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农林废弃物的高值化转化研究进展

支世涛 ,  王文文 ,  庞亚杰

现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (2) : 52 -56.

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现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (2) : 52-56. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.02.011
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农林废弃物的高值化转化研究进展

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High-value conversion of agricultural and forestry waste:Research progress

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摘要

面对全球能源需求上升和环境挑战,农林废弃物作为未充分利用的生物质资源展现了转化为可再生能源和高价值产品的潜力。这一过程不仅可助力全球减排目标,还符合推动循环经济和“碳中和”的国策。聚焦于农林废弃物的高值化转化研究,分析了现有研究成果和面临的挑战,旨在为提升资源利用效率和环境保护策略提供指导。

Abstract

Given the rising energy demand and environmental challenge worldwide,agricultural and forestry waste,as an underutilized biomass resource,shows potential for conversion into renewable energy and high-value products.This process can aid in achieving global carbon dioxide emission reduction target,and also align with the promotion of a circular economy and China’s national policy of “carbon neutrality”.This paper aims to provide guidance for improving resource utilization efficiency and environmental protection strategies through focusing on the research progress in the high-value conversion of agricultural and forestry waste,and analyzing the existing research achievements and the challenges to face in the future.

Graphical abstract

关键词

农林废弃物 / 生物炭 / 生物燃料 / 循环经济 / 高值化转化

Key words

agricultural and forestry waste / biochar / biofuels / circular economy / high-value conversion

Author summay

支世涛(1981-),男,本科,高级工程师,研究方向为新能源,。

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支世涛,王文文,庞亚杰. 农林废弃物的高值化转化研究进展[J]. , 2025, 45(2): 52-56 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.02.011

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在全球能源需求迅猛增长与环境污染日益严峻的背景下,探索可再生能源并减少对化石能源的依赖成为广泛共识[1]。农林废弃物作为丰富的生物质资源,为能源结构转型及绿色低碳发展提供了有效途径[2]。这种转型既符合全球减排目标,也与国家推动循环经济和“碳中和”的战略相契合。农林废弃物的种类繁多,包括但不限于农业废弃物、林业剩余物、动物排泄物和工业生物质残余等。这些废弃物的资源化利用正受到日益关注[3]。尤其是农业废弃物,如秸秆、玉米芯、稻壳、果渣等,传统处理方式如露天焚烧、自然分解不仅效率低下,还可能引起环境问题[4]。因此,探索其高值化利用途径成为研究焦点。
除了传统的肥料化、饲料化等资源化方式,能源化、生态化、材料化等新途径正逐渐展开,农林废弃物转化为医药、材料、食品包装等高附加值产品的研究正引发广泛关注[5]。这些研究不仅为农林废弃物资源化利用提供了新思路,也为能源结构优化和环境保护贡献了力量。本综述重点阐述农林废弃物高值化转化的研究进展,还探讨了未来发展的机遇与挑战,为国家可持续发展战略提供科学依据与建议。

1 农林废弃物主要来源和分类

农林废弃物作为农业和林业生产活动的副产品,包括农作物秸秆、畜禽粪便、林业及园艺废料,年产量在全球范围内以亿吨计,既带来了挑战,也蕴藏着重要的机遇。我国是农业资源最丰富的国家之一,产生的固体废物主要有甘蔗渣、作物秸秆、稻壳和香蕉茎等(见表1)[6]。这些废弃物的积累不仅占用了大量土地,未经处理还可能成为环境污染的源头。然而,它们也富含可再利用的有机质和化学成分,为资源循环利用提供了机遇。
作物秸秆主要由纤维素(30%~50%)、半纤维素(20%~30%)和木质素(15%~25%)组成[7]。纤维素和半纤维素的高分子多糖结构使其成为理想的生物质能源转化原料。畜禽粪便则富含氮、磷、钾等元素,对植物生长至关重要,其中氮素含量为 0.5%~5%,磷含量为0.3%~2.5%,钾含量为 0.5%~1.5%[8]。这些元素在促进植物生长的同时,也是优质的有机肥料来源。林业废料中,木质素的高含量(通常超过25%)为生物质能源的转化提供了更高的热值。园艺废弃物,如剪枝和落叶,通过堆肥处理后,能转化为高质量的有机肥料,为农业生产提供丰富的营养物质[9]。
农林废弃物的综合利用不仅减少了对化石燃料的依赖,降低了温室气体排放,而且促进了农业废弃物的资源化利用,实现了环境保护与经济发展的双重利益。因此,开发高效的转化途径,对于实现农林废弃物的可持续利用至关重要。

