中国种养业废弃物肥料化利用现状与难题

  假裝忘掉伱        2019-11-23 16:06:02

中国废弃物肥料化利用概况


废弃物肥料化过程主要是通过厌氧或好氧方式对畜禽粪便、秸秆等有机废弃物进行高温发酵和无害化处理(或添加不同的发酵微生物)使之成为有机肥料。中国利用农业废弃物制作有机肥料的历史悠久,比西欧早1300多年。有机废弃物资源富含有机质和植物生长所必须的大量营养元素(表1)、微量元素及生物活性因子,被广泛用于农业生产,并且废弃物肥料化利用可保持和提高土壤肥力,活化土壤养分,增强微生物活性,促进农作物高产、优质,降低农产品成本。

中国种养业废弃物肥料化利用现状与难题

中国耕地面积占世界耕地总面积的1/10左右,每年化肥消耗量约占世界化肥消耗总量的1/3,居世界第一位;而中国有机肥资源总养分约7000多万t,实际利用不足40%,2015年中国商品有机肥产量只有1100多万(图t1,有机肥料用量占肥料使用总量只有25%左右,而发达国家占比普遍在45%~60%。实际上,20世纪50年代,中国的肥料投入中的99%是有机肥,至70年代萎缩到施肥总量的约60%,90年代则已不足30%。化肥的大量使用为中国粮食、蔬菜、水果生产等起到了不可低估的作用。但这个成绩的背后,中国的耕地酸化、盐渍化、污染问题日益严重,目前中国耕地退化面积已占总耕地面积的40%以上。通过施用有机肥等措施来恢复耕地质量、提升土壤地力已是迫在眉睫。废弃物肥料化利用是缓解中国有机肥短缺难题的重要措施,一方面是中国化肥投入量居高不下,农田高强度利用带来的土壤健康问题日益突出,急需加大有机肥投入比重,另一方面是中国种养业废弃物资源化利用率较低,秸秆、畜禽粪污等废弃物中丰富的养分资源得不到合理利用。

中国种养业废弃物肥料化利用现状与难题

废弃物无害化、肥料化技术工艺落后,有机肥产品质量参差不齐,“重化肥、轻有机肥”的施肥观念短时期内难以转变,相关配套支持政策缺乏等问题也是阻碍中国种养业中大量废弃物难以肥料化利用的主要因素。纵观中国废弃物肥料化利用发展历程,在技术工艺、产业装备、产品研发、施用技术、配套政策等方面远没有达到中国改革开放以来农业现代化发展的需求。


废弃物肥料化利用方式


中国地域辽阔,虽然各区域之间自然条件、种植方式、畜禽养殖规模化水平等差异较大,但根据还田方式划分,种养业废弃物肥料化利用主要分为直接利用和间接利用。


直接利用


直接利用是一种直接、省力的利用方法,即将废弃物直接还田,在土壤中通过微生物作用将有机废弃物缓慢分解,释放出其中的养分供作物吸收利用,分解成的有机质、腐殖质能够改善土壤结构、培肥地力、提高农作物产量。但这种利用方式依靠自然分解,速度较慢,易对农作物生长产生不利影响,如秸秆类废弃物腐熟慢,粪便类有机物在自然发酵过程中可能会损害作物根部,影响作物生长。废弃物直接肥料化利用最典型的方式为农作物秸秆直接还田,该方式能够快捷、大量的处理种植业中的剩余秸秆,是秸秆肥料化利用的最有效途径。秸秆直接还田技术主要通过农业机械将收获后秸秆粉碎并抛撒在田间后耕翻掩埋,或粉碎、整株及高留茬直接覆盖于土壤。作物秸秆提供的养分约占中国有机肥总养分的13%~19%,是农业生产重要的有机肥源,但中国农田秸秆直接还田比例只有30%~40%,远不及发达国家秸秆还田60%~70%的比例。秸秆还田不仅可以增加土壤有机质和养分,改善土壤物理性状和团粒结构,调节土壤元素的供应,提高土壤微生物和土壤酶活性,具有培肥土壤、保水抗旱、提高产量等作用,而且可以减少直接焚烧造成的环境污染,改善农田生态环境,是促进废弃物资源循环利用和农业可持续发展的重要措施。秸秆直接还田与现代农机耕作方式及机械化程度具有重要关系,由于中国南北纬度跨度较大,自然气候条件差异明显,复种制度和耕作模式存在显著的地域性差异,秸秆还田技术的应用具有明显的地域特征,且中国农业机械发展正处在技术生长期,农机设计工艺、生产制造、质量参差不齐,农机农艺融合度差,大规模秸秆还田的农机技术尚不成熟。近年来,随着秸秆产量的逐年增大,大量秸秆还田后土壤湿度增大、地温升高,为某些病虫害的发生和流行创造了适宜的环境条件,并且短期内秸秆无法充分腐解,影响下茬作物播种质量、出苗和苗期生长,还田秸秆的快速腐解技术还没有突破,这些因素都影响了秸秆直接还田技术的应用和发展。

