型材料等；微生物法則是通過微生物的生長繁殖作用降解有機物質，主要方式有栽培食用菌、飼用、制肥料、能源化等。

2物理化學法

2.1 提取有效成分

生物質固廢經(jīng)特定處理可分離或提取有價值的產(chǎn)品。如，低聚木糖具有抗菌、抗氧化的潛力；米糠、玉米芯等農(nóng)副產(chǎn)物是低聚木糖的重要來源，超聲耦合酶解法可將玉米芯熱解液中的木聚糖轉化為低聚木糖[1]，而蒸汽爆破能顯著提高稻殼中低聚木糖的含量和抗氧化活性[2]；一些中藥材經(jīng)提取有效成分后的藥渣仍殘存大量功效成分，常用有機溶劑法、醇提水沉法、微波輔助低共熔溶劑等方式提取其殘存成分。

2.2 制作吸附材料

生物質固廢可制成含大量羥基、羧基和胺基等極性基團的生物吸附劑，可用于凈化水體。如，含大量天然高分子物質的中藥渣制備的生物吸附劑能吸附廢水中的重金屬離子；核桃殼表面進行生態(tài)改性后，可作為從水溶液中去除亞甲基藍和結晶紫陽離子染料的生物吸附劑[3]。

2.3 熱解制生物燃料

熱解反應可將生物質固廢轉化為生物油、可燃氣體、木炭等產(chǎn)品，減少對化石燃料的依賴。玉米芯、高粱稈和甘蔗均為經(jīng)濟實惠的生物質固廢熱解原料，具有開發(fā)為紡織、塑料、油漆、汽車和食品添加劑等行業(yè)應用能源的潛力[4]。

2.4 制作生物質新型材料

某些生物質固廢在纖維板、刨花板、薄膜等生物質新型材料制作中已有所應用。與傳統(tǒng)材料相比，生物質新型材料具有熱學性能好、可降解等優(yōu)點。傳統(tǒng)包裝材料多以石油為原料，易產(chǎn)生難降解垃圾，而生物質固廢制作成的生物薄膜，不但有利于土壤保濕，而且其降解過程中釋放的氮、磷、鉀等養(yǎng)分還可促進作物生長。

3微生物法

3.1 發(fā)酵

根據(jù)發(fā)酵基料固體物含量的不同，發(fā)酵分為液態(tài)、固態(tài)、半固（液）態(tài)3種發(fā)酵方式。液態(tài)發(fā)酵具有傳質高效、調(diào)控能力強、自動化程度高、發(fā)酵時間短、產(chǎn)物易分離等特點。半固（液）態(tài)發(fā)酵含一定的游離液體，具有傳質傳熱性好、發(fā)酵周期短、液體產(chǎn)量少等優(yōu)點。而結合生物質固廢的特點，業(yè)界常用固態(tài)發(fā)酵技術處理生物質固廢。

生物質固廢經(jīng)固態(tài)發(fā)酵可變廢為寶，為生物顏料、生物農(nóng)藥、維生素、抗氧化劑、蛋白飼料、抗生素等產(chǎn)品提供了低成本的替代方案，資源化利用潛力大。固態(tài)發(fā)酵是在沒有或幾乎沒有游離水的固態(tài)濕培養(yǎng)基上進行的單菌或混菌的發(fā)酵過程，基質不溶于水，亦不懸浮在水中，含水量一般在30%～80%。與液態(tài)發(fā)酵相比，固態(tài)發(fā)酵處理生物質固廢產(chǎn)生的廢水廢渣少、設備簡單、易干燥且能耗與投資較低，無需使用消泡劑，可完全利用發(fā)酵的菌體、代謝產(chǎn)物和底物來獲得有益產(chǎn)品，既保留活性成分又凈化環(huán)境，缺點是周期長、工藝參數(shù)難控制、原料成分復雜。

目前，對生物質固廢發(fā)酵的研究主要在3個方面。一是對氮源、碳源、磷源、含水量、pH等培養(yǎng)基的研究；二是對原料進行破碎、蒸汽爆破、酸堿處理、酶解等預處理，并對粒徑、接種量、發(fā)酵溫度與時間等培養(yǎng)條件進行研究，目的在于促進菌絲在基料上的生長和酶可及性；三是對菌體生長、代謝產(chǎn)物、基質與氧的消耗、CO2釋放等進行動力學研究，目的在于掌握發(fā)酵過程中菌體生長、產(chǎn)物生成、對生物質固廢的消耗，以及影響這些過程的條件，便于優(yōu)化發(fā)酵過程，預測并提高目標產(chǎn)物的產(chǎn)量與品質。

