生物秸秆处理技术综述

代亚平

（国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心，广东 广州 510000）

秸秆是农业生产的剩余物，秸秆的有机物质包括粗纤维和无氮浸出物。粗纤维是多聚糖，是一种复杂化合物，不溶于有机溶剂和水。无氮浸出物的主要成分是半纤维和聚糖醛酸，半纤维是碳水化合物。通过对秸秆的组成成分进行分析可知，秸秆主要是由复杂的碳水化合物，以及纤维素、半纤维素、木质素等构成。秸秆的营养成分受秸秆成熟度的影响，成熟度越高，其饲用价值越小；其饲用价值还与秸秆的种类和部位有关，如其叶比茎的饲用价值高，高粱秸的营养价值优于玉米秸，玉米秸的营养价值高于稻秸和麦秸。秸秆中的粗纤维难以被动物消化分解，木质素还会抑制微生物的活性，降低饲料中其他养分的消化率，木质素含量越高，秸秆的消化能和代谢能越低。秸秆中含有的 N、P、K、Mg、Ca、S 等元素是农作物生长所必须的营养元素，因此，秸秆也可以作为生物肥料，还田时可以补充营养元素，对改良土壤有着积极作用，用于农作物肥料时可以代替普通化学肥料，减少生产成本的同时，还能维护生产田地的肥力和生长环境。

生物秸秆涉及农业、农村和农民问题，也涉及环境保护、水土保持、资源利用以及土壤问题。正因为秸秆的价值功效，多年来，对秸秆利用的研究层出不穷。随着社会的进步和发展，农业问题急需转型，作为农业产物的秸秆，其处理与利用也面临着巨大的挑战。传统的直接焚烧排放方式不但浪费资源而且污染环境，已经不能满足当代社会的需求。因而一种环保且可持续的处理方法应运而生。关于秸秆的成分、利用价值、能源化利用的研究已经非常成熟，目前关于秸秆的利用还有利用秸秆参与一些环境修复和污染治理方面的研究，还有一些研究者研究秸秆的装饰功效，将秸秆这一来源于自然的生物产物用于现代化装饰理念中，从而提升了秸秆的应用价值。

农业生产后需要对秸秆进行处理，目前有多种针对生物秸秆的处理方法。早期对秸秆的处理方法有填埋、就地燃烧，该方法的优势是操作简便，但填埋方法占用大量土地，就地燃烧产生的废气直接排放污染大气；在焚烧炉内焚烧秸秆，可以回收利用焚烧产生的热量，但仅仅回收热量性价比相对较低，且还需要配备专门的废气治理设备。随后兴起使秸秆转废为宝的方法，将秸秆作为资源加以利用，包括加工饲料、生物降解、气化等，使秸秆生物降解后的产物可以作为肥料用于还田，可以在大棚种植中加以利用，而气化秸秆产生的有机气体可以作为化工原料，也可以制作清洁能源，产生较大的经济价值。由于秸秆的特别成分，利用价值高，本文对多种利用方向进行介绍和总结，并对优劣进行比较，以及对相关方向的专利申请所涉及的技术进行介绍。

1 秸秆的处理方法

1.1 焚烧

秸秆具有可燃的特点，自古以来就作为燃料为人们日常生活所使用，因此，当生产和生活水平提高，新的燃料替代原始燃料时，农业生产中产生的过量秸秆便成为一种需要处理的废料。早期，人们根据秸秆可燃的属性通过就地燃烧的方式来处理，直接将秸秆堆放在田地，点燃秸秆燃烧。此种处理方式是最简单的，可以迅速实现减容减量的目的，燃烧后的产物是灰烬，灰烬可以就地掩埋或堆放，成为土地的一部分，也避免了需要再次处理的麻烦。可焚烧的秸秆在经济欠发达时期还作为农户的柴薪，在很长一段时间内具有重要的作用和价值。

