第二节　农业废弃物资源化综合利用一般原理

一、能量守恒定律

现实世界中，能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一其他物体，在转化或转移过程中其总量不变。

能量守恒定律的主要内容如下。

（1）自然界中不同的能量形式与不同的运动形式相对应：物体运动具有机械能、分子运动具有内能、电荷的运动具有电能、原子核内部的运动具有原子能，等等。

（2）不同形式的能量之间可以相互转化：“摩擦生热是通过克服摩擦做功将机械能转化为内能；水壶中的水沸腾时水蒸气对壶盖做功将壶盖顶起，表明内能转化为机械能；电流通过电热丝做功可将电能转化为内能等”。这些实例说明了不同形式的能量之间可以相互转化，且是通过做功来完成的这一转化过程。

（3）某种形式能量的减少，一定意味着有其他形式能量的增加，且能量的减少量和增加量一定相等；某个物体的能量减少，一定会有其他物体的能量增加，且减少量和增加量也一定相等。

能量守恒定律是在5个国家、由各种不同职业的10余位科学家从不同侧面各自独立发现的。其中迈尔、焦耳、亥姆霍兹是主要贡献者。迈尔是德国医生，从新陈代谢的研究中得出，1842年，迈尔发表了题为《论无机界的力》的论文，进一步表达了物理化学过程中能量守恒的思想。焦耳是英国物理学家，1843年，他钻研并测定了热能和机械功之间的当量关系。1847年，他做了迄今认为确定热功当量的最好实验。此后不断改进实验方法，直到1878年有了测量结果报告，精确的实验结果为能量守恒定律的确立提供了无可置疑的实验证据。亥姆霍兹是德国物理学家、生理学家，于1847年出版了《论力的守恒》一书，给出了不同形式的能量的数学表达式，并研究了它们之间的相互转化情况，从而这部著作成了能量守恒定律论证方面影响较大的一篇历史性文献。该定律发现过程中，除了上述3位外，还有法国卡诺、德国莫尔、法国塞甘、瑞士赫斯、德国霍耳兹曼、英国格罗夫、丹麦柯耳丁以及法国伊伦，都曾独立地发表过有关能量守恒方面的论文，对能量守恒定律的发现作出了贡献。

能量守恒定律，是自然界最普遍、最重要的基本定律之一。从物理、化学到地质、生物，大到宇宙天体，小到原子核内部，只要有能量转化，就一定服从能量守恒规律。从日常生活到科学研究、工程技术，这一规律都发挥着重要的作用。人类对各种能量，如煤、石油等燃料以及水能、风能、核能等的利用，都是通过能量转化来实现的。能量守恒定律是人们认识自然和利用自然的有力武器。

农业废弃物资源化综合利用之所以能够实现，其实质就是因为能量在不同物质形式之间能够转化。所以，我们认为能量守恒定律应该同样是农业废弃物资源化综合利用过程所遵循的最基本原理。

二、食物链原理

自然生态系统是自稳态系统，食物链（food chain）是维持生态系统稳定的功能结构。由生产者、消费者与分解者组成的形态各异的食物链（网），构成了生态系统物质循环再生的路径。农业废弃物资源化综合利用可仿此原理进行农业废弃物处理，变废为宝，实现资源化利用。如对食物链进行循环设计，以“秸秆-培养基平菇-菌糠-猪-粪便-沼气-沼渣、沼液-肥田（喂鱼、养蚯蚓）”模式为例，其各种产品的能量利用率达50%以上，有机质和营养元素的利用率可达95%。若秸秆只经过“过腹还田”的途径，则能量利用率仅为20%，氮、磷和钾等元素的利用率约60%，如直接还田或燃烧利用率就更低。

同样也可对食物链进行减环处理，如去除消费者环节，直接将农业废弃物与分解者耦合，以可生产单细胞蛋白的微生物作为分解者。其一，微生物通过分泌胞外酶，将底物分解为简单分子并吸收，免去了消费者因为摄食、排泄而浪费的能量，使生态效率大为提高。由此产生的单细胞蛋白，蛋白质含量比黄豆高75%，可利用氮含量高20%。其二，若将分解者换成蚯蚓时，一方面可实现废弃物循环利用，畜禽粪便还田，增加土壤有机质，提高土壤肥力，改善土壤结构；另一方面蚯蚓是高蛋白生物，体内含有大量的药效成分，如蚓激酶、抗菌蛋白和凝集素等，既可作为饲料添加剂，也可用于医药工业。第三，将废弃物转化为沼气。原理是利用厌氧菌的分解作用，将废弃物厌氧消化，转化为沼气和CO2。沼气是一种洁净能源，可作生活燃料，或供照明和生产用能。发酵后的沼渣还可作为肥料，改良土壤质量，改善农作物生长环境。沼渣液作为饲料，可用于养殖畜禽，节省饲料资源，取得殊途同归的功效。

