摘要：热带农业废弃物资源丰富、种类繁多，由于热带作物秸秆纤维长，韧性强等成分特异，普遍缺乏高效、经济且适用的资源化利用技术与装备，难以形成稳定产业链。本研究团队以甘蔗叶、菠萝茎叶等特色秸秆和畜禽粪便为原料，开展适用于高水分、长秆纤维的秸秆系列打捆装备创制；研发基于多元物料混合发酵气肥联产技术；开发连续式恒温干法厌氧—高温好氧发酵、空气能—太阳能互补型增温保温、发酵过程智能监控等气肥联产装备系统。通过技术装备集成，构建高效热带农业废弃物气肥联产利用技术体系，破解热区秸秆打捆离田易缠绕、堵塞、难以规模化收集等卡脖子问题，使热区秸秆综合利用率提升超10%，年产沼气约1100万m3，年减排CO2约25万吨，有机肥还田增产5.83%—12.84%（火龙果、辣椒等），土壤pH值从3.85提至4.7。在广东、海南、广西等地推广应用，近三年推广应用面积合计101.55万亩，产生总直接经济效益42687.67万元。减少热区农业污染、提高废弃资源利用率，改善农村居住环境，促进农业绿色发展。
一、技术概述
（一）背景情况
我国热区由于具备良好的光、热、湿等自然气候条件，海南、广东、广西等地区农业废弃物资源丰富（甘蔗叶3000万吨/年、香蕉茎秆2400万吨/年、菠萝茎叶1000万吨/年、椰子叶约80万吨/年），在生猪、黑山羊、肉鸡等养殖方面具有得天独厚的资源优势，随之而来的是巨大量的粪污处理难题。在全国秸秆粪污利用技术装备愈趋成熟的情况下，热带地区因区域特色废弃资源的成分特异，大部分技术、装备均停留在实验室/小试阶段，普遍缺乏高效、经济且适用的资源化利用技术与装备，难以形成稳定产业链，是限制热区农业废弃物利用的关键因素，造成资源浪费和环境污染。而另一方面，热区能源、有机肥等生产资料缺乏，长期依赖进口，受国际环境影响极其不稳定，急需优质替代品。
因此，面向资源与环境等重大问题，针对秸秆类原料蜡质层紧密、纤维素长、难降解，捡拾打捆、连续进料易缠绕堵塞，发酵工艺参数稳定性差、无法实时掌握发酵动态等适用技术装备缺乏瓶颈，本研究团队以典型的甘蔗叶、香蕉茎秆等特色秸秆和猪粪、鸡粪等畜禽粪便为原料，开展秸秆和畜禽粪便能源化、肥料化利用技术与装备研究，主要包括：①基于热区特色秸秆纤维长，韧性强，收集难的基础上，研制以中垂刀+45°对称斜切式粉碎机构、智能计量的为核心的系列打捆装备；②研发基于多元物料混合发酵的气肥联产技术；③开发以连续式恒温干法厌氧—高温好氧发酵为核心的气肥联产装备。通过技术装备的组装集成，构建高效热带农业废弃物气肥联产利用技术体系，减少我国热区农业面源污染，改善农村居住环境、提高废弃物资源利用率、获得高附加值产品，促进农民增收和企业增效。
（二）推广应用情况
1. 企业合作情况
（1）2015—2024年，在海南澄迈神州车用沼气有限公司联合开展热带农业秸秆和畜禽粪便干法厌氧发酵等技术应用与工程示范，实现气肥联产，日处理粪污200吨、秸秆50吨，年产沼气101.69万m3，年减排CO22.28万吨，年产有机肥0.69万吨，示范工程长期稳定运行，近三年产生直接经济效益1739.39万元，直接环境效益410.4万元，累计产生总效益2149.79万元。
（2）2021年—2024年，在海南星农夫生态科技有限公司应用秸秆和畜禽粪便厌氧—好氧发酵技术及产品等，并在海南、贵州等地推广，近三年累计产生直接经济效益479.32万元。
2. 国家农技推广机构合作推广情况
（1）2020—2024年，与湛江市农业技术推广中心联合开展畜禽粪便与秸秆肥料化利用技术与装备推广工作，近三年在湛江徐闻、雷州、遂溪等地累计推广应用技术装备38台/套，新增收入254.73万元，新增利润73.39万元。
（2）2021—2024年，与海南省陵水黎族自治县农业农村局联合开展热带农业废弃物多元化循环利用技术推广应用工作，近两年协助陵水当地企业累计收集处理畜禽粪污3.0万吨，收集利用秸秆24万亩，新增产值约3000万元。
