李繼連,王 麗,李忠浩

(河北北方學(xué)院動物科技學(xué)院,河北張家口075000)

近年來,隨著集約化畜禽養(yǎng)殖的蓬勃發(fā)展,畜禽養(yǎng)殖帶來的環(huán)境污染已成為農(nóng)村和城郊不可忽視的環(huán)境問題[1-4].有報(bào)道稱,全國畜禽糞便每年的排放量超過40億t,是工業(yè)廢物的4.1倍[5],同時(shí)這些糞便大多都未經(jīng)過處理而直接排放到環(huán)境中的,這對于農(nóng)業(yè)環(huán)境帶來了極大的威脅.也有研究報(bào)道顯示,目前80%的畜禽糞便沒有進(jìn)行資源化利用,這樣龐大的廢棄物已成為造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染最主要的原因[6-8].因此,開發(fā)出新的畜禽糞便綜合利用技術(shù),變廢為寶,具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義.

1 能源短缺

隨著工農(nóng)業(yè)的蓬勃發(fā)展以及人民生活水平的不斷提高,人類對于能源的需求越來越大,有關(guān)專家估計(jì),在未來的10～20年里,世界能源的消耗量將翻一番,因此而帶來了能源危機(jī),這也正日益嚴(yán)重的困擾著整個(gè)世界[9].所以尋找并開發(fā)新的能源、減少環(huán)境污染的有效途徑,顯得越來越重要.石油危機(jī)的出現(xiàn),引起了世界各國對能源危機(jī)的普遍擔(dān)憂,雖然核能、水利發(fā)電等可以提供一些能量的來源,但是用于汽車燃料等的能源仍需開發(fā).有報(bào)道稱：生物能源就有可能成為與現(xiàn)代引擎技術(shù)相匹配的耐用型能源[10],目前許多國家將燃料酒精作為石油的替代品,開始了燃料酒精的發(fā)酵工業(yè),這被認(rèn)為是一種應(yīng)用前景很好的環(huán)保能源.美國能源部為了減少能源消耗量和控制礦物燃料對環(huán)境造成的消極影響,他們制定了一個(gè)目標(biāo),就是將到2030年用燃料酒精代替30%的汽油燃料.另外,歐盟也制定了這樣一個(gè)目標(biāo),即到2010年用生物燃料代替5.75%的汽油和柴油燃料[11-13].

2 纖維素類物質(zhì)發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇

纖維素是世界上資源量最豐富的,同時(shí)也是可再生的資源,每年植物通過光合作用就可以產(chǎn)生1 000億t的纖維素,其中僅陸生植物產(chǎn)生的纖維素約500億t,同時(shí)纖維素資源還是最主要的生物質(zhì)資源,它占地球生物總量的60%～80%,這是自然界為人類提供的一筆巨大的物質(zhì)財(cái)富.而中國也有相當(dāng)豐富的纖維素原料,僅農(nóng)作物秸稈、皮殼一項(xiàng),每年的產(chǎn)量就可以達(dá)到7億多t,其中中國的三大秸稈資源即玉米秸、小麥秸和稻草,占全世界秸稈總產(chǎn)量的20%～30%.可是這么豐富的秸稈資源僅很少量的用于造紙、建筑、紡織等行業(yè),其余大部分都未開發(fā)利用而直接丟棄或焚燒,有很多甚至造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染.近年來,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,以纖維素類物質(zhì)為原料生產(chǎn)燃料酒精的研究異?；钴S.因?yàn)槔w維素類物質(zhì)具有很多的優(yōu)點(diǎn),如來源豐富、品種多、再生時(shí)間短等特點(diǎn).同時(shí)纖維素酒精燃料是以稻草和木屑等為原料,在燃燒時(shí)產(chǎn)生的能量要大大高于生產(chǎn)時(shí)耗費(fèi)的能量[14].有研究顯示：纖維素酒精燃料燃燒時(shí)所排放的溫室氣體不僅比汽油減少90%,而且遠(yuǎn)低于谷物類乙醇燃料,而且產(chǎn)能效率高,不生成有毒的一氧化碳?xì)怏w等優(yōu)點(diǎn).因此,發(fā)展纖維素降解發(fā)酵生產(chǎn)燃料酒精工業(yè)是一個(gè)具有巨大潛力的新領(lǐng)域.目前,直接將纖維素物質(zhì)生物轉(zhuǎn)化成燃料酒精的工藝已得到美國、巴西和日本等國家的廣泛重視.美國政府積極鼓勵(lì)燃料酒精的生產(chǎn)和使用,酒精燃料在美國的燃料市場上的份額已經(jīng)達(dá)到了8%,同時(shí)以纖維質(zhì)為原料生產(chǎn)酒精的技術(shù)還申報(bào)了大量的科學(xué)專利技術(shù).巴西從20世紀(jì)80年代就利用榨汁后的蔗渣發(fā)酵燃料酒精[15],而且其國內(nèi)生產(chǎn)的汽車90%采用酒精燃料的發(fā)動機(jī).日本的研究者也進(jìn)行了纖維素制備燃料酒精的大量研究,目的是為了降低成本進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn),至今酒精發(fā)酵技術(shù)已基本完善.世界上很多的發(fā)達(dá)國家也都在進(jìn)行生產(chǎn)燃料酒精的工程[16].

