農(nóng)作物秸稈資源的綜合利用

焦玉萍，付 彤，田亞?wèn)|，戚 鑫，易寶弟，廉紅霞

（1.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧獸醫(yī)研究所，河南 鄭州 450002；2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)）

農(nóng)作物秸稈資源的綜合利用

焦玉萍1，付 彤2，田亞?wèn)|2，戚 鑫2，易寶弟1，廉紅霞2

（1.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧獸醫(yī)研究所，河南 鄭州 450002；2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)）

1 秸稈飼料

秸稈經(jīng)過(guò)青貯、氨化，利用化學(xué)、微生物學(xué)原理，使富含木質(zhì)素、纖維素、半纖維素的秸稈降解轉(zhuǎn)化為含有豐富菌體蛋白、維生素等成分的生物蛋白飼料。目前，國(guó)內(nèi)已開(kāi)發(fā)出秸稈青貯、微貯、氨化、鹽化、堿化等飼料轉(zhuǎn)化技術(shù)。

1.1 飼料青貯技術(shù)

飼料青貯技術(shù)就是將飼料儲(chǔ)存于密閉環(huán)境中，利用乳酸菌在厭氧條件下發(fā)酵產(chǎn)生乳酸的不斷積累使青貯物的pH快速下降到3.8～4.2，則青貯物中所有微生物都處于被抑制狀態(tài)，同時(shí)飼料植物的呼吸過(guò)程完全停止，從而達(dá)到使飼料保持原有作為青飼料特有的適口性和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的目的。保證飼料青貯技術(shù)成功與否或者青貯飼料品質(zhì)好壞的關(guān)鍵是必須創(chuàng)造厭氧條件（壓實(shí)要求充分以盡可能減少殘存空氣）并滿(mǎn)足乳酸菌生長(zhǎng)繁殖的最適宜條件（如30℃左右的料溫、適宜的含水量、較低的緩沖能力、充分的水溶性碳水化合物等）。評(píng)價(jià)青貯飼料發(fā)酵品質(zhì)的指標(biāo)主要包括物料損失率、感官指標(biāo)（氣味、顏色、質(zhì)地等）、pH、水分含量等現(xiàn)場(chǎng)評(píng)定指標(biāo)以及有機(jī)酸總量及其構(gòu)成（最重要的是乳酸、乙酸和丁酸的比例）、氨態(tài)氮／總氮比值等實(shí)驗(yàn)室評(píng)定指標(biāo)，一般可分別通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)綜合評(píng)定和實(shí)驗(yàn)室綜合評(píng)定對(duì)其質(zhì)量進(jìn)行評(píng)定。為了克服青貯過(guò)程中的一些不利因素，保證青貯飼料質(zhì)量，可通過(guò)在青貯原料中添加適宜的青貯添加劑（通過(guò)增加原料中的有益菌種、降解植物細(xì)胞壁、增加發(fā)酵底物或降低pH等方式來(lái)促進(jìn)青貯的發(fā)酵過(guò)程）提高青貯飼料的發(fā)酵和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)。青貯添加劑的種類(lèi)較多，目前常用的青貯添加劑按作用效果可分為3類(lèi)，即發(fā)酵促進(jìn)劑（主要包括乳酸菌制劑、酶制劑和含碳水化合物較豐富的物質(zhì)等）、發(fā)酵抑制劑（主要包括甲酸、乙酸和丙酸、甲醛等）和營(yíng)養(yǎng)性添加劑（主要包括非蛋白氮、礦物鹽等）。

1.2 化學(xué)處理

化學(xué)處理包括氨化（液氨氨化、尿素氨化、氨水氨化、硫酸氫銨氨化）和堿化（氫氧化鈉和生石灰等）。秸稈的堿化就是在一定濃度的堿液作用下，打破粗纖維中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素之間的醚鍵或者酯鍵，并溶去大部分的磷酸鹽，溶解與細(xì)胞壁多聚糖結(jié)合的酚醛酸、糖醛酸、乙?；?，增加纖維素之間的空隙度，使細(xì)胞壁膨脹、疏松，增加瘤胃微生物附著的數(shù)目，提高纖維素的降解率。秸稈氨化是利用氨的弱堿性作用使有機(jī)物與氨發(fā)生氨解反應(yīng)，其中的木質(zhì)素與多糖間的酯鍵遭到破壞，并形成銨鹽，不僅能提高纖維素的降解率，還能給反芻動(dòng)物提供氮源，改善秸稈適口性，但氨化對(duì)秸稈NDF含量和瘤胃降解率的促進(jìn)作用沒(méi)有堿化的效果明顯。

1.3 微貯技術(shù)

