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1露天焚燒作物秸稈的環(huán)境危害

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó),據(jù)統(tǒng)計(jì),每年產(chǎn)生各種農(nóng)作物秸稈有6億多t、其中水稻1.68億t、小麥1.06億t、玉米1.21億t。20世紀(jì)80年代以來(lái),農(nóng)村的能源結(jié)構(gòu)、種植結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大變化,農(nóng)作物秸稈大量剩余,焚燒農(nóng)作物秸稈的現(xiàn)象屢禁不止,造成資源浪費(fèi)、污染環(huán)境等不良后果。另外,露天焚燒秸稈還容易造成火災(zāi),燒傷人畜甚至致死。

1.1損傷地力土壤中含有許多對(duì)農(nóng)作物有益的微生物。其對(duì)促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的礦質(zhì)化、加速養(yǎng)分釋放和改善植物養(yǎng)分供應(yīng)起著重要作用。絕大多數(shù)土壤微生物在l5~40℃范圍內(nèi)活性最強(qiáng)。表層土壤過(guò)火以后,地下5cm處溫度可達(dá)65~90℃,高溫抑制土壤中的微生物生長(zhǎng),從而影響農(nóng)作物養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和供應(yīng),導(dǎo)致土壤肥力下降。

1.2污染大氣農(nóng)作物秸稈中含有氮、磷、鉀、碳、氫元素及有機(jī)硫等。特別是剛收割的秸稈尚未干透,經(jīng)不完全燃燒會(huì)產(chǎn)生大量氮氧化物、二氧化硫、碳?xì)浠衔锛盁焿m,氮氧化物和碳?xì)浠衔镌陉?yáng)光作用下還會(huì)產(chǎn)生二次污染物臭氧等。在城市“熱島效應(yīng)”的作用下,城郊四周產(chǎn)生的大氣污染物便自然向市區(qū)流動(dòng),造成嚴(yán)重的大氣污染。如2006年6月20日傍晚,北京部分地區(qū)突然被一股刺鼻的煙霧所籠罩,能見(jiàn)度急劇下降,煙霧從南向北逐漸擴(kuò)散,南部城區(qū)污染物一度超標(biāo)6~9倍。北京市環(huán)保局調(diào)查后認(rèn)為,周邊河北地區(qū)大面積焚燒麥秸產(chǎn)生的煙霧被風(fēng)吹到北京上空,造成了空氣嚴(yán)重污染。

1.3影響交通我國(guó)耕地倒茬時(shí)間短、復(fù)種指數(shù)高,搶收、搶種約1周的時(shí)間,客觀上造成焚燒農(nóng)作物秸稈的時(shí)間較為集中。燃燒秸稈形成的大量煙霧,使能見(jiàn)度大大降低,嚴(yán)重干擾了正常的交通運(yùn)輸。在交通干線兩側(cè)和機(jī)場(chǎng)附近,這種影響尤為突出。在焚燒期間,空氣能見(jiàn)度遠(yuǎn)低于機(jī)場(chǎng)運(yùn)行最低標(biāo)準(zhǔn),成都雙流機(jī)場(chǎng)和石家莊機(jī)場(chǎng)幾乎年年都要被迫關(guān)閉,每年造成數(shù)百萬(wàn)元的經(jīng)濟(jì)損失。

1.4資源浪費(fèi)農(nóng)作物秸稈中不僅含有大量纖維素、木質(zhì)素,還含有一定量的粗蛋白、粗脂肪、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)成分和許多微量元素。6億t秸稈相當(dāng)于300多萬(wàn)t氮肥、700多萬(wàn)t鉀肥和70多萬(wàn)t磷肥,約為全國(guó)每年化肥施用量的1/4。在田間焚燒農(nóng)作物秸稈,僅能利用所含鉀的40%,其余氮、磷、有機(jī)質(zhì)和熱能則全部損失。

