农作物秸秆变废为宝资源化

第卷第期2011年6月健雄职业技术学院农作物秸秆变废为宝资源化邵俊林（健雄职业技术学院分析0911江苏苏州215400）摘要：我国秸秆资源丰富,但胡乱丢弃、无控焚烧、直接还田和加工粗饲料等传统的处理方式存在着“三低一重”的缺点,即秸秆利用率低、转化率低、经济效益低、环境污染严重。本文介绍了秸秆综合利用技术的最新进展,包括腐熟还田技术、饲料转化技术、能源化技术及秸秆在工业上的各种应用。认为农作物秸秆的综合利用是保护生态环境、节约可再生资源的需要,也是缓解农村饲料、肥料、燃料和工业原料的紧张状况、促进农业可持续发展的要求。关键词：秸秆；变废为宝；资源化；中图分类号：文献标识码：文章编号：SHAOjun-lin（DepartmentofBiologicalAnalysis0911Jiangsusuzhou215400，China）Abstract：CropstrawresourcesareabundantinChina,however,thetraditionaltreatmentpatternssuchasabandoninglitterly,burningwildly,returningtothesoildirectlyandprocessingasrawforageetc.arecharacterizedbylowutilizationratio,lessconversionratio,pooreconomicbenefitandsevereenvironmentalpollution.Inthearticle,thelatestcomprehensiveutilizationtechniqueprogressofcropstrawsareintroduced,whichincludesrapidcomposttechniques,effectiveforagetechniques,energizationtechniquesandallkindsofstrawapplicationsinindustries.Itisconcludedthatcomprehensiveutilizationofcropstrawsisnotonlytheurgentmeasureforprotectingecologicalenviro–nmentandsavingthereproducibleresources,butalsocanrelievetheintensesituationofruralforage,fertilizer,fuelandindustrialrawmaterial,andpromotethesustainabledevelopmentofagricultureaswell.第卷第期2011年6月健雄职业技术学院少以至消除农业废弃物危害，还为农业生产提供丰富的能源和物质投入，从而减少农业生产过程的外部投入，节约资源，降低生产成本，增加农业收入。1秸秆的组成和特点几种作物秸秆的营养成分如表1所示,它们不仅普遍具有较高的热值和粗纤维含量,且含有丰富的有机质、氮、磷、钾等营养元素,以及镁、钙、硫和其它重要的微量元素。因此,根据其化学组成和营养成分的不同特点,除挖掘其作为燃料和有机肥的潜力外,将其加工成建材、饲料和食用菌基料,而从中生产木糖醇、糠醛、酒精等工业原料也是较好的选择。随着我国改革开放和农业技术的飞速发展，农业经济效益取得了巨大的成就，但伴随而来的是大量农业固体废弃物的不当处理对农业自身生产及环境带来极大的危害。过去，农作物秸秆大部分都被用作饲料和直接作为燃料，但随着农村生活水平的不断提高，煤、天然气等能源逐渐替代了秸秆成为农村的主要生活生产的能源，同时集约化养殖和饲料工业的快速发展也使农作物秸秆在饲料中的比重越来越小，大量农作物秸秆弃置于田间地头，其堆沤过程中产生的有害物质极易污染地表径流和浅层地下水；收获季节秸秆的大面积烧荒污染空气，造成农村环境的恶化，给公路、民航运输带来极大的安全隐患。