但是燃烧秸秆产生的烟气携带大量的烟雾颗粒及未充分燃烧产生的气体，形成聚集性的污染源，不但严重污染环境，而且降低空气能见度，妨害交通安全，同时，大量燃烧产生火源也具有火灾的隐患。因此，总体来说，焚烧秸秆弊大于利，且没有实现资源的合理利用，不符合可持续发展的理念和要求。但是基于其便于处理的优势，目前针对焚烧这一方法衍生出多种解决途径，比如目前关于焚烧的发明专利申请集中在关于焚烧装置的改进，对焚烧后产生的废气进行处理后排放，将焚烧产生的热量进行进一步利用等。比如发明专利“申请一种移动式一体化生物质秸秆综合利用装置”[1]改进焚烧装置的结构，一方面提高装置使用的便利性，一方面将排出的烟气通过烟气净化系统，产生的蒸汽用于发电，降低了秸秆处理的成本，且解决了废气污染的问题；“一种移动式秸秆资源化焚烧处理系统”[2]将秸秆收拾结构和秸秆焚烧结构统一为整体，收拾结构与生物质锅炉进料口连接，生物质锅炉上端出口与尾气处理系统连接，实现自动化进料和排渣，就地焚烧秸秆，烟气达标排放，灰渣直接还田，充分实现了秸秆的资源化处理。

1.2 肥料

生物秸秆中含有大量的有机质、N、P、K和微量元素，根据成分分析可知，其与环境的相容性是非常高的，且这些成分也是植物生长所必须的，因此，秸秆可以作为农业生产的有机肥源加以利用。利用秸秆还田可以提高土壤的有机质含量，改善土壤板结，增强土壤的松散度，增加透水性、透气性和蓄水性能。秸秆作为原料生产的生物肥料，肥效更高，与土壤的结合性更好，可以减少化肥的使用量，也可以改善使用化肥对土壤的不利影响，对环境更加友好。秸秆作为肥料，对促进土地的循环利用具有积极作用，可以提高土地的可持续利用能力。

秸秆还田一般采取直接还田的方法，可以将整株直接抛弃在田地，也可以粉碎加工后施加在田间。也有将秸秆堆肥腐熟，利用微生物的作用产生有机肥熟料，且将其与畜禽粪便等混合后加工成有机肥，腐熟加工后的有机肥具有更优质的肥力，品质更好，可以用于专门食物粮作的栽培，大大提升产量并改善蔬果的品质，被用作大规模集中农业中，且可以充分利用秸秆和粪便各自的优劣实现更好地还田，特别是在北方地区，利用秸秆还田的面积逐年扩大。现有的发明专利申请“一种秸秆还田的耕作方法”[3]即公开用于作物秸秆还田，通过在作物耕地轮流依序挖1 m宽深沟深埋秸秆混合粪便发酵7年充分腐熟为腐殖质后挖出，7年一个循环，操作简单，不占用场地，且解决了粪便携带虫卵的问题。常见的还有用于食用菌的栽培，操作方便，还能为农民增收提供途径。

直接利用秸秆还田是相对比较传统的利用方式，而将秸秆腐熟加工成有机肥熟料是更加符合现代要求的方式，且随着经济社会的发展，大棚种植和绿色种植的大规模发展，对于此种有机肥熟料的需求凸显，其已经发展成为一种规模化的处理方式。

秸秆生物降解是一项提高秸秆还田肥力的有效方法。选择可以降解秸秆中纤维素、半纤维素、木质素、蛋白质等成分的细菌、真菌，将有机大分子进行部分或完全分解，可以进一步提高农产品的品质和产量，是绿色工程的一部分，而且可以实现农业的可持续发展，为农业调整产业结构提供思路。最近的发明专利申请集中在对降解条件的控制以分解为目标有机物方面。

1.3 加工饲料

农作物秸秆具有一定的植物营养价值，可直接饲养动物，秸秆作为动物饲料是一种古老且传统的喂养食料。可以直接将秸秆喂养动物，也可以切段后喂养。然而，一些秸秆老化后不利于动物咀嚼，一些秸秆粗纤维不利于消化，这些弊端均影响了秸秆的可食用性和吸收性，因此，需要对秸秆进行处理，以便提高秸秆的营养价值，以符合现代饲养的需求。

在新式动物规模饲养中，通常将秸秆进行再加工以提高饲料的营养，常用的方法有青贮、黄化、氨化及糖化，可以实现规模化生产加工。加工腐熟过的秸秆原料具有熟香味，可以促进动物食欲，提高动物的采食，利于动物的生长，对大规模养殖具有重大意义。不但实现传统的废物利用，而且实现秸秆的商品化和市场化，为新农业注入活力。发明专利申请“一种秸秆厌氧发酵饲料包及其制作方法”[4]，通过将粉碎后的秸秆装入可密封的包装袋，秸秆在封闭的包装袋内厌氧发酵成饲料以便于养殖，此种处理降低了操作难度，且实现秸秆到饲料的简易转变。类似此种对秸秆进行处理后再喂养的处理工艺层出不穷，大都集中在提高秸秆营养的吸收、促进动物食用量上，也有一些集中在如何延长饲料的保存周期方面。

