我國秸稈資源豐富,但胡亂丟棄、無控焚燒、直接還田和加工粗飼料等傳統(tǒng)的處理方式存在著“三低一重”的缺點(diǎn),即秸稈利用率低、轉(zhuǎn)化率低、經(jīng)濟(jì)效益低、環(huán)境污染嚴(yán)重。介紹了秸稈綜合利用技術(shù)的最新進(jìn)展,包括腐熟還田技術(shù)、飼料轉(zhuǎn)化技術(shù)、能源化技術(shù)及秸稈在工業(yè)上的各種應(yīng)用。認(rèn)為農(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,也是緩解農(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)展的要求。
1、秸稈還田技術(shù)
利用多種形式的秸稈還田(表1),不僅可增加土壤有機(jī)質(zhì)和速效養(yǎng)分含量,培肥地力,緩解氮、磷、鉀肥比例失調(diào)的矛盾;調(diào)節(jié)土壤物理性能,改造中低產(chǎn)田;形成土壤有機(jī)質(zhì)覆蓋,抗旱保墑;還可以增加作物產(chǎn)量,優(yōu)化農(nóng)田生態(tài)環(huán)境。
2、秸稈利用現(xiàn)狀及存在的問題
近年我國糧食產(chǎn)區(qū)田間焚燒秸稈,污染環(huán)境,威脅飛機(jī)起降,影響車輛行駛,已成為一大社會(huì)問題。為此國家有關(guān)部門做了大量的工作,加大研究各種秸稈綜合利用技術(shù)[5],建設(shè)各種秸稈利用示范工程,并采取禁燒秸稈管理措施,加大執(zhí)法力度,雖取得一些成效,但目前焚燒秸稈行為仍很嚴(yán)重。目前存在的秸稈問題一是廢棄量逐年增加,據(jù)2000年統(tǒng)計(jì)資料表明全國年產(chǎn)農(nóng)作物秸稈量為6.48億噸,其中以玉米、小麥和稻谷秸稈為主,占總秸稈產(chǎn)量的80%。每年秸稈用于造肥、機(jī)械還田和用作飼料、工業(yè)原料及種植基料等總消耗量為2.96億噸,占總秸稈產(chǎn)量的45.7%,其余54.3%(3.52億噸)用于燃料或被廢棄,且其中用于燃料的秸稈量將逐年減少,而廢棄量逐年增加。二是區(qū)域不均衡,秸稈年產(chǎn)量最多為華東地區(qū)(1.85億噸),其次為華南地區(qū)(1.47億噸)、東北地區(qū)(1億噸)、華北地區(qū)(0.91億噸)、西南地區(qū)(0.79億噸)、西北地區(qū)(0.46億噸);而山東、河南、四川、河北、黑龍江、江蘇、吉林、安徽、湖北和湖南省10省秸稈產(chǎn)生量最多,其中河南、河北和山東省焚燒秸稈污染問題最突出。三是時(shí)間不均衡,焚燒秸稈發(fā)生在收獲期與下次播種期之間,時(shí)間短,處理量大,有的地方必須在幾天內(nèi)“處理”掉秸稈,滿山遍野秸稈只有付之一炬。四是焚燒秸稈地區(qū)經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá),農(nóng)民生活水平較高,寧肯買液化氣也不愿用秸稈做燃料,而城鄉(xiāng)結(jié)合部和農(nóng)村規(guī)劃小區(qū)秸稈廢棄問題尤為嚴(yán)重。
就其物質(zhì)屬性而言,秸稈利用可歸納為燃料、飼料、肥料、基料和原材料“五料”。一是秸稈用作畜牧優(yōu)質(zhì)飼料。機(jī)械設(shè)備可以歸納為
顆粒機(jī)，
秸稈顆粒機(jī)，
秸稈壓塊機(jī)，飼料顆粒機(jī)，秸稈粉碎機(jī)等隨著我國肉、奶制品生產(chǎn)量的增加,對(duì)秸稈消耗量也在不斷增加,目前秸稈消耗量占總秸稈量的27%左右。二是秸稈用作基料。目前主要用于食用菌栽培和無土栽培,也有用于養(yǎng)殖蚯蚓等,其秸稈消耗量很少。三是秸稈用作原料。主要用于造紙,少量用于制簾柵、餐盒、包裝板、隔音板、保溫材料、人造炭和糠醛原料等,總消耗量占秸稈總量的3%左右。四是秸稈用作肥料。過去主要是與禽畜糞便一同發(fā)酵為有機(jī)肥。廣泛利用化肥后,這種傳統(tǒng)漚肥逐漸減少。近年來秸稈大量過剩的地區(qū)實(shí)行秸稈機(jī)械化還田(粉碎撒于田間),其秸稈消耗量占總秸稈量的15%左右。