秸秆的资源化利用不但能够减表一种类稻草麦秸几种作物秸秆的营养成分[3]钙0.690.32磷0.600.08(干重,%)热值(MJ·kg-1)14.0215.40干物质粗蛋白粗脂肪粗纤维粗灰分85854.84.41.41.535.636.712.46.0玉米秸大豆秆94855.75.716.02.029.338.76.64.2微量1.04微量0.1415.1715.16花生藤蚕豆秆908612.22.921.121.837.0-9.82.8-0.10-13.4214.76第卷第期2011年6月健雄职业技术学院2农作物秸秆资源化利用技术对谷物、薯类秸秆来说，秸秆资源化利用主要是利用其营养成分制作肥料或饲料；秸秆粉碎后直接覆盖在地表，具有减少土壤水分的蒸发，达到保墒的目的，腐烂后增加土壤有机质。这种形式在华北和中南对于谷物、棉花等秸秆，可利用其含热量和可燃性作能源使用；对纤维、木质素含量高的秸秆，可利用其物理技术特性，生产质轻、绝热、吸声的植物纤维增强材料或提取有机或无机化合物，生产化工原料或产品。由此可将秸秆利用归纳为秸秆还田、秸秆饲料化、秸秆能源化和作为工业生产原料4个方面[1]。2.1秸秆还田利用技术2.1.1秸秆粉碎翻压还田秸秆粉碎翻压还田主要应用于小麦、水稻等机械化程度较高的大田作物。小麦、水稻在使用联合收割机收获时，安装在联合收割机上的专门装置粉碎秸秆，抛撒于地表，直接翻压，使秸秆的营养物质充分的保留在土壤里。但也有不足之处，秸秆还田量过大或不均匀易发生土壤微生物(即转化秸秆的微生物)与作物幼苗争夺养分，一般秸秆粉碎翻压还田量不宜超过4500kg/hm2，此外，秸秆中的虫卵、带菌体等一些病虫害，在秸秆直接粉碎过程中无法杀死，还田后留在土壤里，病虫害直接发部分地区使用较多，冬小麦成熟收割时，不翻耕土地，直接点播玉米等作物，达到一年两熟或两年三熟的目的，提高土地利用率。2.1.3堆沤还田传统的堆沤方式是秸秆做禽畜饲养场铺料，清理后进行堆沤还田。现在使用较多的是秸秆堆肥化技术，即通过一定设施和机械对秸秆进行堆沤，但堆肥化过程中有N素损失，平均约40％，堆肥N、P、K等混合含量不高，一般作为土壤改良剂来使用，而且由于设备投资大，管理复杂，竞争力不如化肥，蚯蚓堆肥可解决这一问题。在堆肥化过程中放养蚯蚓，在微生物和蚯蚓的共同作用下有机物质变为富含蚯蚓活动产生的腐殖质，蚯蚓集翻堆、破碎和通气作用于一身。此外，蚯蚓的活动使病原菌数大为减少，蚯蚓的存在可加速N的矿化，减少N素损失。但蚯蚓的选种和生存环境较难控制，选取喜有机质和耐高温的蚯蚓品种，堆肥温度不能超过30℃且湿度保持在60％~70％，才能获得最佳的效果。还可第卷第期2011年6月健雄职业技术学院料，成为反刍动物的基础食粮。还有就是将腊熟期玉米通过收获机械一次性完成摘穗、秸秆切碎、收集，或人工收获后将青玉米秸秆铡碎至1~2cm长，含水量一般为67％~75％，加入一定量的转养元素制成复合肥，对其进行深加工，市场前景较好。2.1.4焚烧还田秸秆经焚烧，即成草木灰或秸秆灰，草木灰或秸秆灰里含有钾、钙、无机盐及微量元素施于土壤可以被植物利用，并且在燃烧过程中杀死了虫卵、病原体及草子。随着经济发展，农村能源多元化，秸秆一般很少被用作薪柴，农民焚烧秸秆就在田间地头进行，焚烧不仅造成资源浪费、环境污染、生态破坏，同时影响交通及百姓生活，已成为一大公害。2.1.5过腹还田这种形式就是把秸秆作为饲料，在动物腹中经消化吸收一部分营养，如糖类、蛋白质、纤维素等营养物质外，其余变成粪便，施入土壤，培肥地力，无副作用。秸秆被动物吸收的营养部分有效地转化为肉、奶等，被人们食用提高了利用率，这种方式最科学，最具有生态性。2.2秸秆饲料化技术农作物秸秆饲料化是秸秆过腹还田的前续工程，就是将秸秆通过加工来提高秸秆饲料的质量和利用率。简单的秸秆饲料化是用农作物秸秆加工设备以玉米秸、稻草、麦秸等农作物秸秆等低值粗饲料，加转化剂后压缩，利用压缩时产生的温度和压化剂，装入专门的构筑物，压实排除空气以防霉菌繁殖，然后密封保存，一定时间后即可饲喂，这样可以保护饲料的营养物质不受损失，既可供常年喂养牲畜使用，又利于秸秆过腹还田和生态农业的良性循环[3]。