有机废物的利用

第二节　有机废物的利用

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1981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：

CH₃COOH─→CH₄＋CO₂

CH₃CH₂CH₂COOH＋H₂O─→

CH₃COOH＋CH₄＋CO₂

CH₃CH₂CH₂COOH＋CO₂＋H₂O─→

CH₃COOH＋CH₄

（2）由乙醇形成甲烷：

CH₃CH₂OH＋CO₂─→CH₃COOH＋CH₄

（3）由二氧化碳还原形成甲烷：

CO₂＋H₂─→CH₄＋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7.2～7.6。

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。

（一）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0.45～0.75千克，农作物可增产25千克左右，连续三年秸秆还田，则可增加土壤有机质0.2%～0.4%。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。1996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。

通常用菌种激活使秸秆发酵的步骤如下：每吨秸秆取1.5～3.0克干菌倒入200毫升自来水中充分溶解，必要时可加入2克白糖，这样复活率可提高10倍，然后在常温下静置1～2小时，将复活的菌液倒入800～1200毫升1%的食盐溶液中拌匀；将配制好的菌液按比例洒在已铡切成5～8厘米（养牛）或2～3厘米（养羊）平铺于隔水的地窖（2米×1.2米×3.5米）的30厘米厚层上，压实使秸秆层中的空气排尽，然后洒上秸秆量的0.5%的玉米粉，再铺30厘米厚的秸秆，再洒菌液，直至窖满为止，盖上塑料薄膜。注意喷洒菌液要均匀，贮料要压实以排尽空气，盖塑料薄膜前每平方米撒250克食盐，塑料膜要密封好、不漏气。经30天发酵好后，秸秆就可取出饲用，开始时由少到多，让牲畜有一个适应过程，随后逐步增加。

在其他方面，秸秆合理而高效利用的途径还很多。例如：开发秸秆的气化、固化、液化和炭化等新技术，从而更有效、更清洁地利用秸秆这一可再生能源，改变落后的直接燃烧方式。这样可降低空气中的二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物的排放，仅全国1/3的秸秆如此处理就可代替6000多万吨标准煤。秸秆作为有机肥料直接还田，是我国历史上农业生产的优良传统之一，是行之有效并可迅速普遍开展的一项措施。据统计，1996年全国秸秆还田面积已从1990年的2400亿平方米增加到3300亿平方米，且潜力仍然很大。经发酵处理的各种果蔬的藤蔓，更是优质的农家肥，无论是秸秆还是藤蔓，在还田和发酵前均须铡成较短的尺寸，否则不易熟化，且有碍机耕。这种有机肥不但没有化肥使土壤板结和引起污染的缺点，还可显著改善土质。

（二）林木废物的利用

森林开发的废弃物的利用，也是极为重要的。除废木料可加工成各种室内装潢用材外，树皮的利用也取得了不少引人注目的成就。人们早就发现各种树皮常渗出一些汁液，细心的观察者可以看出，当树皮被砍伤后，会流出一些汁液，随后汁液凝固形成一层保护膜，就好像人的伤口流血后会形成膜止血一样。林间的香气也多半是树皮散发出来的。这些说明树皮的成分很复杂，因而有很大的利用潜力。日本科学家首先萌发了利用树皮做黏合剂的想法。他们把树皮晒干，碾成细粒，先试用各种溶剂将其溶解，但均未成功；后来用酚处理，搅拌成粥样，在加入少量催化剂并加热到160℃～180℃后，可得到一种有强黏性的黑色稠液。用这种黏合剂制作胶合板，当把两块黏在一起的木块拉开时，有时木块本身已破损，但黏结部分仍完好。

与此类似，1991年11月出版的俄文杂志《科学与生活》报道了俄罗斯的一些建筑材料专家经过多年研究，用木材加工中的废料，不使用任何黏合剂，就可生产出优质的板材。办法是把木屑、树皮等废木料粉碎成细粒，放在一个可以加热又可产生高压的设备中，先加25～55兆帕的压力，压成木料毡；然后再加热到170℃～180℃，并进一步压制。经过这样处理，得到的木板非常结实，可做嵌入式家具及地板用材。为什么会这样呢？因为在这些废料的基本组织即细胞中，都含有一种木质胶，是一种极好的黏合剂。通常它们封闭在细胞壁内，只有借助高压和高温挤出，才能发挥黏结作用。

