农作物秸秆综合利用技术研讨论文.docx

农作物秸秆综合利用技术研讨论文 摘 要：本文综述了农作物秸秆的利用基础和综合利用技术 的最新进展，包括饲料转化技术、能源化技术、肥料化技 术等。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，也可缓解农村饲料、肥料、燃料和工业原 料的紧张状况，促进农业可持续发展。 关键词：农作物秸秆；综合利用；资源化 作者简介:白立勇，硕士，主要从事发酵工程、资源利 用的研究。 我国是一个农业大国，据粗略估计，每年约产农作物 秸杆 8 亿吨1。秸秆是农作物的主要副产品，也是十分宝 贵的生物资源，主要含纤维、木质素、淀粉、粗蛋白、酶 等有机物，还含有氮、磷、钾等营养元素。秸秆除了作燃 料外，可以作肥料，也可以作饲料，还可以作工业原料。 而目前只有一小部分用于纺织、造纸、建筑和饲料，绝大 部分农作物秸杆仍露天焚烧或作燃料用，造成资源浪费， 污染环境。 20 世纪 70 年代后，世界能源危机的出现使人们开始将 目光投向对可再生的生物能的开发利用上，并将研究开发 的重点放在农作物秸秆的开发利用上。目前农作物秸秆开 发与利用的主要技术手段分别是农作物秸秆的微生物发酵 技术，如沼气发酵、燃料酒精发酵、饲料发酵；农作物秸 秆的热化学转换技术，如热解液化技术、气化技术、致密 成型及制炭技术；化学转化技术如化学制浆造纸。 1 农作物秸秆利用基础 1.1 秸秆的结构基础 农作物秸杆主要是玉米秸、高粱杆、稻草、麦杆、葵 花杆以及花生壳、瓜籽皮、玉米芯等，其细胞壁的主要成 分是纤维素、半纤维素和木质素，亦即天然纤维素原料的 主要组成成分。秸秆之所以难以被开发利用，其原因在于 细胞外存在由纤维素、半纤维素和木质素等构成的坚韧细 胞壁。构成细胞壁的结构单位是微纤丝，微纤丝相互交织 成网状构成细胞壁的基本构架，在纤维素的网络结构中交 联着非纤维素的基质，这些分子包括半纤维素、木质素和 果胶类物质。关于细胞壁各层的微纤丝结构，具有代表性 的是 Fengel 所提出的木材细胞壁结构模型。Fengel2认 为：直径为 3nm 的基元原纤维是最基本的形态结构单元， 由 16 根基元原纤维组成直径约为 12nm 的原纤维，再由 4 根这样的原纤维组成一根比较粗的微纤丝，其直径约 25nm。微纤丝相互缠绕构成了直径约为 0.5nm，长度约为 4um 的大纤丝，以这种方式聚合而成的纤维素分子，其强度 超过了同样粗细的钢丝。基元原纤维之间填充着半纤维素， 而微纤丝周围包裹着木质素和半纤维素。纤维素、半纤维 素和木质素相互交织，任何一类物质的降解必然受其它成 分的制约，如木质素对纤维素酶和半纤维素酶降解天然纤 维素原料中的碳水化合物有空间阻碍作用，致使许多纤维 素分解菌不能侵袭完整的天然的纤维素原料。 1.2 秸秆成分的理化性质 纤维素的聚集体分为结晶区和无定形区结构，结晶区 部分分子排列比较整齐、有规则，密度较大，为 1.588g/cm3，可以呈现清晰的 X 射线衍射图。无定形区部 分分子链排列不整齐、较疏松，分子间距离大、密度较小， 为 1.500g/cm3。 纤维素链中每个葡萄糖基环上有 3 个活泼的羟基，这 些羟基可以综合成分子和分子间的氢键，增强了纤维素分 子链的完整性和刚性，使分子链紧密排列成高度有序的结 晶区，增加了反应试剂到达纤维素羟基的难度。纤维素的 物理性质包括以下几个方面：第一，纤维素的润胀，当纤 维素吸收液体后，其外形的均一性虽然没有变化，但固体 内的内聚力减小而容积增大，固体变软，即纤维素的润胀。 对纤维素的润胀处理，可使纤维素大分子间的羟基结合力 变弱，从而提高试剂向纤维素内部的扩散速度。其次，由 于纤维素分子量大，内聚力也较大，扩散能力差，纤维素 在容积中溶解所得的不是真的纤维素溶液，而是纤维素和 存在于液体中的组分形成的一种加成的产物。纤维素的溶 解问题在于纤维素的溶解度低。另外，纤维素热降解在 300-375较窄的温度范围内发生热分解，加热进程不同， 产物不同。