從目前的研究結(jié)果來(lái)看，秸稈的微貯技術(shù)由于多菌種間的協(xié)同作用，復(fù)合菌劑較單一菌劑效果顯著。然而，復(fù)合菌劑在生產(chǎn)和應(yīng)用過(guò)程中仍然存在一些問(wèn)題，如使用的菌種種類(lèi)多，發(fā)酵和配伍生產(chǎn)工藝復(fù)雜等。與單一使用乳酸菌相比，聯(lián)合使用纖維素酶和乳酸菌接種物效果更好。如能在玉米秸稈中添加一定量的纖維素酶和乳酸菌，既可降解玉米秸稈的纖維素，又可將釋放的還原性糖轉(zhuǎn)變?yōu)槿樗幔种聘瘮【L(zhǎng)，保持作物的鮮嫩和營(yíng)養(yǎng)，同時(shí)改善適口性、提高消化率，使之成為飼用原料，為玉米秸稈的利用和飼料資源的獲得提供可行的途徑，因此，添加外源的纖維素酶來(lái)促進(jìn)青貯發(fā)酵，提高粗飼料的利用率，已引起人們的極大興趣。

近年來(lái)隨著分子生物學(xué)的發(fā)展和對(duì)乳酸菌研究的進(jìn)一步深入，為人們提供了一種采用基因工程技術(shù)把外源纖維素酶的基因?qū)肴樗峋械耐緩?。?yīng)用這種構(gòu)建的工程乳酸菌可以省去纖維素酶的生產(chǎn)和添加這一步驟，節(jié)約成本；同時(shí)，乳酸菌又可利用纖維素為碳源進(jìn)行生長(zhǎng)繁殖，進(jìn)一步提高青貯飼料的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，改善青貯效果。隨著分子生物學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，人們開(kāi)始對(duì)許多廣泛應(yīng)用的菌株進(jìn)行基因水平的改造。主要是利用基因工程技術(shù)，使其攜帶外源基因并表達(dá)外源基因產(chǎn)物，從而發(fā)揮更廣闊的應(yīng)用價(jià)值。

2 秸稈肥料

秸稈肥料利用除可采用直接還田、堆漚還田和過(guò)腹還田3種形式外，還可采用特殊工藝和科學(xué)配比，生產(chǎn)秸稈制造優(yōu)質(zhì)有機(jī)復(fù)合肥。

2.1 秸稈堆漚還田

秸稈堆漚還田是在夏秋季高溫季節(jié)把秸稈堆積厭氧發(fā)酵漚制。其特點(diǎn)是時(shí)間長(zhǎng)、受環(huán)境影響大、勞動(dòng)強(qiáng)度高、產(chǎn)出量少和成本低廉。由于效益比較低，加之有機(jī)肥肥效滯后，直接效益不明顯，故農(nóng)民不愿做大的投入，堆肥量不大。

2.2 機(jī)械化秸稈還田

采用聯(lián)合收割機(jī)等，在地里直接將作物秸稈粉碎，再深耕犁翻埋到土壤深處去。其特點(diǎn)是作業(yè)機(jī)械化程度高、秸稈處理時(shí)間短，是用機(jī)械對(duì)秸稈進(jìn)行簡(jiǎn)單處理的方法。秸稈還田直接經(jīng)濟(jì)效益相對(duì)較低，原因是除了還田作業(yè)必須與深耕和深翻配套實(shí)施外，一般還要求有配套的農(nóng)藝措施，如配施氮肥、墑情不足時(shí)造墑和加強(qiáng)病蟲(chóng)害防治等。若不實(shí)施深耕深翻等必要的輔助措施，秸稈在土壤淺層不能很快腐爛，又影響犁耕和旋耕作業(yè)，特別是不利于小麥的播種，導(dǎo)致播種質(zhì)量差，造成減產(chǎn)。實(shí)踐中，農(nóng)民多使用秸稈還田機(jī)將秸稈粉碎之后一燒了之，如此既達(dá)不到秸稈還田的目的，又增加了農(nóng)業(yè)成本，還污染了環(huán)境。所以，機(jī)械化秸稈還田的推廣要綜合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率與效益，把握推廣程度。

2.3 制造優(yōu)質(zhì)有機(jī)復(fù)合肥

用高新技術(shù)進(jìn)行菌種的培養(yǎng)和生產(chǎn)，用現(xiàn)代化設(shè)備控制溫度、濕度、數(shù)量、質(zhì)量和時(shí)間，經(jīng)機(jī)械翻拋、高溫堆腐、生物發(fā)酵等過(guò)程，將農(nóng)作物秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物轉(zhuǎn)換成優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥。其成本與尿素接近，具有自動(dòng)化程度高（生產(chǎn)設(shè)備1人即可操縱）、腐熟周期短（4～6 w時(shí)間）、產(chǎn)量高（每臺(tái)設(shè)備可年產(chǎn)肥料2萬(wàn)～3萬(wàn)t）、無(wú)環(huán)境污染（采用好氧發(fā)酵，無(wú)惡臭氣味）、科學(xué)配比肥效高等其他方法無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)。施用秸稈優(yōu)質(zhì)有機(jī)復(fù)合肥對(duì)于促進(jìn)土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化、改善土壤物理性質(zhì)、增強(qiáng)農(nóng)作物抗病能力和優(yōu)化農(nóng)田生態(tài)環(huán)境都有良好的效果。

