導(dǎo)語：小議秸稈綜合利用技術(shù)研討一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：本文綜述了農(nóng)作物秸稈的利用基礎(chǔ)和綜合利用技術(shù)的最新進(jìn)展，包括飼料轉(zhuǎn)化技術(shù)、能源化技術(shù)、肥料化技術(shù)等。農(nóng)作物秸稈的綜合利用是保護(hù)生態(tài)環(huán)境、節(jié)約可再生資源的需要，也可緩解農(nóng)村飼料、肥料、燃料和工業(yè)原料的緊張狀況，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：農(nóng)作物秸稈；綜合利用；資源化

我國是一個農(nóng)業(yè)大國，據(jù)粗略估計(jì)，每年約產(chǎn)農(nóng)作物秸桿8億噸[1]。秸稈是農(nóng)作物的主要副產(chǎn)品，也是十分寶貴的生物資源，主要含纖維、木質(zhì)素、淀粉、粗蛋白、酶等有機(jī)物，還含有氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素。秸稈除了作燃料外，可以作肥料，也可以作飼料，還可以作工業(yè)原料。而目前只有一小部分用于紡織、造紙、建筑和飼料，絕大部分農(nóng)作物秸桿仍露天焚燒或作燃料用，造成資源浪費(fèi)，污染環(huán)境。

20世紀(jì)70年代后，世界能源危機(jī)的出現(xiàn)使人們開始將目光投向?qū)稍偕纳锬艿拈_發(fā)利用上，并將研究開發(fā)的重點(diǎn)放在農(nóng)作物秸稈的開發(fā)利用上。目前農(nóng)作物秸稈開發(fā)與利用的主要技術(shù)手段分別是農(nóng)作物秸稈的微生物發(fā)酵技術(shù)，如沼氣發(fā)酵、燃料酒精發(fā)酵、飼料發(fā)酵；農(nóng)作物秸稈的熱化學(xué)轉(zhuǎn)換技術(shù)，如熱解液化技術(shù)、氣化技術(shù)、致密成型及制炭技術(shù)；化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)如化學(xué)制漿造紙。

1農(nóng)作物秸稈利用基礎(chǔ)

1.1秸稈的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)

農(nóng)作物秸桿主要是玉米秸、高粱桿、稻草、麥桿、葵花桿以及花生殼、瓜籽皮、玉米芯等，其細(xì)胞壁的主要成分是纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，亦即天然纖維素原料的主要組成成分。秸稈之所以難以被開發(fā)利用，其原因在于細(xì)胞外存在由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等構(gòu)成的堅(jiān)韌細(xì)胞壁。構(gòu)成細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)單位是微纖絲，微纖絲相互交織成網(wǎng)狀構(gòu)成細(xì)胞壁的基本構(gòu)架，在纖維素的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中交聯(lián)著非纖維素的基質(zhì)，這些分子包括半纖維素、木質(zhì)素和果膠類物質(zhì)。關(guān)于細(xì)胞壁各層的微纖絲結(jié)構(gòu)，具有代表性的是Fengel所提出的木材細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)模型。Fengel[2]認(rèn)為：直徑為3nm的基元原纖維是最基本的形態(tài)結(jié)構(gòu)單元，由16根（4×4）基元原纖維組成直徑約為12nm的原纖維，再由4根（2×2）這樣的原纖維組成一根比較粗的微纖絲，其直徑約25nm。微纖絲相互纏繞構(gòu)成了直徑約為0.5nm，長度約為4um的大纖絲，以這種方式聚合而成的纖維素分子，其強(qiáng)度超過了同樣粗細(xì)的鋼絲?；w維之間填充著半纖維素，而微纖絲周圍包裹著木質(zhì)素和半纖維素。纖維素、半纖維素和木質(zhì)素相互交織，任何一類物質(zhì)的降解必然受其它成分的制約，如木質(zhì)素對纖維素酶和半纖維素酶降解天然纖維素原料中的碳水化合物有空間阻礙作用，致使許多纖維素分解菌不能侵襲完整的天然的纖維素原料。