2.3秸秆能源化技术2.3.1直接燃烧技术秸秆的直接燃烧在广大农村地区曾经被普遍用来炊事和取暖，农作物秸秆中碳含量在45%~50％，氢的含量在5.5%~6.2％，氧的含量在43%~45％，热值一般在18~21MJ/kg，但其堆积密度为50~120kg/m3，（褐煤的堆积密度为560~600kg/m3，烟煤为800~900kg/m3），比较分散。结合秸秆致密成型以及与煤的混合燃料技术等建设大中型秸秆发电厂或热电联产，是秸秆能源化的一个方向。秸秆发电在欧洲的一些国家已得到广泛应用，德国最早利用秸秆发电的Thuringian发电厂，年可处理3000t秸秆，电费每度只需5美分，而当地其他发电厂电费为第卷第期2011年6月健雄职业技术学院环流化床、加压流化床等，已实现了工业化应用，该工艺自动化程度较高，气化效率60%~80％，可燃气体热值170~250MJ/m3。我国现行的热解气化技术大都采用空气煤气制气法，厂，年发电1.2亿kw·h，燃烧秸秆20万t，与同等规模的燃煤电厂相比，每年可节约煤炭10万t，减少SO2排放量60t，减少烟尘排放量400t。3.3.2热解技术热解又称裂解，是在隔绝空气或通入少量空气的条件下，利用热能切断生物质大分子中的化学键，使之转化成低分子物质的过程。温度在300~700℃，产品主要是木炭、热解油（生物原油）以及可燃气体混合物。快速热解（快速加热，快速冷却）可获得占总重量80％的生物原油。目前，快速热解生产生物原油世界各国都处于试验阶段，但其应用前景广阔，与太阳能、水能、核能等清洁能源不同，秸秆制取生物油除做能源外还可以作为化工、材料等行业的原料，最终替代化石能源。2.3.3气化技术秸秆气化技术是以秸秆作原料，以氧气（空气或富氧）、水蒸气或氢气做气化介质，在高温条件下通过热化学反应将秸秆中的可燃部分转化为可燃气的过程。产品主要成分为CO、H2、CH4等。秸秆气化反应必须在气化炉中进行，其工艺流程是将切碎的秸秆输送到干馏气化炉中，秸秆在氧气不充足的条件下，干馏、热解、气化，被还原成CO、H2等可燃性混合气体，经冷却器降温后，进人气液分离器，所得燃气的热值较低，并且存在焦油问题。由于我国农村的经济基础薄弱，自筹资金困难，许多示范工程由于焦油堵塞管209道无法清除、秸秆气热值低、管理不善等问题运行困难。据了解，早期兴建的气站目前至少有50%以上处于废弃状态。2.3.4生物转换技术生物转换是利用微生物(如厌氧菌光合细菌、酵母菌等)在一定的温度和无氧条件下将秸秆降解产生小分子化合物(如甲烷、乙醇等)的过程。生物转换主要包括厌氧发酵制取沼气和发酵制取乙醇。厌氧发酵制取沼气是将秸秆有机物质在一定温度、湿度、酸碱度和厌氧条件下，经过沼气菌群发酵（消化）生成沼气、消化液和消化污泥的过程。它包括小型的农村沼气技术和大型的厌氧沼气发酵工程，我国已有600万农户用上沼气，沼气池主要原料是作物秸秆和动物粪便，若全国10%的农户用上沼气，每年就可消耗2000多万t秸秆。液体酒精燃料技术是利用生物技术（包括酶技术）把生物质转化为乙醇液体第卷第期2011年6月健雄职业技术学院低于纸制品和木制品。在自然环境中,一个月左右即可全部降解成有机肥。3.2用作建筑装饰材料但其存在成本较高，且与人争粮、与人争地等问题。以秸秆为原料生产乙醇的成本低于用粮食发酵，原料来源广泛，秸秆发酵生产乙醇可有效解决乙醇生产中遇到的价格和原料问题。但由于秸秆中的纤维将粉碎后的秸秆按一定比例加入粘合剂、阻燃剂和其他配料,进行机械搅拌、挤压成素被微生物利用效率较低，生产效率不高，而且要进行酸碱处理，能耗较高。在秸秆发酵生产乙醇的关键是纤维素的生物降解，是降低能耗，提高产率的主要途径。现在酶解法的研究最为活跃，此外分离出高效的纤维素降解菌国内外研究也比较多[4]。3秸秆的工业应用当前,作物秸秆工业用途广泛,它们不仅可作保温材料、纸浆原料、菌类培养基、各类轻质板材和包装材料的原料,还用于编织业、酿酒制醋、生产人造棉、人造丝、饴糖等,或从中提取淀粉、木糖醇、糖醛等。