1、1 本科毕业论文 文献综述 环境 工程 农林废弃物资源化应用现状及展望 摘要： 农林废弃物是我国农村环境的主要污染源 ，但是农林废弃物作为生物质资源的一部分，其资源化应用越来越受到人们的重视，尤其在生物炭的运用研究方面受到世界各国学者的重视。本文简要阐述了农林废弃物的主要特点和资源化应用现状，着重对生物炭的研究现状进行说明，并对农林废弃物资源化应用的发展前景进行了展望。 关键词： 农林废弃物；生物质能；生物炭 我国是一个农业大国， 在农林业生产过程中会产生大量种类丰富的农林废弃物 ， 但是 随着农林业发展水平和农民生活水平的不断 提高，对于原来用作肥料和燃料的农林废弃物的利用越来越少，所以农林
2、废弃物的总量就越来越多。 根据不完全统计，农作物秸秆产量每年近 8亿吨，农业加工业的废弃物则高达 8000多万吨，而每年可以从林木采伐和木材加工过程中获得约 4000万 m3的剩余物 1,2。 因此，如何合理资源化应用农林废弃物，对缓解我国能源压力，保护生态环境，促进农林业的可持续发展具有重大意义。 生物质能源作为可再生能源，是目前世界能源消耗总量仅次于煤炭、石油和天然气的第四大能源，在整个能源系统中占有重要的地位 3,4。而农林废弃物是生物质资源的一 部分，所以农林废弃物作为生物质能的利用，尤其是生物炭的应用研究对于整个农林废弃物资源化应用的发展具有巨大影响。 1 农林废弃物的概述 农林废弃
3、物是农、林生产和加工过程中产生的副产品 ,主要由纤维素、半纤维素和木质素等组成。农林废弃物的种类繁多，以秸秆、树皮、落叶等为主，还包括一些农副产品加工厂、粮食加工站等的下脚料、加工残渣，如甘蔗渣、麦麸、棉籽壳、玉米芯等 5,6,7。农林废弃物 源于植物，主要由 C、 H、 O、 N等元素组成，与煤炭、石油、天然气等相比具有不同的特点，主要特点有： 一是总量巨大。研究统计表明，我国 每年农林废弃物可达 7亿吨左右 8。 二是种类繁多。 农林废弃2 物包含的种类较多，如秸秆、木屑、树皮等。三是 呈季节性变化。由于农业生产和林业修剪具有很强的季节性，这决定了农林废弃物的产生也具有很强的季节性，主要表
4、现为在成熟时出现短时较多的农林废弃物，而季节过后，农林废弃物的数量将迅速减少，所以农林废弃物总量将呈现较大的周期性和波动性。四是可再生利用。由于农林废弃物源于植物，所以可以通过光合作用进行再生，是一种可再生资源。 由此可见，农林废弃物资源化应用形式具有多样性，在我国发展生物质能产业的潜力巨大。 2 农林废弃 物的资源化应用现状及存在问题 2.1农林废弃物资源化应用现状 农林废弃物作为生物质能的一部分，其来源广泛，种类繁多，资源化应用发展空间巨大。生物质能在世界能 源消费总量中占 14%，而且在四大能源（ 煤炭、石油、天然气、生物质能 ）中， 生物质能是唯一可储存和运输的可再生能源 1,9,10
5、,11，地球上每年光合作用的产物（生物质）高达 1.5010112.001011 亿吨 12。 我国已经把发展生物质能提到国家能源战略的高度，并向着产业化、规模化、非粮食化的方向发展。但是在发展生物质能及其相关的实际工作中，必须 考虑一些客观影响因素，为此，学者们进行了较为详细的探讨研究，并且分别为农林业领域和工业领域提出了一系列新型的科学发展思路。 2.1.1 农林业领域应用研究现状 以农林废弃物资源化应用为核心的 “生物炭 ”研究与产业化开发，是近期较为热门的研究项目。虽然全球对生物炭的科学研究重视源于对亚马逊盆地中部黑土（ Terra Preta de Indio）的认识，这种黑土至今是
6、全球最肥沃的土壤之一，但是全球真正科学认识生物炭是在 20世纪 90年代中期 3。生物炭是生物质在无氧或微氧条件下低温热转化后的固体副产物，是一种有机 碳含量高、多孔性、碱性、吸附能力强、多用途的材料 13,14,15。生物炭与有机质、腐殖质类似，能改变土壤肥力，提高土壤有机碳含量水平，如果生物炭和肥料混施，则有利于作物生长和产量的提高，而且生物炭也能改变土壤的某些物理、化学性质和增加土壤中微生物数量及活性 13。同时，生物炭的输入可以增强土壤的吸附性能，锁控土壤中的 N、P等营养元素和污染物质，减少污染物的生物有效性，从而控制土壤环境中污染物质向水体和植物体系的迁移，对于消减环境中由于过量施