1.2秸稈成分的理化性質(zhì)

纖維素的聚集體分為結(jié)晶區(qū)和無定形區(qū)結(jié)構(gòu)，結(jié)晶區(qū)部分分子排列比較整齊、有規(guī)則，密度較大，為1.588g/cm3，可以呈現(xiàn)清晰的X射線衍射圖。無定形區(qū)部分分子鏈排列不整齊、較疏松，分子間距離大、密度較小，為1.500g/cm3。

纖維素鏈中每個葡萄糖基環(huán)上有3個活潑的羥基，這些羥基可以綜合成分子和分子間的氫鍵，增強(qiáng)了纖維素分子鏈的完整性和剛性，使分子鏈緊密排列成高度有序的結(jié)晶區(qū)，增加了反應(yīng)試劑到達(dá)纖維素羥基的難度。纖維素的物理性質(zhì)包括以下幾個方面：第一，纖維素的潤脹，當(dāng)纖維素吸收液體后，其外形的均一性雖然沒有變化，但固體內(nèi)的內(nèi)聚力減小而容積增大，固體變軟，即纖維素的潤脹。對纖維素的潤脹處理，可使纖維素大分子間的羥基結(jié)合力變?nèi)?，從而提高試劑向纖維素內(nèi)部的擴(kuò)散速度。其次，由于纖維素分子量大，內(nèi)聚力也較大，擴(kuò)散能力差，纖維素在容積中溶解所得的不是真的纖維素溶液，而是纖維素和存在于液體中的組分形成的一種加成的產(chǎn)物。纖維素的溶解問題在于纖維素的溶解度低。另外，纖維素?zé)峤到庠?00-375℃較窄的溫度范圍內(nèi)發(fā)生熱分解，加熱進(jìn)程不同，產(chǎn)物不同。在低溫下（200-280℃）加熱，脫水生成脫水纖維素，隨后生成木炭和氣體產(chǎn)品。在較高溫度下（280-340℃）加熱，生成易燃的揮發(fā)性產(chǎn)物(焦油)。

半纖維素既溶于堿（5%的Na2CO3溶液）又溶于酸（2%的HCl溶液）。由于半纖維素聚合度低，結(jié)晶結(jié)構(gòu)無或少，因此，在酸性介質(zhì)中比纖維素容易降解。

原本木質(zhì)素是一種白色或接近無色的物質(zhì)，我們看到的木質(zhì)素的顏色是在分離、制備過程中形成的。木質(zhì)素的相對密度大約在1.35-1.50之間，非常堅(jiān)硬，從而增加細(xì)胞壁的硬度，不溶于任何溶劑，但在分離木質(zhì)素時因發(fā)生了縮合或降解而使性質(zhì)改變，在酚羥基和羧基存在時，木質(zhì)素能溶于濃的強(qiáng)堿溶液中。

2農(nóng)作物秸稈的利用技術(shù)

2.1秸稈飼料化技術(shù)

作物秸稈可以直接用作食草動物的飼料，但適口性較差，采食量少。秸稈氨化處理后，粗蛋白由3-4%提高到8%左右，有機(jī)物的消化率提高10－35個百分點(diǎn)，并含有多種氨基酸，可以代替30%－40%的精飼料。因此，氨化秸稈喂羊、牛等，效果很好。秸稈也可以粉碎成草糠，作動物輔助飼料。秸稈氨化處理實(shí)際上是堿處理的一種形式，即NH3溶于水變成NH40H。通過氨化處理的秸稈，將不易溶解的木質(zhì)素變成較易溶解的羥基木質(zhì)素，使細(xì)胞間的鑲嵌物質(zhì)與細(xì)胞壁變得松散，利于纖維素酶和消化液滲透其內(nèi)。大量研究結(jié)果表明：品位越差的秸稈，氨化處理的效果越顯著。小麥秸稈氨化處理后，使有機(jī)物的消化率提高35%；玉米秸稈氨化處理后，使有機(jī)物的消化率提高25%。