2 农林废弃物高值化转化途径

高值化转化农林废弃物是实现资源可持续利用和环境保护的关键策略。通过采用先进的生物质能源转化和生物材料制备技术,将废弃物转化为高附加值产品如生物燃料、生物肥料等,不仅能有效减少环境污染、降低温室气体排放,而且促进了经济增长,提升了农林废弃物的经济价值。如图1所示,这些转化途径遵循可持续性、高效性和综合利用的准则,符合国家对于绿色低碳发展的政策指引,推进了资源的循环利用和构建环境友好型社会的目标。

2.1 高值化生物燃料转化

生物燃料作为一种从生物质中提取的可再生能源,主要包括固体生物质、生物柴油、生物乙醇以及生物气体等。其中,乙醇作为一种主要的生物燃料,通过发酵工艺从农业废弃物中提取的葡萄糖合成,不仅化学成分与传统乙醇相同,而且因来源于可持续原料更减少了对环境的影响。全球对生物乙醇的需求正随着时间增长,2018年产量达到1 540亿L,预计到2025年将增长25%至1 925亿L,体现了其作为替代汽油的潜力[10]。农林废弃物转化为生物燃料的过程不仅突出了生物能源技术的快速发展,而且将现代生物能源定位为全球可再生能源的重要组成部分。2017年,生物能源在全球能源供应中占比6%,预计到2035年,生物燃料将满足全球汽车燃料需求的8%[11]。这一增长反映了从固体生物质、生物柴油到生物乙醇及生物气体等多种形式的生物燃料的需求增长,其原料主要包括作物秸秆、林业残余以及畜禽粪便等丰富的有机物质。
生物燃料的制备工艺因燃料类型而异,生物乙醇主要通过发酵工艺制备,而生物柴油则通过植物油或动物脂肪与醇类的酯交换反应制得[12]。厌氧消化技术则能从畜禽粪便等有机废弃物中提取生物气体,同时减少废弃物体积和环境污染。此外,利用混合水果废料、马铃薯皮废料等农业残留物提取丁醇的研究,展示了从木质纤维素生物质中提取生物燃料的潜力,避免了对专用生物燃料作物的需求,保护了农田资源[13]。随着转化技术的进步和原材料的丰富性,全球对生物乙醇的生产已达数十亿升。在发展中国家,利用废物生产生物燃料的潜力巨大,例如通过酿酒酵母或特定菌种从蔬菜和农林废弃物中生产乙醇和丁醇[14]。这不仅降低了投资和生产成本,还提升了生物燃料作为一种可获得的、稳定和具有成本效益的能源在现代社会中的重要性。

2.2 高值化动物饲料开发

农林废弃物,如作物残茬、麸皮、稻壳和果渣等,通过适当的加工和处理,可以转化为高营养价值的动物饲料,不仅有助于降低畜牧业的成本,还促进了循环经济的实施。研究表明,这些废弃物在动物饮食中作为营养补充,能够显著改善动物的生长性能和产品质量[15]。例如,南瓜废料中富含的多酚化合物和蛋白质,对反刍动物牛奶和肉类的营养成分有显著的提升作用;葡萄渣中的浓缩单宁能够调节反刍动物营养物质的代谢,将氮的排泄从尿液转移到粪便中,从而减少氮排放对环境的负面影响。此外,浓缩单宁还能改变瘤胃微生物群,降低甲烷排放[16]。
除了传统畜牧业外,农林废弃物中的生物活性化合物在水产养殖中的应用也显示出巨大潜力[17]。研究指出,这些化合物具有调节免疫系统和肠道微生物群的功能,不仅能促进水生生物的生长,还能增强它们的健康和抗病能力。随着水产养殖业的快速发展,对于成本效益高的饲料需求日益增加,使得农业废弃物作为一种有吸引力的替代饲料成分成为可能。农林废弃物的转化不仅能提供经济上的利益,降低畜牧业的饲料成本,提高动物生产性能和产品质量,还能减少温室气体排放,促进资源循环利用。