7、肥造成的农业面源污3 染具重大意义 14。所以生物炭用于农业可改 良和培肥土壤，提高作物的产量，促进土壤可持续利用及农业的可持续发展。 用农林废弃物作为园林栽培中的基质是园林产业发展的突破之一。用农林废弃物作为基质不仅能实现无土化栽培，进行容器苗产业化生产，而且由于农 林废弃物中含有丰富的矿物质和有机质，故用农林废弃 物栽培比用土壤栽培生长更好，部分植物生长量可提高 20以上 16,17,18。意大利的 Sergio Mugnai等 17利用园林废弃物栽培荚蒾属和石楠属的植物，在不使用其它肥料的情况下植物长势良好。中国的张骅等 19利用园林废弃物对矮牵牛进行盆栽试验，结果 表明园林废弃物所形成
8、的堆肥产物对矮牵牛的生长最良好。 农林废弃物中含有丰富的营养物质，所以将其直接对土壤进行覆盖或者对其进行堆肥后再将堆肥产物回归土壤，不但可以提高土壤的肥力，改善土壤的理化性状 20，而且能促进植物生长，抑制土壤飞尘等。 van Herwijnen R.21和 Droussi22等都认为由农林废弃物堆肥形成的有机物质是最好的土壤改良剂之一，而且经梁晶等 23研究表明，将农林废弃物覆盖在土壤上能促进 Cu、 Zn、 Cd等重金属淋溶的趋势，并且覆盖 20cm比覆盖 10cm对 Cu、 Zn和 Cd的 淋溶抑制作用更大。所以将农林废弃物与土壤混合不仅能改良土壤肥力和某些物理性状，还能减少某些重金属的
9、向下迁移，减小地下水受重金属污染的概率。 由此可见，农林废弃物在农林业领域进行资源化应用的形式是多样的，并且农林废弃物在农林业进行产业化发展的潜力是巨大的。农林废弃物用于农林业的生产，不仅能变废为宝，减少生产成本，而且能促进农林业的可持续发展。 2.1.2 工业领域应用研究现状 生物炭是多功能、多用途的材料，既可以农用，也可以用作替代煤、石油、天然气的清洁能源，还可以作为还原剂。一些农林废弃物热裂解生产生物炭， 同时还能获得生物油及合成气，而这些都可以进一步加工成氢气、生物柴油或其他化学品 13,24。生物炭进一步加工成活性炭，可用于重金属污染吸附、水质净化 25等 。赵红艳等 26试验证明有
10、农林废弃物所形成的泥炭可以作为一种吸油材料，可以处理水面上的油污染。崔杏雨等 6研究表明经过化学改良处理后的农林废弃物能吸附水中的重金属离子，不仅降低了废水处理的成本，而且提高了农林废弃物的附加值。而且 李灵香玉等 27也同样研究表明农林废弃物对含重金属离子废4 水具有一定的处理作用。印染废水中成分复杂，处理难度很大，然而农 林废弃物可以直接用于对印染废水的吸附。吴春 28和张庆芳等 29研究表明处理后的玉米芯能用于印染废水中的脱色处理。胡巧开 30和李山等 31研究表明处理后的花生壳也能用于 印染废水中的脱色处理。 除此之外，有研究表明，部分农林废弃物能压制成密度板或者三合板，作为建筑材料
11、32。另外还可以 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等。 美国已提出 2020年 50的有机化学品和材料将产自生物质原料，所以在工业领域 10，综合开发利用生物质资源，对农林废弃物进行资源化应用，将成为未来世 界新的经济增长点。 综述所述，农林废弃物及其产业大规模发展的时机已经较为成熟。 随着科学技术的不断发展， 生物质能的发展方向与重点内容已基本明确 ，生物质可以转化的精细化工产品将会越来越多 。 2.2 农林废弃物资源化应用存在的问题 农林废弃物作为可再生的生物质能，其发展时机已经较为成熟，但是我国对农林废弃物进行更全面安全的资源化应用仍然存在一些问题，主要分析如