在低温下加热，脱水生成脱水纤维素，随后生 成木炭和气体产品。在较高温度下加热，生成易燃的挥发 性产物(焦油)。 半纤维素既溶于碱又溶于酸。由于半纤维素聚合度低， 结晶结构无或少，因此，在酸性介质中比纤维素容易降解。 原本木质素是一种白色或接近无色的物质，我们看到 的木质素的颜色是在分离、制备过程中形成的。木质素的 相对密度大约在 1.35-1.50 之间，非常坚硬，从而增加细 胞壁的硬度，不溶于任何溶剂，但在分离木质素时因发生 了缩合或降解而使性质改变，在酚羟基和羧基存在时，木 质素能溶于浓的强碱溶液中。 2 农作物秸秆的利用技术 2.1 秸秆饲料化技术 作物秸秆可以直接用作食草动物的饲料，但适口性较 差，采食量少。秸秆氨化处理后，粗蛋白由 3-4% 提高到 8% 左右，有机物的消化率提高 1035 个百分点，并含有多种 氨基酸，可以代替 30%40%的精饲料。因此，氨化秸秆喂 羊、牛等，效果很好。秸秆也可以粉碎成草糠，作动物辅 助饲料。秸秆氨化处理实际上是碱处理的一种形式，即 NH3 溶于水变成 NH40H。通过氨化处理的秸秆，将不易溶解的木 质素变成较易溶解的羟基木质素，使细胞间的镶嵌物质与 细胞壁变得松散，利于纤维素酶和消化液渗透其内。大量 研究结果表明：品位越差的秸秆，氨化处理的效果越显著。 小麦秸秆氨化处理后，使有机物的消化率提高 35%；玉米秸 秆氨化处理后，使有机物的消化率提高 25%。 秸秆青贮主要是利用玉米、豆类、甘薯等优质秸秆进 行青贮。通过青贮，既保存秸秆原有的品质、增加醇香味、 增强适口性，而且保存时间较长，可把夏秋的青绿饲料保 存到冬季利用，特别对促进幼畜生长发育增加母畜产奶量 效果好，已逐步成为反刍动物的重要饲料。 微生物发酵秸秆饲料是利用高活性微生物菌剂，放入 密封的容器(如水泥窖、土窖等)中贮藏，经过一定的厌氧 发酵过程，将秸秆饲料的某些成分进一步合成为营养价值 较高或适口性较好的物质，使秸秆变成质地松软、湿润蓬 松、酸香适口的粗饲料，是解决人畜争粮矛盾的有效途径 之一。 目前秸秆经微生物发酵转化生产蛋白质饲料或单细胞 蛋白有一定进展。陈庆森等3以秸秆为原料，利用多菌种 混合发酵，经测定发酵液中玉米秸秆的纤维素利用率达 70%，粗蛋白得率在 23% 以上，大大提高了玉米秸秆的营养 值，同时对替代饲用粮生产蛋白富集饲料提供了很好的基 料。杨学震4用发酵法将玉米秸秆生物转化为蛋白饲料， 将秸秆中原 6.7%的蛋白含量提高到 14.7%，同时使纤维素 含量降低 38.0%，半纤维素含量降低 21.2%。 2.2 秸秆能源化技术 秸秆的能源密度为 13-15MJ/Kg，作为农村主要的生活 燃料，其能源化用量占农村生活用能的 30%- 35%。现行主 要的秸秆能源化利用技术有秸秆直燃、供热技术、秸秆气 化集中供气技术、秸秆发酵制沼技术、秸秆发酵生产燃料 酒精技术、秸秆压块成型及炭化技术等。 秸秆直燃供热作为传统的能量转换方式，直接燃烧具 有经济方便、成本低廉、易于推广的特点，可在秸秆主产 区为中小型企业、政府机关、中小学校和相对比较集中的 乡镇居民提供生产、生活热水和用于冬季采暖。目前，英 国、荷兰、丹麦等国家已采用大型秸秆锅炉用于供暖、发 电或热电联产。我国秸秆直燃供热技术起步较晚，适合我 国农村特点的、运行费用低于燃煤锅炉的小型秸秆直燃锅 炉的研究正加紧进行。 秸秆气化是高品位利用秸秆资源的一种生物能转化方 式。经适当粉碎后，秸秆在气化装置内不完全燃烧即可获 得理论热值为 5724 KJ/m3 的燃气，其典型成分为：CO 20%，H2 15%，CH4 2%，CO 2 12%，O2 1.5%，N2 49.5%。 燃气经降温、多级除尘和除焦油等净化和浓缩工艺后，由 罗茨风机加压送至储气柜，然后直接用管道供用户使用。 秸秆气化集中输供系统通常由秸秆原料处理装置、气化机 组、燃气输配系统、燃气管网和用户燃气系统等五部分组 成，供气半径一般在公里之内，可供百余户农民用气。 