3 畜禽糞便的排放及危害

中國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國,同時(shí)也是世界上畜禽養(yǎng)殖的大國,在農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)生產(chǎn)中的廢棄物種類繁多、數(shù)量巨大.這些廢棄物大多未經(jīng)過妥善處理而直接排入環(huán)境中,從而造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染.據(jù)統(tǒng)計(jì)資料顯示,2003年我國畜禽糞便產(chǎn)生量約31.90億t,遠(yuǎn)超過當(dāng)年工業(yè)固體廢棄物10.00億t的總量.畜禽糞便中的總氮量為1 394.60萬t,總磷量為378.50萬t[17].畜禽糞便很容易流入水體中,據(jù)估算,我國畜禽糞便主要污染物的流失量化學(xué)耗氧量為728.26萬t、生化耗氧量為498.83萬t、氨氮為132.20萬t、總磷為41.95萬t、總氮為345.50萬t,其中化學(xué)耗氧量的流失量已接近全國工業(yè)廢水中化學(xué)耗氧量的排放總量,總氮和總磷的流失量超過化肥的流失量[18].隨著中國養(yǎng)殖業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展,畜禽糞便排放量還會進(jìn)一步加大,由此造成的環(huán)境污染將會更加嚴(yán)重.畜禽糞便給人類帶來的不利影響已經(jīng)不容忽視,如不及時(shí)處理,還會造成水源、空氣、土壤的污染以及傳染性疾病的流行,給人類的生產(chǎn)生活造成更惡劣的影響.

近年來,將畜禽糞便無害化處理和廢棄資源的再利用,以最大限度地滿足環(huán)境的可接受性成為人們追求的目標(biāo),同時(shí)也隨之產(chǎn)生了許多畜禽糞便的處理方法,如畜禽糞便肥料化[19,20],將其轉(zhuǎn)化成有機(jī)飼料[21,22],或者利用畜禽糞便生產(chǎn)沼氣用做燃料[23-25]等.雖然這些治理方法在一定程度上解決了畜禽糞便對環(huán)境污染的問題,但是在具體的處理技術(shù)上仍然存在著一些不足之處,還有待進(jìn)一步的研究利用.

4 利用畜禽糞便生產(chǎn)燃料酒精

畜禽糞便是一種非常寶貴的資源,有報(bào)道稱,畜禽糞便中含有豐富的纖維素[26],而人們卻將其浪費(fèi)掉,忽略了把它作為生產(chǎn)燃料乙醇的原料[27-30].纖維素制備燃料酒精的工業(yè)技術(shù)研究在國外已有很多報(bào)道[31,32],而中國在這方面的研究起步較晚[33-38].有研究顯示,牛糞中纖維素含量為40%、半纖維素為27%[39]；豬糞中纖維素含量為32%、半纖維素為23%；雞糞中含有纖維素10%～16%.如果按目前的統(tǒng)計(jì)資料,國內(nèi)1 000頭以上的豬場、100頭以上的牛場、10萬只以上的雞場共近15 000余家,每年畜禽養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)生的糞便量約為17.3億t,其中纖維素和半纖維素的含量就達(dá)11.1億t,如果將其作為制備燃料酒精的新型原料,會有非常好的發(fā)展前景.這不僅可以減少畜禽糞便帶來的環(huán)境污染、保護(hù)環(huán)境[40],同時(shí),也是解決能源短缺問題的重要途徑,還可以使養(yǎng)殖戶增加收益,為社會創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益.

畜禽糞便對環(huán)境的影響已成為全世界各個(gè)國家面臨的共同問題,因此,防治畜禽糞便的污染已刻不容緩.二十一世紀(jì)是一個(gè)崇尚綠色、注重環(huán)保、節(jié)約能源的時(shí)代,一切活動與生產(chǎn)活動都將在環(huán)保的前提下進(jìn)行,解決畜牧業(yè)污染問題也是保護(hù)生態(tài)環(huán)境的一項(xiàng)重要內(nèi)容.法國空想社會主義者傅立葉曾說：“垃圾是放錯(cuò)了地方的財(cái)富”.實(shí)現(xiàn)農(nóng)村有機(jī)廢物的資源化,變廢為寶,將對畜牧業(yè)的發(fā)展起到舉足輕重的作用.目前,以纖維素作為燃料酒精的生產(chǎn)原料,依靠高新技術(shù),通過篩選種植高能、高產(chǎn)的生物資源,利用我國大量的畜禽糞便資源,從而實(shí)現(xiàn)利用纖維素生產(chǎn)燃料酒精技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化,才能在一定程度上滿足人類對液體能源的大量需求.那么如何讓畜禽糞便不再是垃圾,如何更好的發(fā)揮其應(yīng)有的價(jià)值,值得我們做更進(jìn)一步的研究探討.

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