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1露天焚燒作物秸稈的環(huán)境危害

我國是農(nóng)業(yè)大國,據(jù)統(tǒng)計,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80年代以來,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、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,燒傷人畜甚至致死。

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

1.2污染大氣農(nóng)作物秸稈中含有氮、磷、鉀、碳、氫元素及有機硫等。特別是剛收割的秸稈尚未干透,經(jīng)不完全燃燒會產(chǎn)生大量氮氧化物、二氧化硫、碳氫化合物及煙塵,氮氧化物和碳氫化合物在陽光作用下還會產(chǎn)生二次污染物臭氧等。在城市“熱島效應”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,造成嚴重的大氣污染。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,能見度急劇下降,煙霧從南向北逐漸擴散,南部城區(qū)污染物一度超標6~9倍。北京市環(huán)保局調(diào)查后認為,周邊河北地區(qū)大面積焚燒麥秸產(chǎn)生的煙霧被風吹到北京上空,造成了空氣嚴重污染。

1.3影響交通我國耕地倒茬時間短、復種指數(shù)高,搶收、搶種約1周的時間,客觀上造成焚燒農(nóng)作物秸稈的時間較為集中。燃燒秸稈形成的大量煙霧,使能見度大大降低,嚴重干擾了正常的交通運輸。在交通干線兩側(cè)和機場附近,這種影響尤為突出。在焚燒期間,空氣能見度遠低于機場運行最低標準,成都雙流機場和石家莊機場幾乎年年都要被迫關(guān)閉,每年造成數(shù)百萬元的經(jīng)濟損失。

1.4資源浪費農(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、鉀等營養(yǎng)成分和許多微量元素。6億t秸稈相當于300多萬t氮肥、700多萬t鉀肥和70多萬t磷肥,約為全國每年化肥施用量的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,除露天焚燒作物秸稈對環(huán)境造成嚴重污染外,另一種嚴重的環(huán)境公害是養(yǎng)殖場畜禽糞便的自然排放。改革開放以來,我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)迅速發(fā)展,養(yǎng)殖規(guī)模越來越大,逐步發(fā)展成為一個獨立的產(chǎn)業(yè)。隨著畜禽養(yǎng)殖業(yè)集約化、規(guī)?；?、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,目前已成為我國農(nóng)業(yè)有機固體廢棄物的主要生產(chǎn)源。根據(jù)2000年全國畜禽養(yǎng)殖統(tǒng)計資料,全國畜禽糞便年產(chǎn)生量已達到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。隨著我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)的進一步發(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其周圍環(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物、無機物、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)報道,一個年出欄10萬頭的豬場,每天可向大氣排放菌體360億個、氨氣381.6kg、硫化氫348kg、粉塵621.6kg,污染半徑可達4.5~5km。畜禽糞便自然排放在養(yǎng)殖場周邊,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,嚴重影響了畜禽養(yǎng)殖場周圍的空氣質(zhì)量,進而對養(yǎng)殖場的畜禽生長和周圍居民的健康構(gòu)成嚴重威脅。

2.2污染水體畜禽糞便能直接或間接進入地表水體,導致河流嚴重污染、水體富營養(yǎng)化、水質(zhì)嚴重惡化,致使公共供水中的硝酸鹽含量及其他各項指標嚴重超標。畜禽污水排入魚塘和河流中,還會導致對有機物污染敏感的水生生物逐漸死亡,嚴重威脅著水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展。研究表明,養(yǎng)豬場排放的污水、固體糞污隨降水淋洗沖刷進入自然水體后,可使水中SS、CODCr、BOD5和微生物含量升高。進入水體的糞污中含有大量的有機物,一方面在水中微生物對其進行分解的過程中,消耗大量的溶解氧(DO);另一方面水體富營養(yǎng)化產(chǎn)生大量水生植物殘體生物降解也消耗大量DO;最終導致水中的DO被耗盡,水體隨之變黑發(fā)臭,這時水體的原有生態(tài)系統(tǒng)將難以得到恢復。同時,畜禽糞尿淋溶性極強,可以通過地表徑流污染地下水,也可經(jīng)過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)過無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了土壤的自凈能力,便會出現(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,破壞其原來的基本功能。由此還會致使種植的作物徒長、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)固體有機廢棄物無害化和資源化利用的有效途徑

目前,我國總有機固體廢棄物年排放量約為41.3億t,其中蘊含粗有機質(zhì)為12.3億t,氮、磷、鉀總儲量約為0.873億t。在這些有機固體廢棄物中,從氮、磷、鉀養(yǎng)分資源來看,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、鉀儲量分別相當于0.49億t尿素、1.19億t過磷酸鈣和0.34億t氯化鉀。作物秸稈則是當前我國第二大類農(nóng)業(yè)固體有機廢棄物,其氮、磷、鉀總儲量約為914萬t。從有機質(zhì)養(yǎng)分資源來看,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,科學處理就會成為很好的、有利用價值的資源,處理不當就會造成環(huán)境危害。近年來,隨著人們環(huán)保意識的增加和國家對環(huán)境保護的高度重視,各級政府部門、相關(guān)機構(gòu)和企業(yè)都投入了大量的人力、物力開展污染治理,針對當前在我國已頗為嚴峻的農(nóng)業(yè)固體有機廢棄物污染的現(xiàn)狀開展研究和技術(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,高溫堆肥以其無害化程度高、腐熟程度高、堆腐時間短、處理規(guī)模大、成本較低、適于工廠化生產(chǎn)等優(yōu)點而逐漸成為作物秸稈和畜禽糞便的首選處理方式。此外,以優(yōu)質(zhì)的腐熟堆肥作為基料,配制高附加值的多功能復混肥料和微生物有機肥料的前景也相當廣闊。堆肥化(Composting)是在微生物作用下通過高溫發(fā)酵使有機物礦質(zhì)化、腐殖化和無害化而變成腐熟肥料的過程。在微生物分解有機物的過程中,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)有機肥料堆置技術(shù),體積龐大,養(yǎng)分含量低,無害化程度差,生產(chǎn)應用受到很大局限。

