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我国农作物秸秆的综合利用

2014-12-26薛向磊黄丙申初旭宏刘宇松

农业科技与装备 2014年9期
关键词:农作物秸秆生物质综合利用

薛向磊 黄丙申 初旭宏 刘宇松

摘要:详细介绍我国的农作物秸秆的利用现状,总结生物质能源利用的主要方法及应用特点,重点论述生物质能源的工业化利用,对今后我国农作物秸秆能源的利用前景做出展望。

关键词:农作物秸秆;生物质;综合利用;工业化

中图分类号:X 文献标识码:A 文章编号:1674-1161(2014)09-0057-03

农作物秸秆是籽粒果实收获后留下的含纤维成分很高的作物残留物,包括禾谷类、豆类、薯类、油料类、麻类、以及棉花、甘蔗、烟草、瓜果等多种作物的秸秆。我国是一个农业大国,秸秆资源十分丰富,每年产生的农作物秸秆总量超过6亿t,其中可以作为能源利用的在3亿t以上;但受传统的消费观念和生活方式的影响,农村秸秆资源完全处于高消耗、高污染、低产出的利用状况,大部分农作物秸秆被弃置或者焚烧,不仅浪费宝贵的自然资源,而且污染环境。有些地区因焚烧秸秆而造成烧毁树木和禾苗、引起火灾以及影响空中运输等不良后果。可见,妥善处置农作物秸秆和实现农作物秸秆的资源化利用具有重大意义。

1 我国农作物秸秆利用现状

2010年统计资料表明,全国年产农作物秸秆量为7.49亿t,其中玉米、小麦和稻谷秸秆占总秸秆量的85%。每年用于造肥、机械还田和用作饲料、工业原料及种植基料等的秸秆总量为3.56亿t,占总秸秆产量的47.5%;其余52.5%(3.93亿t)秸秆用于燃料或被废弃。其中用于燃料的秸秆量逐年减少,而废弃量逐年增加。

同时,农作物秸秆利用存在区域不均衡性。秸秆年产量最多为华东地区(1.87亿t),其次为华南地区(1.47亿t)、东北地区(1.75亿t)、华北地区(0.95亿t)、西南地区(0.79亿t)、西北地区(0.66亿t),其中山东、河南、四川、河北、黑龙江、江苏、吉林、安徽、湖北和湖南省10省的秸秆产生量最多,且河南、河北和山东的焚烧秸秆污染问题最突出。

另外,农作物秸秆利用时间不均衡。焚烧秸秆发生在收获期与下次播种期之间,时间短,处理量大,有的地方必须在几天内“处理”掉秸秆。焚烧秸秆地区经济较发达,农民生活水平较高,宁肯买液化气也不愿用秸能源做燃料,城乡结合部和农村规划小区秸秆废弃问题尤为严重。由此可见,传统能源利用方式已经难以满足农村现代化需求,生物质能优质化转换利用势在必行。

2 我国农作物秸秆传统利用方法

2.1 秸秆还田作肥料

秸秆还田方法可细分为秸秆直接还田、机械粉碎还田、堆肥还田、过腹还田。其中过腹还田是一种效益很高的利用方式,即把口感差、消化率低的秸秆进行青贮、氨化和微贮处理,改善秸秆的适口性,提高营养元素的利用率,经过禽畜之腹后变成有机肥还田,形成粮食—秸秆—饲料—牲畜—肥料—粮食的良性循环。

2.2 秸秆饲料化

秸秆中的有机物直接作饲料营养价值极低。因此,有必要对秸秆进行加工处理,将其纤维素、木质素、半纤维素等大分子物质分解为低分子的单糖或低聚糖,改善其适口性,提高营养物质的利用率及饲料采食率。

2.3 秸秆氨化

秸秆氨化基本原理是用氨水碱化处理秸秆,破坏木质素与多糖之间的醋键,使纤维素、半纤维素与木质素分离,将不溶的木质素变成较易溶的木质素,进而使得秸秆易于被动物吸收与消化。另外,氨水还可中和秸秆中潜在的酸度,为瘤胃微生物活动创造良好的环境,提高秸秆的利用率。一般来说,氨化秸秆的消化率可提高20%左右,粗蛋白含量也可提高1.0~1.5倍,采食速度提高16%~43%,采食量提高20%~30%。

2.4 秸秆青贮

秸秆青贮是目前秸秆处理量最大的一种方式,它能有效保存青绿秸秆的营养成分和鲜嫩汁液,适口性好,消化率高。秸秆在青贮发酵过程中产生一定浓度的乳酸,既可使饲料的营养成分不受损失,又可使饲料保持青鲜多汁的特点,并具有酸香味,增强适口性。