（3）2018年—2024年，与海南省农业机械鉴定推广站合作，积极开展热带农业废弃物多元化循环利用技术装备推广应用，近两年指导、协助各市县企业累计收集处理畜禽粪污5.4万吨，收集利用秸秆32万亩，加工转化有机肥料2.7万吨，助力企业新增产值约5000万元，举办技术培训班12期，开展农业废弃物综合利用科普讲座等，有效缓解我省秸秆焚烧和畜禽粪污乱排现象，减少农业面源污染，改善农村人居生活环境，有力推动我省农业废弃物减量化、无害化和高值化。
综上所述，本技术分别在广东、海南、广西、湖南、江西等地推广应用，近三年推广应用面积合计101.55万亩，产生总直接经济效益42687.67万元。
（三）技术效果
随着种植业和养殖业的不断扩大和集约化程度的不断提高，作物秸秆、畜禽粪便等废弃物的产量越来越大，如果不能及时地处理，在热区高温高湿气候条件下，对环境的污染十分严重。项目成果的推广应用，可有效减少农业面源污染、改善农村居住环境、提高废弃物资源利用率、获得高附加值产品，促进农民增收和企业增效，助力乡村振兴和脱贫攻坚。提供的清洁能源和有机肥料，有利于缓解能源紧缺、实现化肥使用量负增长，有利于发展生态循环农业，符合绿色发展理念。
1. 推广秸秆系列打捆装备，破解了热区特色秸秆秸秆田间捡拾打捆易缠绕、堵塞、原料难以规模化收集等卡脖子问题，使热区秸秆综合利用率提升超10%。
2. 气肥联产技术的推广应用，日处理畜禽粪便和秸秆约2550吨，年产沼气约1100万m3，年减排CO2约25万吨，生产有机肥6.53万吨，有机肥在火龙果上应用，产量提升5.83%，土壤pH值从3.85提至4.7，果实糖酸比提高；在辣椒种植方面较市售有机肥节约14%（45元/亩）肥料成本。沼气直燃用于农村户用做饭、照明，压缩提纯后作为生物天然气供居民和公服用户、工业用户使用，可有效缓解能源紧缺、节能减排。气肥联用技术增加了有机肥增收渠道，可有效改良土壤、提升作物品质，显著提高了经济效益和环境效益，对推进农业产业发展和环境保护具有积极的作用。
（四）入选和获奖情况
1. 以该技术为核心的科技奖励等情况
（1）获得2020年度广东省农业技术推广奖二等奖。本技术中的多元物料混合发酵工艺、连续式干法发酵技术与装备、长纤维秸秆打捆装备等为广东省农业技术推广奖的核心成果。
（2）获得2020年度中国热带农业科学院科学技术奖科技创新一等奖。多元物料混合发酵工艺、由空气能、太阳能与控制系统组成的多功能互补型增温保温系统、发酵过程智能监控系统等为热科院科技创新一等奖的核心成果。
（3）成果评价为国际先进水平。
经中国农业大学李洪文等同行专家对“热带主要作物秸秆和畜禽粪便混合干法厌氧发酵关键技术与装备”科技成果进行评价，评价委员会一致认为该成果创新性和实用性强，在同类技术领域达到国际先进水平。成果中的多元物料混合发酵工艺、秸秆打捆压缩模块、高效防堵全密封进料装置、沼气发酵过程智能监控系统等为本技术的核心成果。
2. 申报单位近3年入选主推技术
2023年广东省主推技术：基于中小型收获机的甘蔗农机农艺融合技术、荔枝高接换种提质增效技术（第二完成单位）；
2024年广东省主推技术：基于中小型收获机的甘蔗农机农艺融合技术、荔枝高接换种提质增效技术（第二完成单位）；
2025年广东省主推技术：荔枝高接换种提质增效技术（第二完成单位）。
二、技术要点
1. 热区特色秸秆打捆装备（发明专利：一种回转输送式菠萝茎叶整株收获机，ZL202410955220.3；实用新型专利：一种秸秆打捆机的中对称垂斜切式粉碎装置，ZL202120017735.0）
采用中垂刀+45°对称斜切式粉碎机构，集成专用的刀片和传送装置，创新性实现田间粉碎、捡拾、打捆一体化，具有粉碎彻底、捡拾率高、打紧实，避免二次粉碎导致粉尘污染等优点；突破了传统打捆机作业时存在长纤维甘蔗叶、高纤维高水分菠萝叶缠绕、堵塞、打滑等技术难点。适用于热区特色秸秆如菠萝、甘蔗等农作物秸秆的高效粉碎打捆。打捆装备包括200和180两种幅宽的机型，工作效率＞5亩/h，捡拾率90%以上，配套动力大于90。