而秸稈還田技術(shù)中最理想的是“秸稈消化”技術(shù),即植物秸稈返回土壤中,在微生物作用下又生成水、一氧化碳、礦物質(zhì)形成良性循環(huán)。但秸稈還田也有很大局限性,我國人多地少,耕地不能實(shí)行輪作休耕制,連續(xù)耕種,將未發(fā)酵腐爛的干枯秸稈埋于農(nóng)田中非但起不到肥田作用,反而影響作物出苗率,實(shí)際應(yīng)用中秸稈機(jī)械化還田在很多地方已被放棄。五是秸稈用作燃料,目前全國廣大農(nóng)村仍主要用秸稈作燃料。國內(nèi)頻頻出現(xiàn)“秸稈焚燒問題”后,有關(guān)部門試圖采取生物能轉(zhuǎn)化技術(shù)以提高燃料質(zhì)量,進(jìn)而提高使用秸稈作燃料的積極性。
自“七五”開始國家有關(guān)部門加大了這方面的工作力度,相繼建立了幾百個(gè)秸稈氣化示范點(diǎn)。其工藝路線有3種。一是空氣氧化氣化法,即將秸稈在氣化爐中不完全燃燒,獲得以一氧化碳為主的低熱值可燃?xì)?供農(nóng)民生活用氣;二是干餾熱解法,即將秸稈在熱解爐中進(jìn)行隔絕空氣干餾,獲得以CH4,H2為主的中熱值可燃?xì)?供農(nóng)民生活用氣,同時(shí)獲得人造木炭和木焦油等工業(yè)產(chǎn)品;三是氣化發(fā)電法,即將秸稈氣化獲得可燃?xì)?再通過燃?xì)獍l(fā)電機(jī)發(fā)電。秸稈氣化技術(shù)是一種很好的生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化技術(shù)[6],為“消化”秸稈的好方法,但目前農(nóng)村建設(shè)供100～200戶管道燃?xì)獾慕斩挌饣到y(tǒng)存在很多問題。一是用秸稈制造燃?xì)夂陀妹褐圃烀簹馄浼夹g(shù)本質(zhì)沒有區(qū)別,某個(gè)城市能否建設(shè)煤氣供應(yīng)系統(tǒng)不是取決于是否有原料,而是取決于該城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和財(cái)政收入狀況及市民文化物質(zhì)水平的高低等因素[7],而農(nóng)村建設(shè)人工燃?xì)夤艿拦⿷?yīng)系統(tǒng)也未嘗不是這些因素所決定的。目前我國農(nóng)村仍屬低水平、不全面的小康型,有些地區(qū)尚未達(dá)到溫飽型,故在相當(dāng)長的歷史時(shí)期內(nèi)居住分散、生活水平較低的農(nóng)村不可能大面積推廣管道化秸稈氣化工程,況且目前我國很多中小城市尚未普及管道燃?xì)狻＝?jīng)過對(duì)許多農(nóng)村的調(diào)查表明,農(nóng)民保證吃、穿后,隨著其收入的提高,希望改善生活條件的順序依次為房屋、電、自來水、電視、電話、交通工具和燃料,這說明廣大農(nóng)村目前對(duì)管道燃?xì)庑枨笊形催_(dá)到相當(dāng)迫切程度。沒有農(nóng)民自身的積極性,僅靠國家補(bǔ)貼在農(nóng)村建設(shè)管道燃?xì)馐遣豢扇〉?且由于財(cái)力有限,國家的補(bǔ)貼也有限,目前所建的秸稈氣化供氣系統(tǒng)投資都偏低,造成建設(shè)質(zhì)量隱患很多,全國所建設(shè)的幾百個(gè)秸稈氣化站完全符合燃?xì)饨ㄔO(shè)技術(shù)規(guī)范的并不多。有些地方和部門雖為推廣秸稈氣化而制定了部門標(biāo)準(zhǔn)、地方標(biāo)準(zhǔn),使其氣化系統(tǒng)“合法化”,但降低了上百年總結(jié)出來的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),只能是“削足適履”,其隱患不除,事故必將不斷出現(xiàn)且不可能保證長期安全運(yùn)行。二是秸稈氣化提高了能源利用率,若用秸稈氣化代替直接燃燒秸稈,非但不能“消化”秸稈,反而造成秸稈過剩。1個(gè)200戶的秸稈氣化站每年僅消耗400t秸稈,全國幾百個(gè)氣化站每年消耗幾十萬噸秸稈,仍有大量過剩秸稈得不到有效的利用,也解決不了“秸稈焚燒問題”。三是近年在秸稈氣化方面有關(guān)部門推行秸稈氧化氣化路線,該路線設(shè)備簡陋且生產(chǎn)的燃?xì)鉄嶂档秃碗s質(zhì)多,根本達(dá)不到國家民用燃?xì)鈽?biāo)準(zhǔn),又多在虧損無經(jīng)濟(jì)效益下運(yùn)行,目前全國共建小氣化站700多個(gè),投入資金3億多元,但大部分都已停產(chǎn)或報(bào)廢。目前秸稈利用仍未跳出“農(nóng)業(yè)問題”的誤區(qū),采取小農(nóng)意識(shí)的做法是解決不了秸稈過剩、焚燒秸稈污染環(huán)境的社會(huì)問題。