2.5 秸秆微贮

微贮是近年来推广的新技术,其原理是在秸秆中加入高效活性发酵菌种,增加分解纤维素、半纤维素和木质素的细菌数,加速纤维素、半纤维素和木质素分解转化,将秸秆转化为湿润膨胀和柔软酸香的饲料。

2.6 秸秆制作食用菌的培养料

将秸秆(如水稻秸秆、玉米秸秆和大豆秸秆等)用机械粉碎成小段,用作培养食用菌的基料。该方法在我国已大范围推广使用,为农村经济的发展做出了巨大贡献。秸秆作食用菌培育的基础材料,是一项投资小、见效快、技术要求不高的技术。在我国,各地利用秸秆栽培平菇、毛木耳、草菇和香菇等食用菌类,既丰富了人们的食物资源,满足人们对食品多样化的需求,均衡人们的食物营养,又充分利用了秸秆这一可资源化利用的废弃物资源。

2.7 秸秆燃料化

农作物秸秆作为农村传统的能源,直接燃烧具有经济方便、成本低廉和易于推广的特点,但存在能量利用率低与污染严重等缺点。因此,可以在一定条件下施加压力,使纤维素、半纤维素和木质素相互紧密粘连,固化成型,改善秸秆的燃烧特性,提高能量的利用率。

秸秆另外一种主要的利用方式是秸秆制沼。秸秆生产沼气一般有两种途径:一是秸秆直接进沼气池制沼气;二是秸秆作牲畜饲料,牲畜的粪便入沼气池制沼气。从能量利用的角度看,秸秆制沼技术是一种能量利用率较高的途径,可充分利用秸秆中的能量。秸秆制沼产生的沼气可用于作燃料或生活照明,沼渣进一步处理后可用作牲畜饲料,沼液是农业生产的优质肥料。以沼气为主的秸秆综合利用,不仅具有明显的节能效益和经济效益,而且具有长远的生态效益和社会效益,是解决当前农村能源紧缺矛盾,协调燃料、肥料和饲料三者关系的有效措施。

3 农作物秸秆工业化利用方式

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。另外,其制造成本与发泡塑料相当,大大低于纸制品和木制品。在自然环境中,这种包装材料一个月左右即可全部降解成有机肥。

3.2 生产建筑装饰材料

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。按胶凝剂分类,用秸秆生产的建筑装饰材料有水泥基、石膏基、氯氧镁基、树脂基等。按制品的类型分,用秸秆生产的建筑装饰材料有复合板、纤维板、定向板、模压板、空心板等。按用途分,秸秆生产的建筑装饰材料有阻燃型、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、谷类秕壳等经加工制成的淀粉,不仅能制作多种食品与糕点,还能酿醋酿酒、制作饴糖等。玉米秸秆含有12%~15%的糖分,其加工饴糖的工艺流程为:原料—蒸料—糖化—过滤—浓缩—冷却—成品。李莉等用稻草、玉米秸秆代替棉花、棉短绒制作纤维素,然后经化学改性、提纯等工序制得羧甲基纤维素产品,成本可降低20%。张启峰等采有玉米秸秆经过预处理、水解、净化、催化氢化、浓缩和结晶等步骤所制取的木糖醇,质量可达到食品级标准。刘俊峰等以稻草和麦秆为原料,用复合添加法制取糠醛,出醛率达理论出醛率的70%~80%,且废渣全部为中性复合肥料。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,国内外的相关研究已有一定进展。

3.4 生产编织产品

秸秆用于编织业最常见的是稻草编织草帘、草苫、草席、草垫、草编制品等。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。品种花色繁多的草编制品,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,是一条效益很好的创汇渠道。

4 结语与建议

开发利用农作物秸秆能源对于我国新农村建设有着特殊重要的意义,“十五”“十一五”“十二五计划”一再强调能源的重要作用。在农作物秸秆能源利用中,应优化传统的利用模式,进一步发挥生物质能源的工业化作用。整合资源配置,实现生物质能源的可持续发展是未来我国农业资源利用的新形势、新要求。

参考文献

[1] 李鹏,孙可伟,柴希娟.秸秆的综合利用[J].中国资源综合利用,2006,24:22-24.

[2] 陆文卿,田艳峰.秸秆处理的三种方法[J].河南畜牧兽医,2006,2(27):37.

[3] 李莉,刘瑛.用玉米秸秆制备羧甲基纤维素[J].精细化工,2001,18(6):339-340.

[4] 张启峰,张世平,邵延文,等.玉米秸秆制取木糖醇的研究[J].黑龙江大学学报,1996,13(1):102-107.

[5] 刘俊峰,易平贵,金一粟.稻草、麦秆等农作物秸秆资源再利用研究[J].资源科学,2001,23(2):46-48.

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