中国种养业废弃物肥料化利用现状与难题

间接利用


间接利用是将废弃物通过好氧堆肥、过腹、培植、厌氧发酵、炭化等方式进行还田或生产成商品有机肥进行利用(图2)。好氧堆肥利用是以堆沤腐解的方式将有机废弃物进行腐熟,是数千年来中国农民传统的提高土壤肥力的重要方式,也是农村有机废弃物肥料化利用的最常用途径之一。好氧堆肥依靠好氧细菌对秸秆、畜禽粪便等有机废弃物进行分解,在分解的过程中温度较高,可以最大程度的消灭一些病原菌,一般选用槽式或条垛式发酵方式,也可选用滚筒式、立式等好氧发酵设备。随着人类发展,废弃物堆肥已经由传统的小型化、随意堆沤方式向规模化、设备化方向发展,为农业生产带来了直接的有机肥源,也是生产商品有机肥的主要堆肥方式。好氧堆肥的养分较均衡,肥料养分释放速率慢,肥效长久,但该方式用所需空间大、处理时间长,且近年来,随着中国环境保护力度加强,堆肥场地、过程等均有着严格的环保要求,堆肥化过程已朝着智能化、环保化、标准化方向发展。过腹还田是适当处理的废弃物经饲喂后变为粪肥还田,是一种具有悠久历史、效益较高的肥料化利用方式,对促进种养业可持续发展和生态良性循环有积极作用。培植利用是指废弃物培育食用菌后剩余的菌渣经发酵后进行还田利用,也可作为堆肥辅料。该方式延长了食用菌产业链条,促进了废弃物高值化循环利用,经济、生态、社会效益兼得。厌氧发酵是采用密闭的发酵反应器,利用厌氧微生物作用将有机废弃物降解,具有耗能低、消除粪臭、获得能源等优点,发酵周期较长。厌氧发酵技术主要包括湿法厌氧发酵、干法厌氧发酵等,湿法厌氧发酵技术比较成熟,常见的有完全混合式厌氧反应器、升流固体床反应器、内循环厌氧反应器等工艺类型,主要用于废弃物处理,发酵产物为液体沼肥,可以配水浇灌农田,也可以作为叶面肥使用,经过固液分离后的沼渣是商品有机肥的主要原料。沼肥富含营养物质和微量元素,且多为植物易于吸收的速效成分,具有较高的肥料化利用价值。干法厌氧发酵工艺主要包括立式罐型、气袋型、渗出液存储桶型等,技术上存在进出料困难、传质传热不均、毒性物质累积等技术瓶颈,目前大规模运行的经验十分有限。炭化即生物质炭,是利用秸秆、畜禽粪便等有机物在限氧条件下,以较低温度(<700℃)热裂解后得到的富碳产物,具有改良土壤、增加肥力及吸附土壤或污水中的有机污染物等作用,可直接还田或充当肥料载体,是当今一种新兴的、具有一定发展潜力的肥料化利用方式。生产商品有机肥是将畜禽粪便、秸秆等废弃物为主要原料,通过添加促进发酵的微生物菌剂,经过工厂化发酵腐熟、造粒等一系列工艺后制成商品有机肥,具有流水线作业、周期短、产量高、无污染、肥效高、宜运输等优点,是能够进行工业化生产、商品化流通的高效、高值利用方式,商品有机肥每t利润可达到300~500元,是废弃物肥料化高值利用的首选。商品有机肥生产主要技术工艺包括原料预处理、混配(添加微生物菌剂)、一次发酵、二次发酵、造粒、烘干、包装等环节。中国商品有机肥主要包含有机肥料(NY525-2012)、有机-无机复混肥料(GB/T18877-2009)和生物有机肥(NY884-2012)3类(图3)。生物有机肥是利用畜禽粪便和秸秆并添加一些特定功能的微生物,进行无害化的处理并添加腐熟化的有机物料复合形成的集微生物肥料和有机肥功能于一体的肥料。有机无机复合肥是一种既含有畜禽粪便、农作物秸秆等有机物料又添加适量化肥、腐殖酸、氨基酸或有益微生物菌的肥料。