3、秸稈綜合利用技術(shù)
3.1 秸稈飼料技術(shù)
秸稈中含量較高的粗纖維(約占秸稈干物質(zhì)的20%～50%[8]),限制了瘤胃中的微生物和消化酶對(duì)細(xì)胞壁內(nèi)溶物的消化作用,導(dǎo)致秸稈適口性和營養(yǎng)性差,無法被動(dòng)物高效地吸收利用。因此,開發(fā)和利用秸稈飼料資源,提高其利用率和營養(yǎng)價(jià)值勢在必行。在實(shí)踐中,秸稈飼料的加工調(diào)制方法一般可分為物理處理、化學(xué)處理和生物處理3種[9]。這些處理方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)。切段、粉碎、膨化、蒸煮、壓塊等物理方法雖簡單易行,容易推廣,但一般情況不能增加飼料的營養(yǎng)價(jià)值�；瘜W(xué)處理法可以提高秸稈的采食量和體外消化率,但也容易造成化學(xué)物質(zhì)的過量,且使用范圍狹窄、推廣費(fèi)用較高。生物處理法可以提高秸稈的營養(yǎng)價(jià)值,但要求技術(shù)較高,處理不好,容易造成腐爛變質(zhì)。
3.2 秸稈能源化技術(shù)
秸稈的能源密度為13～15mgkg,作為主要生活燃料,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)、秸稈壓塊成型及炭化技術(shù)等。
3.2.1 秸稈直燃供熱技術(shù)
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(duì)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)[10]。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。
3.2.2 秸稈氣化集中供氣技術(shù)
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5724kJm3氣,其典型成分為:CO20%,H215%,CH42%,CO212%,O21.5%,N24915%。燃?xì)饨?jīng)降溫、多級(jí)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(chǔ)氣柜,然后直接用管道供用戶使用[11]。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1km之內(nèi),可供百余戶農(nóng)民用氣。目前全國已有380余處秸稈氣化集中供氣示范點(diǎn),僅山東就有170余處。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。
3.2.3 秸稈發(fā)酵制沼技術(shù)
秸稈制沼歷史悠久,它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(dòng)力燃料和甲醇等,做雙料發(fā)動(dòng)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(gè)3～5口人的家庭,建一口8～10m3的沼氣池,年產(chǎn)300～350m3的沼氣,可滿足一日三餐和晚間的照明用能[13]。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。
3.2.4 秸稈壓塊成型及炭化技術(shù)