秸稈青貯主要是利用玉米、豆類、甘薯等優(yōu)質(zhì)秸稈進(jìn)行青貯。通過青貯，既保存秸稈原有的品質(zhì)、增加醇香味、增強(qiáng)適口性，而且保存時間較長，可把夏秋的青綠飼料保存到冬季利用，特別對促進(jìn)幼畜生長發(fā)育增加母畜產(chǎn)奶量效果好，已逐步成為反芻動物的重要飼料。

微生物發(fā)酵秸稈飼料是利用高活性微生物菌劑，放入密封的容器(如水泥窖、土窖等)中貯藏，經(jīng)過一定的厭氧發(fā)酵過程，將秸稈飼料的某些成分進(jìn)一步合成為營養(yǎng)價值較高或適口性較好的物質(zhì)，使秸稈變成質(zhì)地松軟、濕潤蓬松、酸香適口的粗飼料，是解決人畜爭糧矛盾的有效途徑之一。

目前秸稈經(jīng)微生物發(fā)酵轉(zhuǎn)化生產(chǎn)蛋白質(zhì)飼料或單細(xì)胞蛋白（SCP）有一定進(jìn)展。陳慶森等[3]以秸稈為原料，利用多菌種混合發(fā)酵，經(jīng)測定發(fā)酵液中玉米秸稈的纖維素利用率達(dá)70%，粗蛋白得率在23%以上，大大提高了玉米秸稈的營養(yǎng)值，同時對替代飼用糧生產(chǎn)蛋白富集飼料提供了很好的基料。楊學(xué)震[4]用發(fā)酵法將玉米秸稈生物轉(zhuǎn)化為蛋白飼料，將秸稈中原6.7%的蛋白含量提高到14.7%，同時使纖維素含量降低38.0%，半纖維素含量降低21.2%。

2.2秸稈能源化技術(shù)

秸稈的能源密度為13-15MJ/Kg，作為農(nóng)村主要的生活燃料，其能源化用量占農(nóng)村生活用能的30%-35%?，F(xiàn)行主要的秸稈能源化利用技術(shù)有秸稈直燃、供熱技術(shù)、秸稈氣化集中供氣技術(shù)、秸稈發(fā)酵制沼技術(shù)、秸稈發(fā)酵生產(chǎn)燃料酒精技術(shù)、秸稈壓塊成型及炭化技術(shù)等。

秸稈直燃供熱作為傳統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換方式，直接燃燒具有經(jīng)濟(jì)方便、成本低廉、易于推廣的特點(diǎn)，可在秸稈主產(chǎn)區(qū)為中小型企業(yè)、政府機(jī)關(guān)、中小學(xué)校和相對比較集中的鄉(xiāng)鎮(zhèn)居民提供生產(chǎn)、生活熱水和用于冬季采暖。目前，英國、荷蘭、丹麥等國家已采用大型秸稈鍋爐用于供暖、發(fā)電或熱電聯(lián)產(chǎn)。我國秸稈直燃供熱技術(shù)起步較晚，適合我國農(nóng)村特點(diǎn)的、運(yùn)行費(fèi)用低于燃煤鍋爐的小型秸稈直燃鍋爐的研究正加緊進(jìn)行。

