1、 毕业论文 开题报告 环境工程 农业废弃物氮的测定和评价 一、 选题的背景、意义 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，主要包括农林生产过程中产生的植物残余类废弃物、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生活垃圾等。 传统的农业现代化，是建立在大规模应用现代化机械和大量消耗工业产品，如化学肥料、农药、杀虫剂以及石油、电力等产品基础之上的。这种模式打破了传统农业中废弃物的循环利用环节，结果造成了农业废弃物的大量积累 ,进而产生了较为严重的环境问题和资源浪费问 题。我国农业废弃物利用目前存在的问题主要有：（ 1）农业废弃物资源总量不清；（
2、 2）农业废弃物资源化利用意识淡薄，重视程度不够；（ 3）农业废弃物资源化利用政策不完善，缺乏相关政策法规；（ 4）利用方式单一，利用率低；（ 5）农业废弃物利用技术落后，人力支持体系不健全等 1。 当前，农业废弃物资源的合理利用已日益成为当前世界大多数国家共同面临的问题。国内外实践表明，农业废弃物的资源化利用，是控制农业污染、改善农村环境、实现农业可持续发展的有效途径。本文通过对农业废弃物中氮含量的测定来寻求更优的农业废弃物循环利用方法 ，并通过该测定评价农业废弃物利用的意义。 二、 相关研究的最新成果及动态 2.1国内外发展状况 2.1.1 国外农业废弃物资源化利用的状况 随着经济和科技技
3、术的迅速发展，发达国家对农业废弃物资源化利用也日趋完善。在日本畜禽粪便堆肥化已实现工厂化，他们研制的卧式转简式和立式多层式快速堆肥装置，发酵时间约 1 2周，具有占地少、发酵快、质地优等特点。俄罗斯研制的有机发酵装置每天生产100t有机肥，最后成品肥每吨中约含 N、 P、 K45kg。美国 BIOTEC2120高温堆肥系统，由 10个大型旋转生物反应器组成，通过微生 物发酵在 72h内可处理 1300t的畜禽粪便或垃圾，使之成为优质有机肥料，这种方法对于高湿物料具有特殊的作用。韩国采用槽式发酵和螺旋式搅拌在国际上属于较先进的粪便发酵技术。国外在堆肥发酵工艺、技术和设备上已日趋完善，基本上达到了
4、规模化和产业化水平，但是，欧美发达国家一些先进的堆肥设施由于运行成本太高，在我国还不能普遍应用 2。 2.1.2 我国农业废弃物资源化利用现状 我国是一个农业大国，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。然而随着农业生产水平和农民生活水平的不断提高，对原来用作肥料和燃料的农业废弃物的利用越来越少，因此农业废弃物越来越多。我国已成为世界上农业废弃物产出量最大的国家，其中农作物秸秆年产量达 5亿 (干质量 )，可供青贮的茎叶等鲜料
5、约 10亿，锯末、刨花等林业废弃物 16000，畜禽粪便排放量 134亿，城市垃圾 7万以上。随着工农业生产的迅速发展和人口的增加，这些废弃物以年均 5% 10%的速度递增。这其中大部分废弃物被当作垃圾丢弃 或排放到环境中，造成可利用资源的浪费和对生态环境的污染。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 3。 2.2 存在问题的分析 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。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
6、、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。 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。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。农业废弃物资源化利用实现的关键