1.4 气化

秸秆作为燃料，早期用于生产沼气，既可以集中生产，也可以到户生产，技术成熟，有专门的配套设备，且操作实施简单，从生产到使用过程也非常简单。早些年提倡每家每户建立沼气池，实现自给自足，不但可以消耗秸秆，而且可以利用养殖废弃物，但也存在一定弊端，家庭沼气池的生产原料来源受限，供给量不足，容易出现在利用过程中突然燃气中断的现象，影响沼气的可持续利用。

秸秆气化是将秸秆粉碎加工后，在热解气化炉中将秸秆转化为小分子化学产品的过程。最早的中国发明专利申请“秸秆利用的方法与装置”[5]公开将秸秆热分解气化后，可生产活性炭、炭黑及电力，还可以生产其他化工产品，可以产生一氧化碳、二氧化碳、水、氢气、气化焦油。通过气化的方法可以将大分子的有机物分解为低分子量的物质，可以控制气化的温度、压力等条件，根据实际需求分解成不同的成分，特别是分解成可以供后续化工制备利用的小分子有机物，也即是将秸秆气化后可以生产化工原料气，将难以有效利用的废弃物转化为可以加工利用的化工成分，大大增加了化工原料的来源，且变废为宝，扩大了生物废弃物的用途，为农业的进一步扩展和农民的增收提供了途径。秸秆气化是一种非常有价值的处理方法，可以通过控制气化的条件，比如温度、压力、水分含量等参数来控制产物的种类，结合实际需求通过气化产生不同的气体，且这些气体作为中间产物，可以进一步投入到化工产品的生产工艺中，为化学工艺供给原料，可以实现零排放，使得秸秆的价值得到最大化利用。

1.5 其他利用

由于秸秆生物质含量高，可回收再利用价值高，针对秸秆的利用研究广泛。

作为造纸原料。早期造纸技术中需要用到大量的树木，随着对秸秆纤维成分的研究，将秸秆补充到造纸工艺中已经是一项成熟且传统的技术。

制作生物炭用于环境修复。如发明专利申请“一种改性生物炭及其修复土壤重金属污染的方法”[6]，研究了玉米秸秆的炭化和用于修复环境的方案，首先将秸秆炭化，且通入二氧化碳气体改性得到改性后的生物炭，将其研磨得到改性生物炭粉，利用该粉末吸附污染土壤中的重金属，试验证明改性生物炭具有极强的污染物吸附能力。“一种秸秆生物炭制作的矿山修复专用花钵制备方法”[7]也是先将秸秆粉碎后制成生物炭，然后用于修复矿山，实现很好的废物利用，且保护了环境。

用于美学装饰。随着现代设计理念回归自然的朴素思想，秸秆作为一种可利用的生物质具有一定的造型，因此将秸秆艺术化利用已经为广大美学设计者充分采纳。随着秸秆的美学价值被挖掘，其在文化乡建、产业乡建、艺术乡建中的创新利用已经日趋广泛。例如利用秸秆纤维为原料加工纤维密度板、饰品等产品，用秸秆作为室内墙体装饰的工艺造型等均是利用了秸秆的美学价值。

利用秸秆作为包装材料、建材均是对秸秆价值的充分开发和挖掘。

2 结束语

关于秸秆的处理方法很多，包括焚烧、生物利用、转化后用于环境修复等，各种方法均具有其相应的优势和劣势。焚烧的劣势在于没有充分挖掘秸秆的利用价值，浪费资源，但优势在于可以批量处理，能即时实现大规模的减量。生物利用的优势在于充分利用秸秆的有机物，为动物提供所需的有机质和微量元素，为植物生长提供所需的能量，且为土地提供更加绿色的肥料。转化后用于环境修复充分利用秸秆的可炭化性，产生的生物炭吸附性能好，具有较好的环境修复功能。目前也有一些研究关注秸秆的美学功能，利用其来源于自然，与追求自然美的美学价值相一致的优势，扩大秸秆的利用价值。