书城科普读物探索未知-化学与废物再利用
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第11章 常见有机废弃物的利用(1)

常见有机废弃物的利用方法按废弃物的性质可分两类:一类是混合的废弃物,如有机废渣可制成堆肥和沼气;一类是性质较单一的废物如秸秆、屠宰下脚料等,可专门加工成高附加值物料。

一、堆肥

制造堆肥是有机废弃物处理和利用的一种重要方法。堆肥中的有机化合物在微生物作用下,发生生物化学反应而降解形成一种类似腐殖质土壤的物质,有明显肥效;混杂的无机物则作为肥料的载体,兼有改良土质的功能。制造堆肥的技术历史悠久,中国古代在农事活动中已使用堆肥并沿用至今。真正对堆肥技术进行科学探讨始于1920年:英国的A.霍华德在印度把牲畜粪便、树叶、垃圾等放入土坑,贮存6个月,进行厌氧发酵;同年,意大利人G.G.贝卡里也向政府申报专利,他的方法同霍华德的相似,只是不用土坑而用混凝土堆肥坑。他们的方法后来得到普遍重视。完成堆肥过程的细菌、酵母菌、真菌和放线菌是废物中本来就有的。制造堆肥的初期,细菌和酵母菌占优势;后期,真菌和放线菌占优势。这是因为各种菌都是一类有特定功能的微生物。细菌中有需氧性的形成孢子的杆菌属,还有大肠杆菌等;典型的真菌则有曲菌、镰刀菌、青霉菌和酒曲菌等;放线菌中有链丝菌、诺卡氏菌和小单孢子菌等。它们的作用复杂而有趣,这里只论及堆肥中许多废弃物的化学成分由于这些微生物的活动而发生显著变化。糖和淀粉最易被它们利用;类脂物或脂肪的抗降解作用不大;纤维素和半纤维素具有中等的抗降解作用;木质素的抗降解作用最强。有机物经堆制后生成胺类化合物或氨及腐殖质,它们既是优质肥料也是土壤改良剂。堆肥过程中产生的生物热度可达50℃~55℃,能杀灭废物及粪便中的病菌、虫卵和蝇蛆。制造堆肥通常分为四步:第一步是准备,即将废弃物匀质(常用的方法有落锤捣碎、锉切法和湿捣成浆法等),其最佳含水率为45%~60%,碳氮比为25∶1,必要时搀入废水污泥来调整;第二步是细菌分解,按作用原理分为高温需氧性分解和低温厌氧性分解,将各种有机物转化成已杀菌的肥料,在夏、秋季需20天即腐熟,冬季则需30天;第三步是熟化,旨在使肥质完全稳定,以便堆肥中的微生物夺去土壤中的氮素;第四步是贮存和处置,以备不时之需。

二、沼气

制取沼气是利用有机废弃物的另一重要途径。过程的特点是通过厌氧微生物的生物化学反应生成甲烷等可燃气体。在自然界中沼气多从沼泽底泥中产生,因而得名。最初的沼气是1663年舍勒发现的;1776年沃尔塔测出其主要成分为甲烷;1875年波波夫发现沼气的产生过程是一个微生物作用过程。这些为20世纪沼气的大规模开发利用打下了基础。20世纪初,开始了用厌氧消化法处理有机废弃物的试验。第二次世界大战后,沼气由试验逐步转入实用。到20世纪50年代中期,许多国家开始大规模生产。我国在沼气的开发、利用、推广和研究方面,20世纪80年代以来取得了很大成就,受到世界上许多国家的重视。至1990年,全国农村共建成户用沼气池700多万个,有21个县基本上普及了沼气。这对解决平原地区农村的燃料问题,具有重要意义。

沼气是有机物在隔绝空气和保持一定水分、温度、pH值等条件下,经过微生物的分解作用而产生的。细菌分解有机物的过程大体分为两个阶段:第一阶段是将复杂的高分子有机物转化为低分子的有机化合物,如乙醇、丙酸、丁酸等;第二阶段是将第一阶段的产物转化为甲烷和二氧化碳。