2.3 高值化生物肥料生产

在转化农林废弃物为肥料的过程中,堆肥和生物肥料的生产是2种关键方法,通过微生物介导的分解和转化机制,将有机废弃物转化为增加土壤肥力的物质。堆肥过程依赖于微生物的受控分解,其效率受到原料成分、碳氮比以及环境条件(如温度和湿度)的影响[18]。研究表明,适当的曝气和混合可以显著提高微生物分解有机物的活性,从而加速堆肥过程。此外,通过富含特定微生物的堆肥和蚯蚓堆肥技术,能够更有效地将农业废弃物转化为营养丰富的堆肥[19]。特定微生物的引入能够加速堆肥过程,而蚯蚓则通过其消化过程增加堆肥的营养生物可用度。这些方法不仅提高了堆肥的质量,而且通过增加有益微生物的数量,有助于抑制病原体的传播。堆肥的应用已被证明能够提高土壤生产力和植物的抗病性,同时,通过堆肥化处理的家禽屠宰场废物和蔬菜废弃物的研究显示,堆肥能够显著改善土壤的理化性质和微生物群落组成。
生物肥料的生产方法包括厌氧消化、化学水解、原位降解和直接焚烧等,其中厌氧消化不仅可以处理有机废物,还能产生沼气作为副产品,其固体残留物是优质的生物肥料[20]。化学水解过程在中等温度下通过酸或碱水解生物质,产生的可溶性生物废物物质经干燥后可用作肥料。原位降解提供了一种低成本的生产有机肥料的方法,但效率较低,而直接焚烧虽能快速转移营养至土壤,但会导致严重的环境问题。在生物肥料的实际应用研究中,通过发酵处理的西瓜、木瓜、柑橘橙和香蕉等农林废弃物显示出不同的肥料效果[21]。特别是香蕉和木瓜等具有较高pH和钾含量的废弃物被视为优质生物肥料来源。这些研究结果不仅证明了不同农林废弃物作为生物肥料的潜力,也强调了在选择生物肥料原料时考虑其化学特性的重要性。

2.4 高值化生物炭制备

生物炭是一种通过热解工艺在缺氧环境下制备的富碳材料,以高碳含量、细小晶粒和良好多孔性而闻名[22]。这种材料不仅在农业中发挥着重要作用,通过提高土壤肥力、养分吸收能力和保水性来支持可持续农业发展,在环境修复和水土净化中也显示出显著效果。生物炭的原料广泛,包括木质和非木质生物质,如林业残留物、农业废弃物等[23]。木质生物质(如橡胶木锯末)以低含水率、低灰分、高热值等特点适于生产生物炭,而非木质生物质(如油棕叶)则因高水分和灰分含量而具有不同的处理需求。
在环境修复方面,生物炭对水和土壤中的重金属污染物具有高效的吸附能力[24]。例如,生物炭能够吸附汞、铅、镍和铜等重金属,机制包括静电相互作用、疏水作用、氢键等。从花生壳制备的磁性生物炭对Cr6+显示出77.5 g/kg的吸附能力,其中静电作用是主要吸附机制[25]。此外,生物炭的热解温度对吸附性能有显著影响。例如,玉米秸秆衍生的生物炭在800℃热解温度下对Cu2+的吸附能力明显高于400℃。这一发现强调了优化热解参数以提高生物炭性能的重要性。生物炭的功能化改性进一步拓展了应用范围。通过金属和非金属的共掺杂,如Fe-N共掺杂的生物炭,不仅可以调节碳材料的电子结构,还可以减少金属浸出,强化催化剂回收过程[26]。这种改性生物炭在环境治理中表现出高效的污染物处理能力,如对过硫酸盐活化的催化能力和高效的溴酸盐电化学还原性能。