2自然排放畜禽糞便的環(huán)境危害

在我國(guó),除露天焚燒作物秸稈對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染外,另一種嚴(yán)重的環(huán)境公害是養(yǎng)殖場(chǎng)畜禽糞便的自然排放。改革開(kāi)放以來(lái),我國(guó)畜禽養(yǎng)殖業(yè)迅速發(fā)展,養(yǎng)殖規(guī)模越來(lái)越大,逐步發(fā)展成為一個(gè)獨(dú)立的產(chǎn)業(yè)。隨著畜禽養(yǎng)殖業(yè)集約化、規(guī)模化、工廠化的快速發(fā)展,畜禽養(yǎng)殖業(yè)糞便廢棄物的產(chǎn)生量也急劇增加,目前已成為我國(guó)農(nóng)業(yè)有機(jī)固體廢棄物的主要生產(chǎn)源。根據(jù)2000年全國(guó)畜禽養(yǎng)殖統(tǒng)計(jì)資料,全國(guó)畜禽糞便年產(chǎn)生量已達(dá)到20.1億t,其中豬糞4.83億t、牛糞10.9億t、羊糞2.29億t、禽糞2.01億t。各種污染成分的年產(chǎn)生量分別是,氮約0.114億t、磷約0.047億t、CODCr約0.694億t、BOD5約0.65億t。隨著我國(guó)畜禽養(yǎng)殖業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展,這一數(shù)字還將上升。生產(chǎn)的高度密集,使畜禽糞便量大大超過(guò)其周?chē)h(huán)境的處理和合理使用的能力。畜禽糞便含有大量未被消化吸收的有機(jī)物、無(wú)機(jī)物、病菌等,能造成大氣、水體、土壤、生物等多方面的污染。

2.1污染大氣由于畜禽高度密集,廄舍內(nèi)混濁灰塵、糞便、霉變墊料及呼出的二氧化碳等散發(fā)出惡臭。據(jù)報(bào)道,一個(gè)年出欄10萬(wàn)頭的豬場(chǎng),每天可向大氣排放菌體360億個(gè)、氨氣381.6kg、硫化氫348kg、粉塵621.6kg,污染半徑可達(dá)4.5~5km。畜禽糞便自然排放在養(yǎng)殖場(chǎng)周邊,產(chǎn)生大量惡臭氣體,其中含有大量的氨、硫化氫等有毒、有害成分,嚴(yán)重影響了畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)周?chē)目諝赓|(zhì)量,進(jìn)而對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)的畜禽生長(zhǎng)和周?chē)用竦慕】禈?gòu)成嚴(yán)重威脅。

2.2污染水體畜禽糞便能直接或間接進(jìn)入地表水體,導(dǎo)致河流嚴(yán)重污染、水體富營(yíng)養(yǎng)化、水質(zhì)嚴(yán)重惡化,致使公共供水中的硝酸鹽含量及其他各項(xiàng)指標(biāo)嚴(yán)重超標(biāo)。畜禽污水排入魚(yú)塘和河流中,還會(huì)導(dǎo)致對(duì)有機(jī)物污染敏感的水生生物逐漸死亡,嚴(yán)重威脅著水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展。研究表明,養(yǎng)豬場(chǎng)排放的污水、固體糞污隨降水淋洗沖刷進(jìn)入自然水體后,可使水中SS、CODCr、BOD5和微生物含量升高。進(jìn)入水體的糞污中含有大量的有機(jī)物,一方面在水中微生物對(duì)其進(jìn)行分解的過(guò)程中,消耗大量的溶解氧(DO);另一方面水體富營(yíng)養(yǎng)化產(chǎn)生大量水生植物殘?bào)w生物降解也消耗大量DO;最終導(dǎo)致水中的DO被耗盡,水體隨之變黑發(fā)臭,這時(shí)水體的原有生態(tài)系統(tǒng)將難以得到恢復(fù)。同時(shí),畜禽糞尿淋溶性極強(qiáng),可以通過(guò)地表徑流污染地下水,也可經(jīng)過(guò)土壤滲透污染地下水。

2.3危害土壤少量的畜禽糞便不經(jīng)過(guò)無(wú)害化處理就直接施入到土壤中,其中的蛋白質(zhì)、脂肪和糖及部分有機(jī)污染物在土壤中可以較快地被分解而得到凈化。但是,如果污染物排放量超過(guò)了土壤的自?xún)裟芰?便會(huì)出現(xiàn)降解不完全和厭氧腐解,產(chǎn)生惡臭物質(zhì)和亞硝酸鹽等有害物質(zhì),引起土壤的組成和性質(zhì)發(fā)生改變,破壞其原來(lái)的基本功能。由此還會(huì)致使種植的作物徒長(zhǎng)、倒伏、晚熟或不熟,造成減產(chǎn),甚至毒害作物。直接施用不經(jīng)處理的畜禽糞便常常會(huì)引起作物幼苗的大面積死亡。