中国种养业废弃物肥料化利用所面临的问题


废弃物资源总量不清,收储体系亟待完善


中国种养业领域每年产生废弃物的数量、处理方式及最终走向仍统计不清,大部分数据都是通过估算获得,且缺乏对这些废弃物的分布、利用状况、利用规模及对环境影响的监测和重视。由于中国各地区种养业发展不均衡,废弃物消纳量、利用途径、比例及具体应用情况均没有量化数据和统一的测算标准,仍然面临数据不准、家底不清的尴尬局面。虽然农业部于2018年初出台了《畜禽粪污土地承载力测算技术指南》,对区域畜禽粪污土地承载力、畜禽规模养殖场粪污消纳配套土地面积、粪肥养分供给量、单位土地粪肥养分需求量等测算方法进行了统一,但仍面临中国不同种养业废弃物种类多、难以完全覆盖的问题。依据地区特点和经济发展状况因地制宜确定的废弃物综合利用模式、废弃物还田养分管理技术等依然缺乏,且受废弃物产生的季节性差异、废弃物资源空间分布与作物需求不协调等因素的影响,种植业和养殖业之间缺乏明显技术优势的循环利用技术模式,导致种养业结合紧密度不够,既限制了种养业废弃物资源化利用的步伐,又限制了生态循环农业的发展。另一方面,由于量大、面广的废弃物资源缺乏统一、有效的收集、储运体系,导致许多种养废弃物产生后不知道如何处置、有效处置,仍面临对环境污染的风险,且在没有政府补贴的情况下,许多规模化种养企业很少积极主动对这些废弃物进行收集和处理,缺乏对新技术、新设备的认知和使用,仍停留在过去的处理方法上,处理效率低,质量差,严重影响了这些资源的充分利用。


废弃物肥料化技术及装备创新不足,配套农用技术仍旧缺乏


废弃物的无害化处理技术是影响肥料化安全利用的重要因素。但目前,中国废弃物无害化处理及肥料化技术工艺落后,原有优良传统堆肥技术、沼气技术没有大的发展,拥有自主知识产权的核心技术少,更缺乏具有广适性和推广价值的技术和设备,在肥料化设备的研发上投入少,技术创新差,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;加上农业生产中重化肥、轻有机肥的问题突出,种养结合不紧密、养殖与种植分离,导致废弃物循环利用技术落后;粪肥、沼肥等肥料化生产技术标准不完善,处理和储存过程中如何降低养分损失等技术缺乏,施用过程机械化设备不配套,肥料施用装备创新不足,缺乏施用有机肥或与化肥配施时基于氮磷钾养分的有效性来推荐施用量等关键技术的策略性建议,这些因素都严重制约了废弃物肥料化技术的创新和发展。