2.5 高值化建筑材料创新

传统建筑材料如水泥和砖块对环境造成的负面影响引起了全球性的关注。随着温室气体排放日益严重,研究人员正在寻找替代解决方案,以实现建筑材料的环境友好转型。农林废弃物被证明在制备新型建筑材料方面具有显著潜力,这些材料不仅具有优良的物理和机械性能,而且能够降低建筑产业的环境影响。农业废弃物,如甘蔗渣、椰子壳、果皮纤维等,由于丰富的纤维素、半纤维素和木质素成分,展现出在建筑材料中应用的巨大潜力。通过将这些废弃物以不同比例混合,已探索了其在生产屋顶板保温材料方面的应用[27]。相关研究表明,通过优化纤维的比例和处理方法,可以显著改善材料的隔热性能和物理稳定性。然而,这些材料要在市场上获得广泛应用,提高物理和机械性能至关重要。
通过将蛋壳作为水泥的部分替代品,以及锯末粉和椰子壳粉等农业废弃物在未烧制黏土块中的应用,已进一步验证了这些废弃物改善材料稳定性和耐久性的潜力[28]。随着技术的进步,农林废弃物在建筑材料中的应用已经扩展到水泥、砖块、天花板、地板和屋顶瓦片等多个方面[29]。例如,通过在烧制黏土砖中添加质量分数0~7.5%不同比例的农林废弃物(如椰子壳、草和甘蔗渣),可以在不牺牲强度的同时,显著提高砖块的隔热性能,成功地生产出具有较低导热性和良好隔热效果的砖块。这种创新不仅提高了材料的环保性,还通过降低砖块的导热性改善了建筑的能效。然而,农林废弃物的高孔隙率带来的耐久性问题不容忽视。砖块的孔隙率增加导致吸水率上升,这是影响砖块长期使用性能的关键因素。

3 发展建议

为了推进农林废弃物高值化转化的研究和实际应用,未来的工作应集中在以下几个关键方面。
(1)建立与优化质量控制机制:对农林废弃物转化过程中原料的不稳定性和产品质量进行严格管理。通过深入分析原料的分子结构与产品性能的内在关联,制定标准化程序,确保原料的稳定性和产品的一致性。这一过程需要强调质量控制的动态调整能力,以适应不同原料和转化途径的特点。
(2)推动技术创新及转化途径的多样化:除了优化现有的转化技术以提升效率和产出纯度,探索新的转化路径也至关重要。特别是发展多种转化途径的协同利用,比如将废弃物的不同组分通过不同的技术路径转化为能源、肥料、建材等多样化产品。这不仅能增加产品的附加值,还能通过循环利用最大化资源的使用效率,减少废弃物对环境的影响。
(3)综合安全性与环境影响评估:确保农林废弃物转化产品的安全性和环境友好性是实现广泛应用的前提。在进行多种转化途径的协同利用时,特别需要关注不同转化产品和过程中可能产生的新型污染物及其环境影响。通过建立全面的安全评价和环境影响评估体系,确保技术的可持续发展。

4 结论

将农林废弃物转化为生物燃料、生物复合材料、生物肥料和生物能源等增值产品,不仅推动了环境可持续性,也为农业与工业领域注入了新的活力。这些转化途径有效地促进了资源的循环利用,降低了废物对环境的负面影响,同时提升了农林废弃物的经济价值。尽管目前仍存在技术、经济和社会接受度等挑战,但通过对农林废弃物原料转化技术进行系统评估、促进产品多元化及完善财税激励政策,可以有效推进农林废弃物资源化利用产业的健康发展。农林废弃物的综合利用不仅有助于缓解能源安全与环境污染问题,也为实现节能减排和绿色低碳发展开辟了新途径。
综上所述,农林废弃物的高值化转化在推动我国绿色发展和实现“双碳”目标方面具有重要作用。为此,需进一步加大研究力度,优化技术路线,形成有效政策支撑,以充分释放农林废弃物资源化的巨大潜力。

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原文顺序 | 出版日期 | 本文引用
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