秸稈氣化是高品位利用秸稈資源的一種生物能轉(zhuǎn)化方式。經(jīng)適當(dāng)粉碎后，秸稈在氣化裝置內(nèi)不完全燃燒即可獲得理論熱值為5724KJ/m3的燃?xì)?，其典型成分為：CO20%，H215%，CH42%，CO212%，O21.5%，N249.5%。燃?xì)饨?jīng)降溫、多級除塵和除焦油等凈化和濃縮工藝后，由羅茨風(fēng)機(jī)加壓送至儲氣柜，然后直接用管道供用戶使用。秸稈氣化集中輸供系統(tǒng)通常由秸稈原料處理裝置、氣化機(jī)組、燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)、燃?xì)夤芫W(wǎng)和用戶燃?xì)庀到y(tǒng)等五部分組成，供氣半徑一般在1公里之內(nèi)，可供百余戶農(nóng)民用氣。秸稈氣化經(jīng)濟(jì)方便、干凈衛(wèi)生、在小康村鎮(zhèn)建設(shè)中廣受歡迎。但大規(guī)模推行秸稈制氣還需解決氣化系統(tǒng)投資偏高，燃?xì)鉄嶂灯?，以及燃?xì)庵械獨(dú)馀c焦油含量偏高等問題。

秸稈發(fā)酵制沼氣技術(shù)歷史悠久，是多種微生物在厭氧條件下，將秸稈降解成沼氣，并副產(chǎn)沼液和沼渣的過程。沼氣含有50%-70%的甲烷，是高品位的清潔燃料，它可在稍高于常壓的狀態(tài)下，通過PVC管道供應(yīng)農(nóng)家，用于炊事、照明、果品保鮮等，或加工成動力燃料和甲醇等做雙料發(fā)動機(jī)燃料。秸稈可直接投入沼氣池，也常用做牲畜飼料，轉(zhuǎn)化成糞便進(jìn)入沼氣池，池中秸稈、人畜糞便、和水的配比一般為1:1:8，在產(chǎn)沼過程中，需定期投入發(fā)酵基質(zhì)及清理沼渣。實(shí)踐表明：一個3-5口人的家庭，建一口8-10m3的沼氣池，年產(chǎn)300-500m3的沼氣，可滿足一日三餐和晚間的照明用能。因此，秸稈制沼不僅可優(yōu)化農(nóng)村能源結(jié)構(gòu)，節(jié)約不可再生能源的消耗，還具有良好的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和生態(tài)效益。

秸稈發(fā)酵生產(chǎn)燃料酒精技術(shù)是以秸稈纖維素為原料制備乙醇的研究，早在100多年前就開始了。這一過程包括三個階段：第一，通過物理的、化學(xué)的或酶技術(shù)將纖維素聚合物降解為單糖；第二，微生物將糖轉(zhuǎn)化為乙醇；第三，通過蒸餾回收乙醇。其中，第一階段最為重要。早期的研究主要是采用蒸汽爆破法和濃酸法水解糖化纖維素成葡萄糖。蒸汽爆破法是用蒸汽將原料加熱至200-240℃[5]。維持30S～20min高溫高壓造成木質(zhì)素的軟化，然后迅速使原料減壓。造成纖維素晶體和纖維束的爆裂，使木質(zhì)素和纖維素分離。稀酸水解一般采用稀硫酸（0.5%～0.2%），可在較溫和條件下進(jìn)行，水解一般分二個階段，第一階段為低溫操作，從半纖維素獲得最大糖產(chǎn)量。第二階段采用高溫操作，使纖維素水解為六碳糖，糖的轉(zhuǎn)化率一般為50%左右。稀酸水解容易產(chǎn)生大量副產(chǎn)物，濃酸法耗酸量大，對設(shè)備腐蝕性大，能耗高。20世紀(jì)60年代人們認(rèn)識到可以從纖維素獲得葡萄糖來補(bǔ)充人類食物的來源，這樣就加速了纖維素酶的研究。1979年，遺傳育種技術(shù)[6]用于提高纖維素酶產(chǎn)量，使纖維素酶的發(fā)酵活力較原始出發(fā)菌株提高了20多倍。從現(xiàn)有的水平來看，采用溫和的酶水解技術(shù)可能更為合適，酶水解是生化反應(yīng)，與酸水解相比，它可在常壓下進(jìn)行。這樣減少了能量的消耗，并且由于酶具有較高選擇性，可形成單一產(chǎn)物，產(chǎn)率較高（>95%）。