三、种间竞争原理

种间竞争是指两物种或两个以上资源利用方式近同的物种，争夺有限资源相互作用。其结果是一方取得优势，另一方被抑制，甚至消灭。种间竞争的结构出现不等性或不对称性，即一个种被另一个种完全排挤掉，或是一个种被迫使另一个种占据不同的空间位置和利用不同的食物资源等，即发生生态分离，这在生态学上称作高斯的竞争排斥原理，即生态学（或生态位）上相同的两个物种不可能在同一地区内共存。

种间竞争原理可用于抑制农业废弃物中的有害微生物。如目前在堆肥过程中广泛应用的EM菌（有效微生物种群），就是该原理的应用。EM菌包括5大类有益菌（包括光合菌群、乳酸菌群、酵母菌群、革兰氏阳性放线菌群及发酵系的丝状菌群）10个属80多种微生物，在堆肥过程中通过竞争作用有效抑制了初始粪便中的腐败细菌和病原菌的增长，使得腐败作用和过程大幅度减少甚至消失，保留了更多的有机质和矿物质。又如，生存于土壤中的假单孢菌能产生荧光铁细胞，强烈地结合Fe3+，使得需铁的病原微生物因得不到Fe而生长受阻。上述原理应用于农业废弃物处理，对防止二次污染和土壤肥力的保持具有重要意义。

四、循环经济理论

循环经济的思想萌芽可以追溯到环境保护兴起的20世纪60年代。1962年美国生态学家Rachel Carson（蕾切尔·卡逊）发表了《寂静的春天》，指出了生物界以及人类所面临的危险。“循环经济”一词，首先由美国经济学家K·波尔丁提出，主要指在人、自然资源和科学技术的大系统内，在资源投入、企业生产、产品消费及其废弃的全过程中，把传统的依赖资源消耗的线形增长经济，转变为依靠生态型资源循环来发展的经济。其“宇宙飞船理论”可以作为循环经济的早期代表。大致内容是：地球就像在太空中飞行的宇宙飞船，要靠不断消耗自身有限的资源而存在，如果滥用资源、破坏环境，就会像宇宙飞船那样走向毁灭。因此，宇宙飞船经济要求一种新的发展观：第一，必须改变过去那种“增长型”经济为“储备型”经济；第二，要改变传统的“消耗型经济”，而代之以休养生息的经济；第三，实行福利量的经济，摒弃只注重生产量的经济；第四，建立既不会使资源枯竭，又不会造成环境污染和生态破坏、能循环使用各种物资的“循环式”经济，以代替过去的“单程式”经济。

20世纪90年代之后，发展知识经济和循环经济成为国际社会经济发展的两大趋势。我国从20世纪90年代起引入了关于循环经济的思想。此后对于循环经济的理论研究和实践不断深入。

1998年引入德国循环经济概念，确立“3R”原理的中心地位；1999年从可持续生产的角度对循环经济发展模式进行整合；2002年从新兴工业化的角度认识循环经济的发展意义；2003年将循环经济纳入科学发展观，确立物质减量化的发展战略；2004年，提出从不同空间规模——城市、区域、国家的层面大力发展循环经济。

我国《循环经济促进法》对“循环经济”概念的界定是：循环经济是指在生产、流通和消费等过程中进行的减量化、再利用、资源化活动的总称。传统工业经济的生产观念是最大限度地开发利用自然资源，最大限度地创造社会财富，最大限度地获取利润；而循环经济的生产观念是要充分考虑自然生态系统的承载能力，尽可能地节约自然资源，不断提高自然资源的利用效率，循环使用资源，创造良性的社会财富。在生产过程中，循环经济观要求遵循“3R”原则：①资源利用减量化（Reduce）原则，即在生产投入端尽可能少地输入自然资源；②产品再利用（Reuse）原则（也即重复利用），即尽可能延长产品使用周期，并在多种场合使用；③废弃物再循环（Recycle）原则，即最大限度地提高资源综合利用水平，减少废弃物排放，力争做到排放的无害化，实现资源再循环。

循环经济侧重于整个社会物质的循环应用，强调的是循环和生态效率，资源被多次重复利用，并注重生产、流通、消费全过程的资源节约。生态经济与循环经济本质上是相一致的，都是要使经济活动生态化，都是要坚持可持续发展。物质循环不仅是自然作用过程，而且是经济社会过程，实质是人类通过社会生产与自然界进行物质交换。也就是自然过程和经济过程相互作用的生态经济发展过程。