秸稈的基本組織是纖維素、半纖維素和木質(zhì)素,它們通常在200～300℃下軟化,將其粉碎后,添加適量的粘結(jié)劑和水混合,施加一定的壓力使其固化成型,即得到棒狀或顆粒狀“秸稈炭”,若再利用炭化爐可將其進(jìn)一步加工處理成為具有一定機(jī)械強(qiáng)度的“生物煤”。秸稈成型燃料容重為112～114gcm3,熱值為14～18MJkg,具有近似中質(zhì)煙煤的燃燒性能,且含硫量低,灰分小。其優(yōu)點(diǎn)有:(1)制作工藝簡單,可加工成多種形狀規(guī)格,體積小,貯運(yùn)方便;(2)品位較高,利用率可提高到40%左右;(3)使用方便,干凈衛(wèi)生,燃燒時(shí)污染極小;(4)除民用和燒鍋爐外,還可用于熱解氣化產(chǎn)煤氣、生產(chǎn)活性炭和各類“成型”炭。
3.3 秸稈的工業(yè)應(yīng)用
3.3.1 生產(chǎn)可降解的包裝材料
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(shí)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(gè)月左右即可全部降解成有機(jī)肥。
3.3.2 用作建筑裝飾材料
將粉碎后的秸稈按一定比例加入粘合劑、阻燃劑和其他配料,進(jìn)行機(jī)械攪拌、擠壓成型、恒溫固化,可制得高質(zhì)量的輕質(zhì)建材,如秸稈輕體板、輕型墻體隔板、粘土磚、蜂窩芯復(fù)合輕質(zhì)板等,這些材料成本低、重量輕、美觀大方,且生產(chǎn)過程中無污染,因此廣受用戶歡迎。目前,秸稈在建材領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用已相當(dāng)廣泛,秸稈消耗量大、產(chǎn)品附加值高,又能節(jié)約木材,很有發(fā)展前景。按膠凝劑分有水泥基、石膏基、氯氧鎂基、樹脂基等。按制品分有復(fù)合板、纖維板、定向板、模壓板、空心板等。按用途分為阻燃型、耐水型、防腐型等。
3.3.3 生產(chǎn)工業(yè)原料
玉米秸、豆莢皮、稻草、麥秸、谷類秕殼等經(jīng)過加工所制取的淀粉,不僅能制作多種食品與糕點(diǎn),還能釀醋釀酒、制作飴糖等。如玉米秸含有12%～15%的糖分,其加工飴糖的工藝流程為:原料-蒸料-糖化-過濾-濃縮-冷卻-成品。李莉等用稻草、玉米秸代替棉花、棉短絨為原料,制成纖維素,然后經(jīng)化學(xué)改性、提純等工序制得羧甲基纖維素產(chǎn)品,成本降低了20%。張啟峰等[15]將玉米秸稈經(jīng)過預(yù)處理、水解、凈化、催化氫化、濃縮和結(jié)晶等步驟所制取的木糖醇,其質(zhì)量可達(dá)到食品級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。劉俊峰等[16]以稻草和麥稈為原料,用復(fù)合添加法制取了糠醛,出醛率達(dá)理論出醛率的70%～80%,廢渣全部變?yōu)橹行詮?fù)合肥料。秸稈酸、堿水解發(fā)酵制酒精的工藝條件苛刻,對(duì)設(shè)備有腐蝕,運(yùn)行成本高,而秸稈酶解發(fā)酵酒精選擇性強(qiáng),且較化學(xué)水解條件溫和,目前國內(nèi)外的研究已有一定進(jìn)展[17]。
3.3.4 秸稈用于編織業(yè)
秸稈用于編織業(yè)最常見、用途最廣的就是稻草編織草簾、草苫、草席、草墊、草編制品等。如草簾、草苫等可用于蔬菜工程的溫室大棚中;草席、草墊既可保溫防凍,又具有吸汗防濕的功效;而品種花色繁多的草編制品,如草帽、草提藍(lán)、草氈、壁掛及其它多種工藝品和裝飾品,由于工藝精巧,透氣保暖性好,裝飾性佳,深受國內(nèi)外消費(fèi)者的喜愛,因而已經(jīng)成為一條效益很好的創(chuàng)匯渠道。
4、結(jié)論和建議
目前秸稈的綜合利用技術(shù),正從早期的蔽日遮雨材料、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、輕質(zhì)建材和易降解包裝材料、有價(jià)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(huì)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。