3.2 栽培食用菌

玉米芯、稻草、木屑、中藥渣等生物質固廢，可作為栽培食用菌的基料。RATHORE H等[5]研究發(fā)現(xiàn)，在基料中添加特定植物葉子作為有機氮，可顯著提高牛肝菌中礦物元素、營養(yǎng)物含量及子實體的抗氧化性。其原因為菌體需在適當?shù)奶嫉龋–/N）下才能正常生長，而各生物質固廢的C/N不一，因此可視情況添加適當?shù)匆蕴岣呤秤镁漠a(chǎn)量及品質。但需要注意的是，一些生物質固廢具有藥用功效，將這類基料用于栽培會影響食用菌的品質。

3.3 飼用價值

生物質固廢的飼用價值能解決飼料生產(chǎn)原料短缺問題，對畜禽養(yǎng)殖業(yè)具有一定吸引力。通過微生物技術實現(xiàn)生物質固廢飼用價值的形式主要有青貯與黃貯、發(fā)酵產(chǎn)蛋白飼料和飼用復合酶等。其中，青貯與黃貯是將秸稈剪碎后再密封發(fā)酵，獲得具有一定營養(yǎng)價值和口感的草料；發(fā)酵產(chǎn)蛋白飼料和飼用復合酶則是選擇合適的微生物菌種，并利用發(fā)酵技術將生物質固廢轉化為富含菌體蛋白的飼料或具有酶活性的飼料添加劑，從而提高低價值生物質固廢的營養(yǎng)與保健價值，緩解用糧食制備飼料的壓力。

3.4 制備肥料

將家畜糞便、秸稈和飼料殘渣等生物質固廢混合堆積在有氧或無氧條件下，經(jīng)微生物分解制得腐殖質農(nóng)肥；將秸稈、落葉、餐廚垃圾和城市生活污泥共發(fā)酵，制成林用肥。與傳統(tǒng)農(nóng)家發(fā)酵相比，生物質堆肥發(fā)酵已有成套設備和成熟工藝，可規(guī)?；a(chǎn)品質穩(wěn)定的農(nóng)林用肥。從優(yōu)缺點方面來說，厭氧堆肥管理簡單、投資成本低，但發(fā)酵周期長且肥料品質差；好氧堆肥的肥料品質好、周期短、臭氣少，但對設備要求高、能耗大、成本高。

3.5 能源化

生物質固廢是生產(chǎn)能源的重要原料，利用生物技術將其轉化為醇基燃料、沼氣等實現(xiàn)高附加值的轉化，可在一定程度上解決能源短缺問題。如，酵母菌廣泛用于食品和醫(yī)藥等領域，是優(yōu)良的產(chǎn)乙醇菌種，其能以生物質固廢為碳源積累胞內(nèi)脂質作煉制生物燃料的原料。同時，生物質固廢可在無氧或缺氧環(huán)境下厭氧發(fā)酵，而且在厭氧發(fā)酵過程中，微生物分泌的酶可將復雜的生物質固廢水解成糖、氨基酸等小分子物質，再經(jīng)一系列繁雜的酶促反應將這些物質轉化為CH4與CO2，最終達到降解并獲得清潔能源CH4的目的。目前，厭氧發(fā)酵在農(nóng)村的應用較多，能同時處理大量生物質固廢，所得沼渣和沼液還可用作肥料。

4實際案例

4.1 中藥渣熱解氣化清潔供熱項目

山東步長制藥股份有限公司將其產(chǎn)生的中藥渣進行能源化利用，其工藝流程為“原料預處理→生物質熱解氣化→高溫燃燒制汽→廢氣處理”。該公司的中藥渣熱解氣化清潔供熱項目日產(chǎn)生物質燃氣8萬Nm3，每年處置濕中藥渣5.1萬t，提供用于企業(yè)生產(chǎn)的蒸汽4.2萬t，減排CO21.6t，取得的年經(jīng)濟效益為1680萬元。