秸秆气化经济方便、干净卫生、在小康村镇建设中广受欢 迎。但大规模推行秸秆制气还需解决气化系统投资偏高， 燃气热值偏低，以及燃气中氮气与焦油含量偏高等问题。 秸秆发酵制沼气技术历史悠久，是多种微生物在厌氧 条件下，将秸秆降解成沼气，并副产沼液和沼渣的过程。 沼气含有 50%-70%的甲烷，是高品位的清洁燃料，它可在稍 高于常压的状态下，通过 PVC 管道供应农家，用于炊事、 照明、果品保鲜等，或加工成动力燃料和甲醇等做双料发 动机燃料。秸秆可直接投入沼气池，也常用做牲畜饲料， 转化成粪便进入沼气池，池中秸秆、人畜粪便、和水的配 比一般为 1:1:8，在产沼过程中，需定期投入发酵基质及清 理沼渣。实践表明：一个 3-5 口人的家庭，建一口 8-10m3 的沼气池，年产 300-500 m3 的沼气，可满足一日三餐和晚 间的照明用能。因此，秸秆制沼不仅可优化农村能源结构， 节约不可再生能源的消耗，还具有良好的经济、环境和生 态效益。 秸秆发酵生产燃料酒精技术是以秸秆纤维素为原料制 备乙醇的研究，早在 100 多年前就开始了。这一过程包括 三个阶段：第一，通过物理的、化学的或酶技术将纤维素 聚合物降解为单糖；第二，微生物将糖转化为乙醇；第三， 通过蒸馏回收乙醇。其中，第一阶段最为重要。早期的研 究主要是采用蒸汽爆破法和浓酸法水解糖化纤维素成葡萄 糖。蒸汽爆破法是用蒸汽将原料加热至 200-2405。维 持 30S20min 高温高压造成木质素的软化，然后迅速使原 料减压。造成纤维素晶体和纤维束的爆裂，使木质素和纤 维素分离。稀酸水解一般采用稀硫酸，可在较温和条件下 进行，水解一般分二个阶段，第一阶段为低温操作，从半 纤维素获得最大糖产量。第二阶段采用高温操作，使纤维 素水解为六碳糖，糖的转化率一般为 50%左右。稀酸水解容 易产生大量副产物，浓酸法耗酸量大，对设备腐蚀性大， 能耗高。20 世纪 60 年代人们认识到可以从纤维素获得葡萄 糖来补充人类食物的来源，这样就加速了纤维素酶的研究。 1979 年，遗传育种技术6用于提高纤维素酶产量，使纤维 素酶的发酵活力较原始出发菌株提高了 20 多倍。从现有的 水平来看，采用温和的酶水解技术可能更为合适，酶水解 是生化反应，与酸水解相比，它可在常压下进行。这样减 少了能量的消耗，并且由于酶具有较高选择性，可形成单 一产物，产率较高。 2.3 秸秆肥料化技术 目前秸秆肥料的利用技术有秸秆直接还田和秸秆堆沤 还田。秸秆直接还田有翻压还田和覆盖还田两种形式。翻 压还田指作物收获后，将秸秆粉碎或留高茬直接翻压土中。 覆盖还田是将秸秆覆盖于田间地表或作物株行之间，或是 残茬覆盖，即当农作物收获时，留高茬还田，采取免耕翻 覆盖。秸秆堆沤还田是将秸秆用铡草机切碎堆起来或投入 坑中，灌入水，然后用土封起来沤制秸秆7。目前，通过 选育出分解纤维素的优良微生物菌种或加快秸秆腐熟的化 学制剂，解决了传统堆沤形式劳动强度大、堆沤时间长、 污染环境等问题。用秸秆与畜禽粪积制堆肥，粪与草隔层 堆积、压实。这样可以促进熟化，提高肥效。 2.4 秸秆其它应用技术 秸秆除了以上用途之外，还可以利用秸秆发电，造 纸，生产可降解的包装材料，制作人造板等。目前我国造 纸制浆原料中，1/3 来源于秸秆，其制浆具有成本低廉、 成纸平滑度好，容易施胶等优点。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、通气性好等特点，同时又有一定 的柔韧性和强度，制造成本与发泡塑料相当，而大大低于 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 展望 目前秸秆的综合利用技术，正从早期的直接或堆 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。 参考文献 1邢廷铣.农作物秸秆饲料的加工和利用.XX:金盾出 版社,XX. 2陈洪章.纤维素生物技术M.XX:化学工业出版社, XX,1