3堆肥化處理是農(nóng)業(yè)固體有機(jī)廢棄物無(wú)害化和資源化利用的有效途徑

目前,我國(guó)總有機(jī)固體廢棄物年排放量約為41.3億t,其中蘊(yùn)含粗有機(jī)質(zhì)為12.3億t,氮、磷、鉀總儲(chǔ)量約為0.873億t。在這些有機(jī)固體廢棄物中,從氮、磷、鉀養(yǎng)分資源來(lái)看,占主要地位的是畜禽糞便,產(chǎn)生量占固體廢棄物的一半左右,其氮、磷、鉀儲(chǔ)量分別相當(dāng)于0.49億t尿素、1.19億t過(guò)磷酸鈣和0.34億t氯化鉀。作物秸稈則是當(dāng)前我國(guó)第二大類(lèi)農(nóng)業(yè)固體有機(jī)廢棄物,其氮、磷、鉀總儲(chǔ)量約為914萬(wàn)t。從有機(jī)質(zhì)養(yǎng)分資源來(lái)看,占主要地位的是農(nóng)作物秸稈。作物秸稈和畜禽糞便就好象是農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)中兩把雙刃劍,科學(xué)處理就會(huì)成為很好的、有利用價(jià)值的資源,處理不當(dāng)就會(huì)造成環(huán)境危害。近年來(lái),隨著人們環(huán)保意識(shí)的增加和國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)的高度重視,各級(jí)政府部門(mén)、相關(guān)機(jī)構(gòu)和企業(yè)都投入了大量的人力、物力開(kāi)展污染治理,針對(duì)當(dāng)前在我國(guó)已頗為嚴(yán)峻的農(nóng)業(yè)固體有機(jī)廢棄物污染的現(xiàn)狀開(kāi)展研究和技術(shù)攻關(guān),找到了許多很好的治理和利用方法。

“十五”期間,農(nóng)業(yè)部推薦的作物秸稈綜合利用技術(shù)包括秸稈青貯、堆肥、氣化、養(yǎng)菇、用于建材和直接還田等;畜禽糞便的處理和利用方式主要有固體圈肥、高溫堆肥、膨化處理、水解處理、蚯蚓處理或是不加處理直接用作肥料等。在所有利用方式中,高溫堆肥以其無(wú)害化程度高、腐熟程度高、堆腐時(shí)間短、處理規(guī)模大、成本較低、適于工廠化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)而逐漸成為作物秸稈和畜禽糞便的首選處理方式。此外,以?xún)?yōu)質(zhì)的腐熟堆肥作為基料,配制高附加值的多功能復(fù)混肥料和微生物有機(jī)肥料的前景也相當(dāng)廣闊。堆肥化(Composting)是在微生物作用下通過(guò)高溫發(fā)酵使有機(jī)物礦質(zhì)化、腐殖化和無(wú)害化而變成腐熟肥料的過(guò)程。在微生物分解有機(jī)物的過(guò)程中,不但生成大量可被植物利用的有效態(tài)氮、磷、鉀化合物,而且能合成新的高分子有機(jī)物—腐殖質(zhì),它是構(gòu)成土壤肥力的重要活性物質(zhì)。傳統(tǒng)有機(jī)肥料堆置技術(shù),體積龐大,養(yǎng)分含量低,無(wú)害化程度差,生產(chǎn)應(yīng)用受到很大局限。

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)條件下,如何迅速而有效地處理作物秸稈和畜禽糞便等農(nóng)業(yè)固體有機(jī)廢棄物,是科技工作者面臨的新挑戰(zhàn)。根據(jù)國(guó)際公認(rèn)的廢棄物”減量化、無(wú)害化、資源化”綜合治理原則,生物堆肥處理是在人工控制條件下依靠細(xì)菌、放線菌等微生物,通過(guò)有目的的降解作用,把有機(jī)物轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)的生物化學(xué)處理技術(shù),從而達(dá)到原料的無(wú)害化和資源化。這是促進(jìn)有機(jī)廢棄物在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中良性循環(huán)并促進(jìn)環(huán)境污染問(wèn)題得以真正解決的有效途徑,是符合我國(guó)國(guó)情的最佳處理方法。