在上述过程中,发酵分解是多种细菌共同作用的结果。第一阶段主要是分解蛋白质、脂肪、碳水化合物的各种细菌起作用,这些细菌一般称为产酸细菌,这个阶段称为酸性发酵期。第二阶段主要是甲烷杆菌、甲烷球菌和甲烷入叠球菌等起作用,称为碱性发酵期。与甲烷发生的有关化学反应主要有:1.由脂肪酸形成甲烷:CH3COOHCH4+CO2,CH3CH2CH2COOH+H2O,CH3COOH+CH4+CO2,CH3CH2CH2COOH+CO2+H2OCH3COOH+CH4。

2.由乙醇形成甲烷:CH3CH2OH+CO2CH3COOH+CH4。

3.由二氧化碳还原形成甲烷:CO2+H2CH4+H2O。

为了使发酵过程持续进行,必须提供和保持各种微生物所需的生活条件。

怎样实际制得沼气呢?制取沼气必须具备以下几个条件:1.严格的厌氧环境,即沼气池密闭性好,是保证发酵制取沼气的决定性因素。

2.充足和适宜的发酵原料,是制取沼气的基本条件,以碳氮之比约25∶1为宜。

3.适宜的干物料浓度也是基本条件,干物料应占7%~9%,夏季应含水稍多,冬季含水略少。

4.适宜的pH值,通常为72~76。

5.适宜的发酵温度,范围在5℃~60℃均可,一般有三种范围可供选用:常温发酵温度为22℃~28℃,中温为37℃左右,高温为50℃~55℃。温度越高,原料消化就越快,产气率和杀灭病菌的效率也越高。我国广泛采用常温发酵,美国、印度等许多国家多采用中温发酵,也有的采用高温发酵。后两种情况需要加热装置,投资较大。

我国农村制取沼气设备简单,一般是在房后与猪圈、厕所相邻处,建一座6~8立方米的混凝土沼气池,使人、畜粪便直接流入池内,再配以少量输气管道即可。一般五口之家和养两头猪的农户,所排的人、畜粪便,加上每天3~4千克秸秆发酵制取的沼气,便可供烧饭和照明使用。牲畜养殖场则可建较大型的沼气池和沼气发电站,发酵后的物料便是优质有机农肥。

三、几种特定有机废弃物的利用

制造堆肥和沼气是处理和利用各种有机废渣混合物的好办法。下面讨论几种特定有机废弃物的利用途径。

1.秸秆的利用

秸秆是农业生产的一大类副产物。高粱、玉米、稻、麦等在生产大量子实的同时,也产出了多好几倍的茎叶,即秸秆。估计我国的秸秆产量每年不下6亿吨。还有各种蔬菜、瓜、果的藤、叶、枝、蔓、秧、根,以及伐木场残留的树枝、木屑、树皮等,都是重要的农林有机废料。它们含有大量纤维素、木质素以及氮、磷、钾等植物在成长过程中积累起来的营养素。过去,草木灰就是重要的钾源。据估计,每吨秸秆中所含的氮素达5千克,如果能把它们都还田,仅氮肥一项就相当于全国化肥厂产量的25%。目前,全国每年生产的秸秆中含氮300多万吨、含磷70多万吨、含钾近700多万吨,相当于我国目前化肥施用量的1/4~1/3以上。在现有农业生产水平下,如果每平方米还田秸秆045~075千克,农作物可增产25千克左右,连续3年秸秆还田,则可增加土壤有机质02%~04%。如果1/3的秸秆作为饲料,可多养1亿头牛,节约饲料5300万吨。秸秆还是重要的工业原料,主要用于造纸、人造纤维、建筑材料等行业。

秸秆利用的关键还在于提高有关技术的科技含量。作为饲料而言,原始的粗放喂饲形式当然有一定效益,但用合适菌种使秸秆发酵,可制得新的精饲料,能大幅度提高牲畜产肉率。2000年全国有青贮秸秆8521万吨,氨化秸秆3047万吨,两项合计折算,节约饲料粮2000多万吨。