7、是建立健全技术和人力支持体系。虽然 我国在农业废弃物处理技术装备上有一定的研究与创新，一些技术已经较为成熟，但与发达国家相比较还较落后。针对农业废弃物分散复杂的情况，缺乏一套完整的技术保障体系，缺乏和农业废弃物有关的经济有效地收集、处理和综合利用技术，相关配套技术与设施也跟不上。同时在设备的投入上，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在低水平上重复以致发展缓慢，不能适应社会生产的需求。另外，在农业废弃物资源化利用行业中，相关从业人员素质相对较低，缺乏系统培训，工作质量部高 ，制约了资源化利用相产业化方向发展。 2.3 农业
8、废弃物资源化利用 2.3.1 农业废弃物资源化利用方式 目前，农业废弃物资源化利用方式主要集中在肥料化、饲料化、能源化和材料化等几个方面。 2.3.1.1 肥料化 农业废弃物中含有大量的有机物及丰富的氮、磷、钾等营养物质，是农业可持续发展的宝贵资源。将废弃物经过适当的处理制成肥料，是良好的农用肥源。目前，在我国应用较多的是采用堆肥法，通过调节碳氮比，控制适当的水分、温度、氧气、酸碱度使畜禽粪便和秸秆等农业有机废物发生生物化学降解 4,5，形成一种类似腐殖 质土壤的物质，可以用作肥料和作为土壤改良剂；也可以将高温堆肥产品经杀灭病原菌、虫卵和杂草种子等无害化处理和稳定化处理后与经粉碎后的氮肥、磷肥
9、、钾肥混合后，经筛分、干燥制成颗粒化复合肥。所有农业废弃物都可以经堆肥发酵后形成有机肥还田，农田使用这种有机肥后土壤有机质增加，结构改善，可以减少 50%的农药化肥施用量，减少开支，且农产品质量提高，可以发展为无公害绿色食品 6。但国内农业废弃物好氧发酵资源化利用却始终未能得到很好的推广，其原因主要在于没有高质量的生物有机肥品种和统一的生物有机肥商品标准 7。而且常规 堆肥处理过程中有氨气的损失，不能完全控制臭气，所耗时间也很长 8。 2.3.1.2 饲料化 秸秆的开发利用前景非常广阔。从作物秸秆的营养特点分析，其蛋白质、可溶性碳水化合物、矿物质和胡萝卜素含量低，而粗纤维含量高，可作为畜禽饲料
10、应用。秸秆大多可以直接饲喂，通过简单的技术处理使秸秆变软熟化，可提高其营养利用率和消化率 9。目前，我国常用作饲料的农作物秸秆包括稻草、麦秆、玉米秸、谷草、薯秧和花生秧及相应的秕壳等。 畜禽粪便含有丰富的营养成分，最适合于反刍动物。畜禽粪便经适当处理可杀死病原菌，改善适口性，并能 提高蛋白质的消化率和代谢能。国外畜禽粪饲料化早已商品化，我国畜禽粪便饲料也已开展多年，积累了一些经验。畜禽粪便饲料化方法主要有以下几种：干燥法、青贮法、需氧发酵法等。 2.3.1.3 能源法 近年来，随着经济的发展和农村能源建设，我国农村地区能源消费的数量、种类和结构发生了巨大的变化。农业废弃物能源利用方式逐渐由传统
11、的低效率燃烧向优质化和高效化方向发展，目前常采用的厌氧消化法是一种有效处理粪便和资源回收利用的技术。主要模式是以畜禽粪便、秸秆等农业废弃物为原料，经厌氧发酵可以产生以甲烷为重要成分的沼气。我国在 不断的研究和推广中形成了沼液直接肥田，沼渣养鱼的养殖、种植和渔业紧密结合的物质循环生态模式。它不但能解决中国广大农村燃料短缺和大量焚烧秸秆的矛盾，还能消除臭气、杀死致病菌和致病虫卵，解决大型畜牧养殖场的畜禽粪便污染问题 10。此外，通过气化器也可以将秸秆等农业废弃物气化成可燃烧气体，为农户输送优质能源。另外将能量密度较低的废弃物转化为密度高、品质高的液体燃料，也是一种循环利用方式，主要包括生物酒精、生
12、物甲醇、生物柴油等。 2.3.1.4 材料化 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 和生产资料是农业废弃物材料化利用的主要方式。秸秆是高效、长远的轻工、纺织和建材原料，其表面密度小、韧性大、抗拉、抗弯、抗冲击能力强，是很好的工业材料。我国是开展秸秆工业利用较早的国家之一，但由于科技的滞后，发展缓慢，致使我国秸秆的工业利用比例很小。我国秸秆作为工业利用的量约 2400万，只占我国秸秆总量的 4.5%左右。造纸和建材是我国秸秆工业利用的主要行业，造纸用秸秆约 2000万，占秸秆工业利用总量的 83%；作为建材的轻型板材用秸秆约 316万，占秸秆工业利用总量的 14%。 2.