4農(nóng)業(yè)固體有機(jī)廢棄物堆肥關(guān)鍵技術(shù)存在問(wèn)題及解決措施

4.1作物秸稈的快速腐解技術(shù)農(nóng)作物秸稈、植物殘枝及農(nóng)產(chǎn)品加工廢棄物(酒糟、醋糟、中藥渣等材料)中除粗纖維外,其他組分都較易降解,因此,粗纖維降解速度是決定秸稈腐熟快慢的關(guān)鍵。關(guān)于加快纖維素、木質(zhì)素降解的研究,國(guó)內(nèi)外已有大量文獻(xiàn)報(bào)道。主要有物理的方法,如α或β-射線輻照、微波處理等;化學(xué)的方法,如強(qiáng)酸或堿或氧化劑處理;生物的方法,如接種纖維降解細(xì)菌、放線菌、真菌或直接加酶進(jìn)行處理等。也有將物理、化學(xué)及生物方法相結(jié)合進(jìn)行處理。還有用化學(xué)-生物聯(lián)用技術(shù)進(jìn)行處理,提高腐熟速度,并減少成本和勞力。從處理的經(jīng)濟(jì)上的可行性和技術(shù)上的可操作性分析表明,秸稈的生物發(fā)酵腐解處理是研究的熱點(diǎn)。

4.2堆肥過(guò)程中的廢氣污染防治技術(shù)在畜禽糞便的堆肥處理過(guò)程中,如果通氣條件良好、微生物活動(dòng)旺盛,有機(jī)物質(zhì)的分解比較徹底,則產(chǎn)生的臭氣物質(zhì)濃度就相對(duì)較低。當(dāng)通氣不良而導(dǎo)致堆肥內(nèi)部出現(xiàn)嫌氣環(huán)境時(shí),因有機(jī)物分解不徹底就會(huì)產(chǎn)生大量的低級(jí)脂肪酸和含硫化合物等臭氣物質(zhì)。糞便處理中臭氣主要由氨和硫化氫的揮發(fā)引起的,有氧發(fā)酵中的局部厭氧環(huán)境是產(chǎn)生惡臭氣味的重要原因,所以,保證堆肥中充足的氧氣供應(yīng),從而控制硫化氫的形成和釋放以及氨的揮發(fā),可以較顯著地減少臭氣。因此,堆肥過(guò)程中盡量保持堆肥內(nèi)部處于良好的好氣狀態(tài),特別是堆肥前應(yīng)對(duì)材料的水分含量和通氣性進(jìn)行調(diào)節(jié)。實(shí)行強(qiáng)制通風(fēng)和定時(shí)攪拌是抑制堆肥過(guò)程中臭氣產(chǎn)生的關(guān)鍵措施。目前廢氣處理技術(shù)按照技術(shù)路線可分為3大類(lèi):物理方法、化學(xué)方法和生物方法。采用物理方法的主要技術(shù)有空氣稀釋法、活性碳吸附法和低溫冷凝法等;采用化學(xué)方法的主要技術(shù)有濕法化學(xué)吸收法、焚燒法、催化氧化法和臭氧法等。生物過(guò)濾法處理的技術(shù)原理是利用微生物將廢氣中無(wú)機(jī)和有機(jī)污染物或惡臭物質(zhì)分解或轉(zhuǎn)化為無(wú)臭、無(wú)害物質(zhì)。Muthumbi等依據(jù)微生物組織形式、液相狀態(tài)將生物廢氣處理技術(shù)分為生物濾池、生物洗滌塔、生物滴濾池和膜反應(yīng)器4大類(lèi)。相比較而言,在現(xiàn)有技術(shù)水平狀況下,生物濾池處理成本最低,設(shè)備簡(jiǎn)單、易于操作和維護(hù),可靠性較好,因此在生產(chǎn)中應(yīng)用也最廣泛。目前生物濾池處理已被廣泛應(yīng)用于對(duì)于堆肥廠、水處理廠、食品加工廠和部分廢氣濃度較低的冶煉廠和化工廠的尾氣處理。用于廢氣處理的生物濾池技術(shù)在我國(guó)的研究處于起步階段,尚未見(jiàn)到文獻(xiàn)報(bào)道和相關(guān)專(zhuān)利。而歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)生物濾池技術(shù)研究已經(jīng)在生物技術(shù)和工程設(shè)計(jì)兩方面取得了重要進(jìn)展。其中生物學(xué)技術(shù)研究已經(jīng)深入到分子水平,研究熱點(diǎn)主要集中在利用現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)篩選、改造與構(gòu)建高效降解廢氣微生物菌株和菌群結(jié)構(gòu)來(lái)提高其降解效率和擴(kuò)大降解底物范圍;工程技術(shù)研究熱點(diǎn)則集中在低成本耐用濾料介質(zhì)選擇復(fù)配、防止氣流短路以及低能耗的濾池構(gòu)架設(shè)計(jì)等方面。