2. 基于多元物料混合发酵气肥联产（干法厌氧—好氧双级耦合发酵）技术（发明专利：一种厌氧发酵工艺钝化生物有效态重金属控制系统及方法，ZL202010450730.7）
（1）原料预处理
甘蔗叶及其他热带农业秸秆废弃物宜铡短或粉碎至5cm以下，畜禽粪便原料无需预处理。发酵前将原料混合加水控制至干物质含量大于30%，充分拌匀，静置24h。
（2）发酵原料配比
干法厌氧发酵时原料的碳氮比值（C:N）应为25:1；畜禽粪便与甘蔗叶等热带农业废弃物混合厌氧发酵，接种物（采用发酵剩余物）的用量在20～30%之间；多组分物料混合发酵的碳氮比和干物质含量可按以下公式进行计算：
a. 多组分混合原料的碳氮比计算
K=（C1X1+C2X2+C3X3…）/（N1X1+N2X2+N3X3…）……（1）
式中：K── 混合原料的碳氮比；
C── 各种原料的碳素含量，％；
N── 各种原料的氮素含量，％；
X── 各种原料的重量，kg。
b. 多组分混合原料的干物质计算
D=〔（T1X1+T2X2+T3X3…）/（X1+X2+X3…）〕×100……（2）
式中：D── 混合原料的干物质含量，％；
T── 各种原料的干物质含量，％；
X── 各种原料的重量，kg。
（3）干法厌氧发酵阶段工艺参数
投料：香蕉茎秆、菠萝茎叶水分含量高、有效成分低，纤维长易缠绕进料设备等难题，利用甘蔗叶水分含量低、预处理后物料疏松等特点，采用干湿互补、长短结合的方式进行多组分混合发酵，物料干物质含量控制在15%～20%、草粪比1:1、水力滞留期20d、返料比0.5:1；装料后应随时进行系统检查，如出现停止产气现象，应首先检查密封性，并及时加以解决；采用“太阳能—空气能”增温保温系统，使厌氧发酵温度在35℃～42℃范围；厌氧发酵启动初期，当沼气产量稳定后，可用沼气分析仪检测气体成分，甲烷含量达到50%以上时，即完成沼气发酵的启动阶段；厌氧发酵周期为20—30天，发酵后剩余物基本全为沼渣，不含沼液。将发酵剩余物排出备原料用，作为好氧发酵原料。
（4）好氧发酵阶段工艺参数
将甘蔗叶或者其他热带作物秸秆和厌氧发酵剩余物—沼渣按照体积比1：5的比例充分混合均匀，调节初始含水率为60%左右为宜；将原料利用翻堆机，铲车或者采用连续式好氧发酵罐等工具，堆成幅宽不超2米，高度1.5米左右的条垛或装罐启动发酵，整个发酵周期约20—40天（通过高温55℃维持时间超过15天且种子发芽指数大于85%时发酵结束进入陈化阶段）；发酵期间对发酵温度进行监测，并在温度升高至60℃以后5天翻堆或者搅拌一次，后续每5—7天（或物料温度下降超过5℃）翻堆或者搅拌一次，使原料发酵均匀，腐熟彻底。发酵结束后，进行肥料养分、蛔虫卵、发芽指数等指标检测，符合NY/T 525有机肥料标准要求。
3. 以连续式恒温干法厌氧—高温好氧发酵为核心的气肥联产装备系统（发明专利：一种连续式干法厌氧—好氧双级耦合发酵系统，ZL202010403633.2）
包含连续式恒温干法厌氧—高温好氧发酵模块、空气能—太阳能互补型增温保温模块、发酵过程智能监控模块3部分。
连续厌氧—好氧一体化发酵装备采用分段螺旋和中空管物料自密封方式，实现进料系统弹性密封，适用于固态多组分高浓度物料动态连续运行，适用物料含固率达到20%以上；空气能—太阳能互补型增温保温系统由空气能空调、太阳能集热管、发酵罐盘管、储水箱、管路与控制系统组成，可稳定控制发酵温度在38±2℃范围内，日均产气量提升59.17%，节约电能14.26%；发酵过程智能监控模块基于物联网技术，采用Java语言、MySQL数据库，开发发酵过程智能监控系统，实现了VFA、COD和氨氮等关键参数的在线监测和预警，监测指标从4个扩展至13个，数据误差≤3%，具有快速嵌入工程的特点，安全高效智能。
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