13、3.1.5 食用菌栽培 利 用农作物秸秆、棉籽皮、树枝叶、畜禽粪便等废弃物按一定比例粉碎混合，经热蒸、消毒、发酵、化学处理后可用来栽培食用菌，栽培效果好，栽培出的食用菌营养价值高 11。我国的食用菌产业从 20世纪 70年代中期开始有了迅猛的发展。统计资料表明，我国 2002年食用菌产业的总产值在粮、棉、油、果、菜之后，排在第六位，是重要的出口创汇产品。据不完全统计，目前国外利用废弃物生产的食用菌品种已达 20多种，一般品种和名贵品种都有涉及。我国用麦秆或玉米杆、棉秆栽培草菇、平菇技术已得到广泛应用。此外，食用菌产业对农业废弃物吞吐量大，培 养一季菇，所需的原料相当 20倍菇面积的农田产生的转
14、化废物。上海农学院一项测定证明，秸秆栽培食用菌的氮素转化效率平均约为 20.9%，是一条开发食用蛋白质资源，提高人民生活水平的重要途径 12。 另外，废弃的基质物料栽培食用菌产生的菇渣，由于菌体的生物降解作用，氮、磷等养分的含量也显著提高，可以再还田利用，作为优质肥料用于农业生产，不仅充分利用了作物秸秆，而且增加经济效益，是农民致富的好途径。 2.3.2 我国农业废弃物资源化利用的发展前景 农业废弃物是一个大的环境污染源，同时也是一个大的生物质资源库，具有 “双重性 ”。通过合理的加工利用可以减少农业废弃物对环境的危害，同时尽量降低废弃物资源化成本，开发高值产品，提高废弃物资源化和无害化处理率
15、，为我国农业可持续发展和中国的能源安全做出重要贡献。 2.3.2.1 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
16、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。 2.3.2.2 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
17、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、社会三大效益的统一。 2.3.2.3 加强生物 质能利用的研究 农业废弃物生物质能利用是农业废弃物资源化利用的一个重大拓展，在整个新能源和可再生能源中占重要地位。农业植物纤维性废弃物由 C、 H、 O等元素和灰分组成，当它们被点燃时，供应少量空气，并且采取措施控制其反应过程，使其变成 CO、 CH4、 H2等可燃气体，生物质中大部分能量都被转化到气体中。气化后的可燃气体可作为锅炉燃料与煤混燃，也可作为管道气为城
18、乡居民集中供气。将气化后的可燃气经过净化除尘与内燃机连用，取代汽油或柴油，实现能量系统的高效利用。气化后的可燃气还可进行气化发电，气化发电技术可以在较小规模下 实现较高的利用率，并能提供高品位的能源形式，是一个重要的发展方向。如德国最早利用秸秆发电的 Thuringain镇电站，年处理秸秆 3000，我国目前在海南建设了1.2MW示范电站，该电站是我国及亚洲最大的生物质气化发电系统，整体水平达到国际先进水平。 2.3.2.4 开辟新的利用途径 在我国农业废弃物中，秸秆占很大比例。当前对秸秆的利用主要集中在燃烧供能、堆肥还田和直接饲喂畜禽上，缺乏其它利用途径的创新研究。利用秸秆养殖昆虫，进一步发
19、展各种昆虫产品有很广阔的应用前景，例如黄粉虫的养殖。黄粉虫素有 “动物蛋白 饲料之王 ”的美誉，通过工厂化生产，可提供大量优质动物性蛋白质，促进养殖业的发展。黄粉虫脱脂提油后的虫粉蛋白质含量达到 70%，再经提取壳聚糖 (甲壳素 )，蛋白含量可高达 80%，不但能够替代进口优质鱼粉，而且完全可以食用。除了黄粉虫，秸秆还可以养殖蝗虫、大麦虫、螟虫等多种昆虫。 畜禽粪便是一个巨大的生物质资源库，以前大多都是直接堆肥处理。直接堆肥时间长，肥效差。笔者认为，通过一些生物技术手段可以获得更加理想的效果。比如在粪便中引入蚯蚓，蚯蚓可以凭借自身的酶系统将有机废物迅速分解，转化为易于利用的营养物质，从而加速
20、堆肥的效果。另外，在粪便中加入适宜的菌剂进行发酵堆肥，可以迅速增加有益微生物的繁殖，快速分解粪便中的有机物，产生生物热能，高温抑制或杀灭有害菌及病虫卵，而且还可以吸收分解恶臭。因此，筛选和培育合适的生物菌剂成为了当前研究的重点。 2.3.3 凯氏定氮法测定农业废弃物中氮的含量 凯氏定氮法：食品经加硫酸消化使蛋白质分解，其中氮素与硫酸化合成硫酸铵。然后加碱蒸馏使氨游离，用硼酸液吸收后，再用盐酸或硫酸滴定根据盐酸消耗量，再乘以一定的数值即为蛋白含量。本次实验中将采用凯氏定氮法测定农业废弃物（猪粪）中氮的含量。 实验流程：采集土样 土样预处理 定氮蒸馏 结果处理 实验试剂： 所有试剂均用不含氨的蒸馏