12、下：第一，总量巨大且分布利用不清楚。我国农林废弃物总量巨大，但是每年到底会产生多少农林废弃物，这些农林废弃物是怎么分布的，利用状况如何，利用形式是什 么，对环境是否造成影响，影响有多大等，这些都没有准确的数据记录和说明。第二，技术落后且利用率低。虽然 我国农林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，但是创新利用技术少，目前大部分都采用一次性和粗放式的利用方式，工艺简单且利用率低。如秸秆的利用，在我国仅有 6%8%的肉食品是由秸秆草转化而来的，而大量的秸秆都被当作燃料或被还田，导致利用率很低，资源被严重浪费。虽然现在已经有较多的开发利用技术，但是目前的多数技术
13、工艺仍然处于实验室或示范阶段，没有达到产业化的要求。 第三，转化产 品单一且价值较低。我国虽然有利用农林废弃物制取沼气的良好传统，但是所拥有的知识产权技术和适应推广技术缺乏，而且由于对农林废弃物资源化产品开发方向不明确，设备投入上资金缺乏，导致我国农林废弃物转化产品单一，价值较低，无论是在国内还是国外都缺乏竞争力。例如部分 农林5 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。如畜禽粪便，国内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。第四，法律法规的缺乏。一方面，由于我国农林废弃物规范化应用还处于初步 阶段，虽然
14、已经出台了一些关于农林废弃物资源化应用的相关政策和法规，但是这些政策和法规缺乏一定的实质性和可操作性。部分生产者想进行农林废弃物资源化生产时，由于优惠政策少或者政策支持力度不够，资金缺乏，无利可图，便不能尽早投入生产。另一方面，由于农林废弃物资源化应用的社会化服务体系尚未形成，不能全面的指导企业规范的进行产业化发展，而且社会中缺乏将农林废弃物分类再进行资源化应用的意识。 目前，虽然对农林废弃物进行全面安全的资源化应用仍然存在一系列问题，但是相信通过不断学习研究，反复实践总结，以上的诸多问题 都会得到合理的解决，农林废弃物资源化应用的发展也更加完善，更加可持续。 3 农林废弃物资源化应用的发展前
15、景 在国外，农林废弃物的应用上主要是通过将其转化为电能、液体燃料和固体成型燃料，减少对化石能源的使用量，发展高效、清洁、低污染和低成本的气化发电、液化技术。对于一些 含有大量的蛋白质和纤维类物质的农林废弃物，主要采用加工成饲料、制成建筑板材、制造化学品等。目前，也 有数百个院校、公司和企业开展生物质热裂解转化生物炭的研究。美国、加拿大、澳大利亚等国家的生物炭研究与中试工艺较为先进，而且美国爱普利瑞达公司的生物 炭与肥料联产工艺是最先进的工艺之一。但是由于由于许多客观原因的限制，如能源植物的来源等，目前全球仅有少数企业以生产生物炭为主导产品。 综上所述，国外农林废弃物资源化应用主要以能源化、饲料
16、化、材料化、基质化等方面发展 8。 在我国，农林废弃物的应用上主要是通过燃烧的方式进行利用，利用率低且污染环境，尤其生物炭生产研究尚在起步阶段。在 20世纪 90年代中期，沈阳农业大学从荷兰引进了一套生物质热裂解装置，之后国内的许多大学，研究院所才开展对生物质热裂解的研究，而且大多以生产生物能源为主，生物炭为副产物，并且大多数将 生物炭用作燃料。所以我国未来在农林废弃物资源化应用上，可以树立总体发展思路，按照循环经济理论，由废弃物的生态循环开始，逐级发展到循6 环农业、循环社会的发展战略思路，结合新农村建设，学习国际上的创新技术，开辟农林废弃物新的资源化应用新途径，促进废弃生物质综合利用 33
17、。 总体而言，农林废弃物资源化应用的前景是可观的。 农林废弃物的资源化应用将是未来的主要战略取向，其合理开发利用必定会带来巨大的社会效益和经济效益。通过各国之间的合作交流与研究，相信不久的将来我们将迎来以生物质能为主导的时代。 4 结语 农林废弃物 是一个大的环境污染源，但是同时也是一个巨大的生物质资源库，通过不同方式的处理应用，呈现出不同的价值。现阶段，农林废弃物资源化应用的发展不断加快，农林废弃物的应用形式和可以转化的精细化工产品都越来越多，其中生物炭的研究也越来越深入。 但是基于目前国内外农林废弃物资源化应用的现状，可以发现产业化发展还没有进一步深入， 所以如何进行产业化发展是农林废弃物
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