4.2 高效生物質氣化燃燒供熱項目

浙江正華紙業(yè)有限公司生物質氣化供熱項目，通過生物質固廢的二次充分燃燒產(chǎn)生高溫清潔火焰為工業(yè)窯爐供熱，工藝流程為“生物質成型→進料→懸浮半氣化半燃燒→二次補氧升溫燃燒”。該項目每年處理生物質固廢1萬t，獲得的經(jīng)濟效益為570萬元。

4.3 可生物降解材料項目

青島平度宇潔降解塑料有限公司建設的PHA購物袋樹脂生產(chǎn)線，先用農(nóng)副產(chǎn)品秸稈制糖，再利用工程菌構造技術獲得具有高分子合成能力的微生物、發(fā)酵并調(diào)控發(fā)酵過程、分離獲得聚羥基脂肪酸酯，最后生產(chǎn)全生物降解購物袋產(chǎn)品。

4.4 種養(yǎng)循環(huán)項目

河北省曲周縣“種養(yǎng)結合、雞糞-秸稈聯(lián)動”項目解決了飼料營養(yǎng)利用率低和雞糞處理的難點。具體做法為先在飼料中添加益生菌以降低雞糞中氮含量，再將適當比例的鮮雞糞與秸稈添加發(fā)酵腐熟劑混料，經(jīng)堆肥制得有機肥，最后進行農(nóng)田回用。該項目實現(xiàn)了雞糞的提質增效，形成了生態(tài)養(yǎng)殖、綠色種植的循環(huán)，每年產(chǎn)肥1800t，年經(jīng)濟效益達163萬元。

4.5 基于亞臨界水熱反應生產(chǎn)有機肥項目

無錫蓋依亞生物資源再生科技有限公司微納米黃腐酸營養(yǎng)型生物系列有機肥項目，將生物質固廢經(jīng)亞臨界水熱處理后分離為氣、液、固等物質。氣相經(jīng)液化后與液相物質混合，酶解成葉面營養(yǎng)液、動物保健產(chǎn)品；固相物質則固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)微納米生物肥。該項目每年處理秸稈1.5萬t，制得有機肥1.275萬t，年經(jīng)濟效益為1900萬元。

4.6氣-肥聯(lián)產(chǎn)利用項目

內(nèi)蒙古自治區(qū)阿魯科爾沁旗建成農(nóng)牧業(yè)廢棄物聯(lián)產(chǎn)燃氣與有機肥項目，日產(chǎn)沼氣6萬m3，沼氣提純率50%，同時通過吸附精餾法日產(chǎn)高純度CO21.37萬t，年產(chǎn)有機肥5萬t，年經(jīng)濟效益達2650萬元。

4.7 餐廚垃圾生產(chǎn)生物腐植酸項目

四川省成都市中心城區(qū)餐廚廢棄物處理廠建成生物腐植酸生產(chǎn)線，工藝流程為“餐廚垃圾預處理→培養(yǎng)菌種→基料摻混接種→高溫發(fā)酵→深加工”，最終制成土壤調(diào)節(jié)劑、微生物菌劑、高碳肥等肥料。該項目日處理餐廚垃圾200t，年經(jīng)濟效益達900萬元。

結語

綜上所述，生物質固廢資源化利用總體上較為粗放，同時各地又因在產(chǎn)業(yè)類別、經(jīng)濟水平上存在差異，導致各地在對生物質固廢進行資源化利用的方式上各有不同。因此，在生態(tài)環(huán)境越來越受重視的當下，以及新型高效、低排放固廢處置技術正不斷完善并得到推廣的背景下，可根據(jù)生物質固廢的成分、含水量、密度、形狀等理化特性，選用物理化學法或微生物法等資源化利用技術進行處理，也可采用組合工藝以提高整體處置率和經(jīng)濟性。如，對于淀粉、多糖和蛋白質等物質含量高的生物質固廢，可用固態(tài)發(fā)酵技術將其開發(fā)成有益產(chǎn)品。另外，生物質固廢處置技術的應用與發(fā)展，還需結合市場、基礎設施建設和環(huán)境承載力等因素綜合考量。

參考文獻

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作者簡介

胡偉（1988—），男，漢族，四川宜賓人，工程師，碩士，研究方向為環(huán)境管理、污染控制與資源化。

通信作者

莫鳳（1988—），女，漢族，四川宜賓人，工程師，大學本科，研究方向為環(huán)境管理、污染控制與資源化。

加工編輯：王玥

收稿日期：2024-04-30