（三）屠宰下脚料的利用

由于肉食是我们最重要的蛋白质来源，屠宰场的下脚料的处理和利用便日益成为有机废弃物加工的重要内容。无论屠宰的是哪类牲畜，在活体（家禽、猪或牛）的接收和储运区，主要废弃物是粪便。我们要去除用流水冲洗卡车的旧习惯，最好用铲将固体粪便集中于密封场所，制成厩肥，以避免渗溢和雨水溶解。牲畜放血是清除污染、正确利用血料的重要环节。将血液煮熟、脱水得到血粉，其主要成分是蛋白质，并含有多种微量元素如铁、铜、锌等，可以加到饲料中。供人食用的血制品，收集时要特别慎重，可用一种叫套管针的直接在喉窝部血管放血的工具或特制的钢储槽来收集血液，以免血样被倒下的牲口的呕吐物弄脏，同时要防止放置时间过长而变质，血样还要经过特殊处理避免凝固，例如将血浆和血块离心分离或加入抗血凝剂保存。

脱毛这一工序也有废物利用的巨大潜力，通常用机械剪脱的禽羽兽鬃都是良好的氨基酸原料，例如用猪鬃可以制出18种氨基酸。其操作较简便，将鬃毛洗净用稀碱溶液脱脂后，再用盐酸在适当温度下水解即得。下面简介制取胱氨酸［HOOC－CH（NH₂）－CH₂－S－S－CH₂－CH（NH₂）－COOH］、酪氨酸［HO－－CH₂－CH（NH₂）－COOH］和亮氨酸［（CH₃）2CH－CH₂－CH（NH₂）－COOH］的工艺流程。

1.胱氨酸：鬃毛进行一般脱脂、酸水解后过滤，滤渣应主要含胱氨酸粗品；加盐酸溶解，弃去残渣；滤液用活性炭脱色，过滤；滤液用碳酸钠或醋酸钠中和，得到沉淀，过滤；将沉淀水洗，烘干即得到成品。

2.酪氨酸：将上述滤去胱氨酸粗品的滤液用氢氧化钠溶液中和，过滤，沉淀即为酪氨酸粗品；加热水溶解，活性炭脱色，过滤，沉淀为酪氨酸精品；水洗，烘干得成品。

3.亮氨酸：将滤去酪氨酸粗品的碱性溶液加活性炭脱色，过滤；滤液加酸中和，沉淀为亮氨酸粗品，过滤；将所得沉淀加稀碱溶液溶解，活性炭脱色，加酸中和得到结晶；加入乙醇，过滤，将沉淀烘干得亮氨酸精品。

（四）鱼废物的利用

鱼及其他水产品的重要性不言而喻。特别是海洋渔业给人类提供种类繁多的海产品，如鲜冻底层鱼类的鱼片和扇贝，冷冻和咸干鲱鱼，烹虾，罐头产品如鲐鱼、龙虾和螃蟹，还有各种干咸鱼以及作为加工副产品的鱼粉和鱼油。淡水鱼类的加工品种亦极丰富，著名的河豚、大马哈鱼以及地方特产的名品数不胜数；但是鱼加工作业中有30%～80%的原材料变成了废物。

由于这些废物中含有不少有机胺，即使不存在，空气和微生物活动也会产生难闻的腥味；鱼的脂肪和油多是不饱和烃的衍生物，它们在空气中迅速自动氧化，产生恶臭；鱼废物堆积，尤其在娱乐性的海滩地区，既不雅观，又会造成严重的环境污染。然而，鱼废物实在是一大宝藏：其蛋白质、骨质磷酸盐和脂类含量甚高；贝类废物主要由壳多糖、钙和磷的化合物组成；各类海鲜废物含有高水平的生物营养成分，如多达14%的氮、7%的磷和15%的钙。这样，鱼加工废物的回收和利用的确极为重要。

自20世纪60年代以来，鱼废物制成鱼粉是简便易行和用得最多的办法，它消除了海洋倾泻废物和陆地填埋引起的问题，但运费、货运和贮存期间的血水流失、干燥期间的恶臭及压榨液的问题，也不容忽视。

由于制作鱼粉不太盈利，加拿大环境科研部门和高等学校推出两种环境良性和经济可行的新工艺，即制作青饲料和鱼堆肥，可广泛用于动物喂养和土壤调节，因而有引人注目的市场，经济效益良好。

鱼青饲料制作是20世纪90年代提出的新工艺，即加酸保存鱼废物，因为降低pH值能阻止造成鱼腐败的微生物繁殖，又不妨碍天然存在的蛋白质水解酶使废物液化。富油的粗青饲料可用于生产宠物食品和养鱼饵料；低油青饲料可用于喂猪及其他动物，能使它们迅速增重。

制堆肥的基本方法是将鱼废物研磨，并在一定条件下使之与富含碳水化合物的材料如海草或秸秆等混合；在发酵期间，好氧细菌使有机物消解，稳定阶段得到一种无味的、不会滋生杂草的能长期存放的产品。用鱼废物作为堆肥能迅速改良退化的农业土壤，是理想的土壤调节剂，是化肥以及农家肥的优异代用品。