4.3畜禽糞便脫水技術(shù)畜禽糞便中的含水量一般為75%~85%,這個(gè)含水量難以進(jìn)行堆肥(由于濕度大、使堆肥溫度上不來(lái)),從而大大限制了畜禽糞便的資源化利用,因此,畜禽糞便的脫水和堆肥干燥是堆肥的關(guān)鍵技術(shù)。國(guó)外自20世紀(jì)30年代開(kāi)始,就對(duì)固液分離的機(jī)械設(shè)備開(kāi)展研發(fā)工作。經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展,已經(jīng)形成了技術(shù)成熟且系統(tǒng)化用于畜禽糞便固液分離的機(jī)械設(shè)備。如日本開(kāi)發(fā)的擠壓式固液分離機(jī),具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不堵塞等特點(diǎn),該機(jī)器能將含水量80%以上新鮮畜禽糞便脫水至60%以下,且脫水能耗小、機(jī)械設(shè)備投資成本不高。近10年來(lái),國(guó)內(nèi)有關(guān)用于糞便固液分離設(shè)備的研究取得了較大進(jìn)展,我國(guó)”九五”科技攻關(guān)項(xiàng)目”規(guī)模化蛋雞場(chǎng)糞污處理關(guān)鍵設(shè)備研究”和”規(guī)模化豬場(chǎng)糞污處理關(guān)鍵設(shè)備研究”開(kāi)展了對(duì)XJG-25型斜板擠壓固液分離機(jī)和螺旋機(jī)固液分離機(jī)的研究。這兩種機(jī)械在養(yǎng)殖場(chǎng)推廣使用,均取得很好的效果。但存在的普遍問(wèn)題是在分離含纖維多的糞水時(shí)易堵塞,且機(jī)械故障多,易磨損,使用成本高。因此,引進(jìn)國(guó)外脫水機(jī)械和技術(shù)是解決高濕固體有機(jī)廢棄物資源化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

4.4固體有機(jī)廢棄物處理機(jī)械和工藝技術(shù)目前常用的好氧堆肥技術(shù)有很多種,分類(lèi)也較復(fù)雜。按照有無(wú)發(fā)酵裝置可分為:開(kāi)放式堆肥系統(tǒng)和密閉堆肥系統(tǒng)。相對(duì)于開(kāi)放式系統(tǒng),密閉堆肥系統(tǒng)有很多優(yōu)點(diǎn):堆肥周期短,堆肥設(shè)備占地面積小,能夠進(jìn)行很好的過(guò)程控制(水、氣、溫度),堆肥系統(tǒng)不受氣候條件的影響,且能夠?qū)U氣進(jìn)行統(tǒng)一的收集處理,防止環(huán)境的2次污染。該系統(tǒng)在我國(guó)已被一些堆肥場(chǎng)采用,但目前非常缺乏成功運(yùn)行的攪拌設(shè)備和廢氣處理系統(tǒng),導(dǎo)致堆肥場(chǎng)大氣環(huán)境較差,且攪拌機(jī)械運(yùn)行可靠性差,影響堆肥場(chǎng)的正常運(yùn)行。因此,需要通過(guò)引進(jìn)與消化國(guó)外先進(jìn)技術(shù),創(chuàng)新地研究出價(jià)格低、工作效率高的機(jī)械設(shè)備和高效的臭氣消除系統(tǒng)。作物秸稈與畜禽糞便的混合堆制是產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)堆肥的最佳組合,但在發(fā)酵工藝方面仍沒(méi)有大的突破,主要原因是秸稈的堆肥處理周期較長(zhǎng)影響處理速度,在處理過(guò)程中若添加篩選的高效菌種和配合秸稈破碎則其腐熟時(shí)間可大大縮短。

因此,在今后的秸稈堆肥處理中,除需要繼續(xù)進(jìn)行高效菌種的篩選外,還需考慮秸稈的簡(jiǎn)便、快速和低成本破碎技術(shù),以增大堆肥秸稈與發(fā)酵菌的接觸面積從而提高發(fā)酵速度。在此基礎(chǔ)上,將新技術(shù)的引進(jìn)吸收、消化整合與自主創(chuàng)新相結(jié)合,解決好畜禽糞便的脫水和堆肥場(chǎng)的廢氣防治等制約我國(guó)農(nóng)業(yè)固體有機(jī)廢棄物堆肥產(chǎn)業(yè)化的瓶頸問(wèn)題,促進(jìn)作物秸稈和畜禽糞便的資源化利用及工廠化生產(chǎn)。