21、水配制。 (1)硫酸铜 (2)硫酸钾 (3)硫酸 (4)2%硼酸溶液 (5)混合指示液： 1 份 0.1%甲基红乙醇溶液与 5 份 0.1%溴甲酚绿乙醇溶液临用时混合。也可用 2 份 0.1%甲基红乙醇溶液与 1 份 0.1%次甲基蓝乙醇溶液临用时混合 (6)40%氢氧化钠溶液 (7)0.025mol/L 硫酸标准溶液或 0.05mol/L 盐酸标准溶液。 实验具体步骤： (1)样品处理：精密称取 0.2-2.0g 固体样品或 2-5g半固体样品或吸取 10-20ml 液体样品（约相当氮 30-40mg），移入干燥的 100ml 或 500ml 定氮瓶中，加入 0.2g 硫酸铜， 6g 硫酸钾
22、及 20 毫升硫酸，稍摇匀后于瓶口放一小漏斗，将瓶以 45 度角斜支于有小孔的石棉网上，小火加热，待内容物全部炭化，泡沫完全停止后，加强火力，并保持瓶内液体微沸，至液体呈蓝绿色澄清透明后，再继续加热 0.5 小时。取下放冷，小心加 20ml 水，放冷后，移入 100ml 容量瓶中，并用少量水洗定氮瓶，洗液并入容量瓶中，再加水至刻度，混匀备用。取与处理样品相同量的硫酸铜、硫酸钾、浓硫酸同一方法做试剂空白试验。 定 氮蒸馏装置：如图所示。 凯氏定氮法仪器 安全管 导管 汽水分离管 样品入口 塞子 冷凝管 吸收瓶 隔热液套 反应管 蒸汽发生瓶 （ 2） 按图装好定氮装置，于水蒸气发生器内装水约 2/
23、3 处加甲基红指示剂数滴及数毫升硫酸，以保持水呈酸性，加入数粒玻璃珠以防暴沸，用调压器控制，加热煮沸水蒸气发生瓶内的水。 （ 3） 向接收瓶内加入 10ml2%硼酸溶液及混合指示剂 1 滴，并使冷凝管的下端插入液面下，吸取 10.0ml 样品消化液由小玻璃杯流入反应室，并以 10ml 水洗涤小烧杯使流入反应室内，塞紧 小玻璃杯的棒状玻璃塞。将 10ml40%氢氧化钠溶液倒入小玻璃杯，提起玻璃塞使其缓慢流入反应室，立即将玻璃盖塞紧，并加水于小玻璃杯以防漏气。夹紧螺旋夹，开始蒸馏，蒸气通入反应室使氨通过冷凝管而进入接收瓶内，蒸馏5min。移动接收瓶，使冷凝管下端离开液皿，再蒸馏 1min，然后用少
24、量水冲洗冷凝管下端外部。取下接收瓶，以 0.01N 硫酸或 0.01N 盐酸标准溶液定至灰色或蓝紫色为终点。 同时吸取 10.0ml 试剂空白消化液按 操作。 三、课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、难点及 预期达到的目标 3.1 课题研究内容 在当今倡导循环经济的时代，对于农业废弃物资源化利用已经刻不容缓。本文通过测定农业废弃物中氮含量来对农业废弃物资源化利用方法进行研究，重点关注农业废弃物循环经济发展等问题，进而研究对农业废弃物讲解及有效利用的科技技术问题。 3.2 研究方法 采用文献查阅与实验分析相结合进行综合研究。 3.3 研究难点 实验测定农业废弃物中氮含量的数据分析与农业
25、废弃物资源化利用的相关关系。 3.4 预期目标 通过对农业废弃物中氮的测定提出有利于农业废弃物资源化利用的相关途径 。 四、论文详细 工作进度和安排 1.资料收集期： 2010年 9 11 月 2.过程材料撰写期： 2010年 11 12月 3.监测实验期： 2011年 2月 2010年 3月 4.数据分析期： 2011年 2月 2011年 3月 5.总结写作期： 2011年 3 5月 五、主要参考文献 1高丹，李国学，姜文娟我国农业废弃物资源化利用的现状与发展 J中国农业大学资源与环境学院北京， 100193 2孙振钧，孙永明我国农业废弃物资源化与农村生物质能源利用的现状与发展 J环卫科技网
26、 .2010-03-20 3李鹏，王文杰 农 业废弃物资源的利用现状及开发前景 J中国乡村发现网 2010-05-28 4魏辉，张建成利用畜禽粪便生产有机复合肥的发酵工艺研究 J生物技术 1999， 9(5)：30-34 5姚政，赵京音 . 培育商品有机肥市场发展商品有机肥产业解决上海畜禽业粪便污染 J 上海农业学报， 1999， 15(2)： 73-75 6曹超，罗波 探索农业废弃物资源化利用的道路 J 农村改革与发展， 2001， (3)： 34-35 7徐峰，曹林奎 .农业有机废弃物资源化利用研究与应用 .上海农业科技， 2006， 22-24 8林可聪畜禽粪便资源化的高温堆肥处理 J中国资源综合利用 2001,(10)： 33-34 9高福平循环农业中农业废弃物的再生利用农业资源与环境 2008， (2)： 66-68 . 10彭武厚，胡文英 厌氧消化处理畜禽粪便的研究 J中国沼气 1998， 16(1)： 15-17 11张承龙 农业废弃物资源化利用技术现状及其前景 新疆环境保护 2002， 24(1)： 22-25 12高旺盛 我国循环农业的原料、模式与技术途径 循环农业学术报告 2008