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)固體有機廢棄物,是科技工作者面臨的新挑戰(zhàn)。根據(jù)國際公認的廢棄物”減量化、無害化、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菌、放線菌等微生物,通過有目的的降解作用,把有機物轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)的生物化學處理技術(shù),從而達到原料的無害化和資源化。這是促進有機廢棄物在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中良性循環(huán)并促進環(huán)境污染問題得以真正解決的有效途徑,是符合我國國情的最佳處理方法。

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

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,國內(nèi)外已有大量文獻報道。主要有物理的方法,如α或β-射線輻照、微波處理等;化學的方法,如強酸或堿或氧化劑處理;生物的方法,如接種纖維降解細菌、放線菌、真菌或直接加酶進行處理等。也有將物理、化學及生物方法相結(jié)合進行處理。還有用化學-生物聯(lián)用技術(shù)進行處理,提高腐熟速度,并減少成本和勞力。從處理的經(jīng)濟上的可行性和技術(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。

4.2堆肥過程中的廢氣污染防治技術(shù)在畜禽糞便的堆肥處理過程中,如果通氣條件良好、微生物活動旺盛,有機物質(zhì)的分解比較徹底,則產(chǎn)生的臭氣物質(zhì)濃度就相對較低。當通氣不良而導致堆肥內(nèi)部出現(xiàn)嫌氣環(huán)境時,因有機物分解不徹底就會產(chǎn)生大量的低級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,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),特別是堆肥前應對材料的水分含量和通氣性進行調(diào)節(jié)。實行強制通風和定時攪拌是抑制堆肥過程中臭氣產(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:物理方法、化學方法和生物方法。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;采用化學方法的主要技術(shù)有濕法化學吸收法、焚燒法、催化氧化法和臭氧法等。生物過濾法處理的技術(shù)原理是利用微生物將廢氣中無機和有機污染物或惡臭物質(zhì)分解或轉(zhuǎn)化為無臭、無害物質(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器4大類。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)備簡單、易于操作和維護,可靠性較好,因此在生產(chǎn)中應用也最廣泛。目前生物濾池處理已被廣泛應用于對于堆肥廠、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)在我國的研究處于起步階段,尚未見到文獻報道和相關(guān)專利。而歐美等發(fā)達國家對生物濾池技術(shù)研究已經(jīng)在生物技術(shù)和工程設(shè)計兩方面取得了重要進展。其中生物學技術(shù)研究已經(jīng)深入到分子水平,研究熱點主要集中在利用現(xiàn)代分子生物學技術(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)來提高其降解效率和擴大降解底物范圍;工程技術(shù)研究熱點則集中在低成本耐用濾料介質(zhì)選擇復配、防止氣流短路以及低能耗的濾池構(gòu)架設(shè)計等方面。

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%,這個含水量難以進行堆肥(由于濕度大、使堆肥溫度上不來),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)。國外自20世紀30年代開始,就對固液分離的機械設(shè)備開展研發(fā)工作。經(jīng)過數(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械設(shè)備。如日本開發(fā)的擠壓式固液分離機,具有結(jié)構(gòu)簡單、不堵塞等特點,該機器能將含水量80%以上新鮮畜禽糞便脫水至60%以下,且脫水能耗小、機械設(shè)備投資成本不高。近10年來,國內(nèi)有關(guān)用于糞便固液分離設(shè)備的研究取得了較大進展,我國”九五”科技攻關(guān)項目”規(guī)模化蛋雞場糞污處理關(guān)鍵設(shè)備研究”和”規(guī)?；i場糞污處理關(guān)鍵設(shè)備研究”開展了對XJG-25型斜板擠壓固液分離機和螺旋機固液分離機的研究。這兩種機械在養(yǎng)殖場推廣使用,均取得很好的效果。但存在的普遍問題是在分離含纖維多的糞水時易堵塞,且機械故障多,易磨損,使用成本高。因此,引進國外脫水機械和技術(shù)是解決高濕固體有機廢棄物資源化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

4.4固體有機廢棄物處理機械和工藝技術(shù)目前常用的好氧堆肥技術(shù)有很多種,分類也較復雜。按照有無發(fā)酵裝置可分為:開放式堆肥系統(tǒng)和密閉堆肥系統(tǒng)。相對于開放式系統(tǒng),密閉堆肥系統(tǒng)有很多優(yōu)點:堆肥周期短,堆肥設(shè)備占地面積小,能夠進行很好的過程控制(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)在我國已被一些堆肥場采用,但目前非常缺乏成功運行的攪拌設(shè)備和廢氣處理系統(tǒng),導致堆肥場大氣環(huán)境較差,且攪拌機械運行可靠性差,影響堆肥場的正常運行。因此,需要通過引進與消化國外先進技術(shù),創(chuàng)新地研究出價格低、工作效率高的機械設(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)酵工藝方面仍沒有大的突破,主要原因是秸稈的堆肥處理周期較長影響處理速度,在處理過程中若添加篩選的高效菌種和配合秸稈破碎則其腐熟時間可大大縮短。

因此,在今后的秸稈堆肥處理中,除需要繼續(xù)進行高效菌種的篩選外,還需考慮秸稈的簡便、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的廢氣防治等制約我國農(nóng)業(yè)固體有機廢棄物堆肥產(chǎn)業(yè)化的瓶頸問題,促進作物秸稈和畜禽糞便的資源化利用及工廠化生產(chǎn)。