废弃物肥源质量参差不齐,有机肥料质量和市场竞争力不足


随着Cu、Zn、As等微量元素作为饲料添加剂在规模化畜禽养殖中的广泛使用,以畜禽粪便等为主要原料生产的商品有机肥中重金属、抗生素等含量超标风险严重,如在肥料化过程中无有效降解,这些有害物质存在着被作物吸收而进入食物链和在农业环境中积累而污染农产品和环境的风险。据统计,中国每年使用的微量元素添加剂约为15~18万t,大约有10万t未被动物利用而随着畜禽粪便进入环境。目前,由于有机肥产品的质量不过关、农化服务跟不上、监管不到位等,有机肥市场鱼目混珠、以次充好现象时有出现,严重制约了有机肥料市场的发展。一些企业为了提高价格优势,不惜降低生产成本,使有机肥对土壤和作物所产生的功效大打折扣,甚至会降低农户对有机肥料使用的心理预期目标。同时,等比例、高含量的氮磷钾肥仍然占据市场的主导地位,与化肥相比,有机肥施用成本高、见效慢,短期内会影响农作物产量,农民使用有机肥的积极性不高。而种养业废弃物生产的有机肥从原材料的收集到制成有机肥后再投入市场周期较长,质量好的有机肥,从原料的收集、运输、发酵到最后制成商品有机肥,生产工艺复杂,价格高,在肥料市场的同类商品上,产品品种单一、质量差、利用率低,导致有机肥市场竞争力明显不足。


废弃物肥料化的支持力度不足,缺乏相关政策引导


中国尚未形成以绿色发展为导向的农业补贴政策,特别是农作物秸秆、畜禽粪污肥料化生产和使用有机肥也缺乏相应的支持措施。到目前为止,还没有系统性、针对性的关于废弃物肥料化的资金扶持计划,相应的环境政策,也大都集中在秸秆还田、秸秆燃烧和减少畜禽粪便对水体的污染或者是农牧副产品的安全生产方面,对农牧废弃物的处理没有给予足够的重视。目前的策略基本上是采取末端治理思路去“堵绝”污染,一直强调减少污染,没有强调全过程的综合治理,没有明确减少污染的行动策略,最终是废弃物潜在累积性危害的爆发。目前,中国废弃物资源的多头管理也造成部门间的有关政策法规的矛盾和冲突,治理性和限制性政策多,可操作性不强,政策落实成效大打折扣。因此,目前中国急需一套完整的政策法规来规范废弃物肥料化利用,促进废弃物肥料化利用走向规范化、标准化、安全化。


展望


同化肥相比,种养业废弃物肥料化利用无论对土壤结构、化学性质的改善,还是对作物品质和产量的提高都具有很大的优势,同时也是解决中国目前农业生产有机肥投入少、化肥滥用、废弃物资源浪费和环境污染等问题的有效途径。但与发达国家相比,中国在优化发酵技术、废弃物无害化处理、有机肥安全利用、畜禽粪污的土地承载力及养分管理等方面还需要继续加大技术创新力度,在提升现有技术的基础之上,继续加大种养业废弃物肥料化实用技术创新,将种养结合的生态循环模式进一步完善,实现种养经济一体化,促进粮食生产和生态环境的双平衡。通过新主体、新业态、新产业的培育,进一步引导社会资本参与废弃物肥料化利用,推动养殖过程清洁化、粪污处理资源化、产品利用生态化,建立肥料、沼气相互补充的资源化利用体系,提高废弃物肥料化利用率,构建产业化发展、市场化经营、科学化管理和社会化服务的废弃物肥料化利用新格局,力争在“十三五”时期,基本解决规模化畜禽养殖场粪污处理、农作物秸秆等种养业废弃物肥料化利用问题。随着科技的发展、人们环保意识的提高和政府近年来进一步关注废弃物资源化利用及相关支持政策的出台,废弃物肥料化发展必将迎来一个新的历史机遇。

来源: 烨桦 发酵环保化工知识圈

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