这些综合利用技术,不仅转化了大量的废弃秸秆、消除了潜在的环境污染,而且具有良好的经济效益,实现了自然界的物质和能量循环。3.1生产可降解的包装材料用麦秸、稻草、玉米秸、苇秆、棉花秆等生产出的可降解型包装材料,如瓦楞纸芯、保鲜膜、一次性餐具、果蔬内包装衬垫等,具有安全卫生、体小质轻、无毒、无臭、型、恒温固化,可制得高质量的轻质建材,如秸秆轻体板、轻型墙体隔板、粘土砖、蜂窝芯复合轻质板等,这些材料成本低、重量轻、美观大方,且生产过程中无污染,因此广受用户欢迎。目前,秸秆在建材领域内的应用已相当广泛,秸秆消耗量大、产品附加值高,又能节约木材,很有发展前景。按胶凝剂分有水泥基、石膏基、氯氧镁基、树脂基等。按制品分有复合板、纤维板、定向板、模压板、空心板等。按用途分为阻燃型、耐水型、防腐型等。3.3生产工业原料玉米秸、豆荚皮、稻草、麦秸、谷类秕壳等经过加工所制取的淀粉,不仅能制作多种食品与糕点,还能酿醋酿酒、制作饴糖等。如玉米秸含有12%～15%的糖分,其加工饴糖的工艺流程为:原料→碾碎→蒸料→糖化→过滤→浓缩→冷却→成品。李莉等用稻草、玉米秸代替棉花、棉短绒为原料,制成纤维素,然后经化学改性、提纯等工序制得羧甲基纤维素产品,成本降低了20%;张启第卷第期2011年6月健雄职业技术学院秸秆用于编织业最常见、用途最广的就是稻草编织草帘、草苫、草席、草垫、草编制品等。如草帘、草苫等可用于蔬菜工程的温室大棚中;草席、草垫既可保温防冻,又具有吸汗防湿的功效;而品种花色繁糖醇,其质量可达到食品级标准;刘俊峰等以稻草和麦秆为原料,用复合添加法制取了糠醛,出醛率达理论出醛率的70%～80%,废渣全部变为中性复合肥料;秸秆酸、碱水解发酵制酒精的工艺条件苛刻,对设备有腐蚀,运行成本高,而秸秆酶解发酵酒精选择性强,且较化学水解条件温和,目前国内外的研究已有一定进展。3.4用作食用菌的培养基秸秆营养丰富、来源广泛、成本低廉,非常适用于多种食用菌的培养料。据不完全统计,目前国内外用各类秸秆生产的食用菌品种已达20多种,不仅包括草菇、香菇、凤尾菇等一般品种,还能培育出黑木耳、银耳、猴头、毛木耳、金针菇等名贵品种。一般100kg稻草可生产平菇160kg(湿菇)或黑木耳60kg;而100kg玉米秸可生产银耳或猴头、金针菇等50～100kg,可产平菇或香菇等100～150kg。据上海农学院一项测定证明,秸秆栽培食用菌的氮素转化效率平均为20.9%左石,高于羊肉(6%)和牛肉(3.4%)的转化效率,是一条开发食用蛋白质资源,提高人民生活水平的重要途径[5]。3.5秸秆用于编织业参考文献:多的草编制品,如草帽、草提蓝、草毡、壁挂及其它多种工艺品和装饰品,由于工艺精巧,透气保暖性好,装饰性佳,深受国内外消费者的喜爱,因而已经成为一条效益很好的创汇渠道。4结论和建议目前秸秆的综合利用技术,正从早期的蔽日遮雨材料、直接或堆沤还田、烧火做饭取暖、加工粗饲料,向着快速腐熟堆肥、气化集中供气、优质生物煤、高蛋白饲料、轻质建材和易降解包装材料、有价工业原料及高附加值工艺品等方向发展。从农业生态系统能量转化的角度来分析,单纯采用某一种利用方式,秸秆能量转化率和利用率会受到限制。因此,根据各类秸秆的组成特点,因地制宜,把其中几种方法有机地组合起来,形成一种多层次、多途径综合利用的方式,从而实现秸秆利用的资源化、高效化和产业化是未来生态农业发展的必然趋势。第卷第期2011年6月健雄职业技术学院大学学报(工学版),2004,37(1):46～50.[3].MoseyFE,MathematicalModelingoftheanaerobicdigestionprocess:regulatorymechanismsfortheformationofshort2chainvolatileacidsfromglucose[J].WaterScienceandTech2nology,1983,15:209～2321[4].胡俊梅.农作物秸秆资源化利用分析[J].广东农业科学，2010（4）：207～210[5].翁伟，杨继涛,赵青玲.我国秸秆资源化技术现状及其发展方向[J].中国资源综合利用,2004(7):18～21