2.3秸稈肥料化技術(shù)

目前秸稈肥料的利用技術(shù)有秸稈直接還田和秸稈堆漚還田。秸稈直接還田有翻壓還田和覆蓋還田兩種形式。翻壓還田指作物收獲后，將秸稈粉碎或留高茬直接翻壓土中。覆蓋還田是將秸稈覆蓋于田間地表或作物株行之間，或是殘茬覆蓋，即當(dāng)農(nóng)作物收獲時，留高茬還田，采取免耕翻覆蓋。秸稈堆漚還田是將秸稈用鍘草機(jī)切碎堆起來或投入坑中，灌入水，然后用土封起來漚制秸稈[7]。目前，通過選育出分解纖維素的優(yōu)良微生物菌種或加快秸稈腐熟的化學(xué)制劑，解決了傳統(tǒng)堆漚形式勞動強(qiáng)度大、堆漚時間長、污染環(huán)境等問題。用秸稈與畜禽糞積制堆肥，糞與草隔層堆積、壓實(shí)。這樣可以促進(jìn)熟化，提高肥效。

2.4秸稈其它應(yīng)用技術(shù)

秸稈除了以上用途之外，還可以利用秸稈發(fā)電，造紙，生產(chǎn)可降解的包裝材料，制作人造板等。目前我國造紙制漿原料中，1/3來源于秸稈，其制漿具有成本低廉、成紙平滑度好，容易施膠等優(yōu)點(diǎn)。用麥秸、稻草、玉米秸、葦稈、棉花稈等生產(chǎn)出的可降解型包裝材料，如瓦楞紙芯、保鮮膜、一次性餐具、果蔬內(nèi)包裝襯墊等，具有安全衛(wèi)生、體小質(zhì)輕、無毒、無臭、通氣性好等特點(diǎn)，同時又有一定的柔韌性和強(qiáng)度，制造成本與發(fā)泡塑料相當(dāng)，而大大低于紙制品和木制品，在自然環(huán)境中，一個月左右即可全部降解成有機(jī)肥。

3展望

目前秸稈的綜合利用技術(shù)，正從早期的直接或堆漚還田、燒火做飯取暖、加工粗飼料，向著快速腐熟堆肥、氣化集中供氣、優(yōu)質(zhì)生物煤、高蛋白飼料和易降解包裝材料、有價工業(yè)原料及高附加值工藝品等方向發(fā)展。從農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化的角度來分析，單純采用某一種利用方式，秸稈能量轉(zhuǎn)化率和利用率會受到限制。因此，根據(jù)各類秸稈的組成特點(diǎn)，因地制宜，把其中幾種方法有機(jī)地組合起來，形成一種多層次、多途徑綜合利用的方式，從而實(shí)現(xiàn)秸稈利用的資源化、高效化和產(chǎn)業(yè)化是未來生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

參考文獻(xiàn)

[1]邢廷銑.農(nóng)作物秸稈飼料的加工和利用.北京:金盾出版社,2000.

[2]陳洪章.纖維素生物技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005,12.

[3]陳慶森,劉劍紅,潘建陽,等.利用多菌種混合發(fā)酵轉(zhuǎn)化玉米秸稈的研究[J].生物技術(shù),1999,9(4):15-19.

[4]YangXX,ChenHZ,GaoHL.Bioconversionofcornstrawbycouplingensiling

[5]陳洪章,陳繼貞,劉健,等.麥草蒸汽爆碎處理的研究[J].纖維素科學(xué)與技術(shù),1999,7(2):60-67.

[6]歐陽平凱,韓祖國.木質(zhì)纖維素物質(zhì)水解新技術(shù)及應(yīng)用[J].化工進(jìn)展,1992,1:42-45.

[7]秦光蔚,周祥.秸稈綜合利用技術(shù)[M].南京:江蘇科學(xué)技術(shù)出版社,2001.