3 用于能源建設(shè)

3.1 秸稈沼氣技術(shù)

秸稈沼氣技術(shù)以秸稈為發(fā)酵原料，在隔絕空氣并維持一定溫度、濕度、酸堿度等條件下，經(jīng)過(guò)沼氣細(xì)菌的發(fā)酵作用生產(chǎn)沼氣。沼氣是一種混合氣體，主要成分是甲烷，其次為二氧化碳、氧氣、氮?dú)夂土蚧瘹涞?。根?jù)處理工藝，沼氣發(fā)酵可分為干法和濕法發(fā)酵兩類(lèi)；另外從工程規(guī)模和利用方式上又可分為戶(hù)用秸稈沼氣和秸稈沼氣集中供氣工程兩類(lèi)。由于秸稈不易被厭氧微生物及酶直接利用，因此在發(fā)酵前需對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理。秸稈中的C/N比較高，在50以上，高于正常發(fā)酵所需的20～30，因此在發(fā)酵時(shí)需添加富含氮素的原料，如碳酸氫銨、尿素或動(dòng)物糞污等，以減少發(fā)酵啟動(dòng)時(shí)間，提高沼氣產(chǎn)量。生物質(zhì)秸稈的預(yù)處理方法大體上分為物理法、化學(xué)法、熱處理法和生物法四大類(lèi)。物理法主要是通過(guò)粉碎、揉絲、浸泡等方法，改變秸稈的外部形態(tài)或內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)；化學(xué)處理就是利用化學(xué)制劑（氫氧化鈉、氨水等）破壞秸稈細(xì)胞壁中半纖維素與木質(zhì)素形成的共價(jià)鍵，從而達(dá)到提高秸稈消化率的目的。此方法處理后秸稈中殘存的化學(xué)試劑可能對(duì)沼氣發(fā)酵產(chǎn)生抑制作用以及易引起環(huán)境的二次污染等問(wèn)題限制了其應(yīng)用。熱處理法目前應(yīng)用的主要是高壓水蒸氣爆破法，通過(guò)高壓水蒸氣爆破破壞秸稈結(jié)構(gòu)，提高秸稈利用率。該方法的處理成本較高，需要專(zhuān)用的設(shè)備，因而在推廣應(yīng)用中受到了限制。生物法主要是利用微生物對(duì)秸稈進(jìn)行預(yù)處理，主要包括以乳酸菌為核心的青貯方法，以降解木質(zhì)素的白腐真菌為核心的復(fù)合菌劑，以及利用沼液中的水解微生物對(duì)秸稈進(jìn)行堆漚等。生物法處理成本較低，條件溫和且無(wú)須專(zhuān)門(mén)的設(shè)備設(shè)施，處理效果較好，因而近年來(lái)受到極大的關(guān)注，在實(shí)踐中應(yīng)用較多。

3.2 秸稈的氣化技術(shù)

秸稈熱解氣化是指秸稈原料在缺氧狀態(tài)下發(fā)生熱化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為氣體燃料的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程。生物質(zhì)是由碳、氫、氧等元素組成的，當(dāng)生物質(zhì)原料在氣化爐中燃燒時(shí)，隨著溫度的升高，燃燒產(chǎn)生的氣體與赤熱的炭層反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為含一氧化碳、氫氣、甲烷等成分的可燃?xì)怏w。熱解氣化過(guò)程主要分為秸稈干燥、裂解反應(yīng)、氧化反應(yīng)、還原反應(yīng)4個(gè)階段。秸稈燃?xì)饨?jīng)冷卻、除塵、除焦等處理后，可供民用炊事、取暖、發(fā)電等使用。根據(jù)氣化工藝不同，秸稈氣化爐可分為固定床秸稈氣化爐和流化床氣化爐2種類(lèi)型。固定床氣化爐又可進(jìn)一步細(xì)分為固定床上吸式氣化爐和固定床下吸式氣化爐兩類(lèi)。固定床上吸式氣化爐進(jìn)料口位于爐體頂部，物料由爐頂加料口進(jìn)入爐內(nèi)，爐內(nèi)料層自上而下分別為干燥層、熱解層、還原層和氧化層；氣化劑由爐體底部的進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入爐內(nèi)參與氣化反應(yīng)。固定床下吸式氣化爐物料由爐頂加料口加入爐內(nèi)，氣化劑由爐體上部進(jìn)風(fēng)口和爐頂進(jìn)料口進(jìn)入爐內(nèi)，可燃?xì)怏w最終通過(guò)爐體下部排出。流化床氣化爐工藝中的流化床材料為精選過(guò)的惰性材料砂子，物料通過(guò)輸送攪龍進(jìn)入爐內(nèi)，爐底以較大壓力通入氣化劑，使?fàn)t內(nèi)呈沸騰、鼓泡等不同狀態(tài)，物料和氣化劑充分接觸，發(fā)生氣化反應(yīng)。該類(lèi)氣化爐具有受熱均勻、氣化反應(yīng)快、產(chǎn)氣率高、燃?xì)饨褂秃可俚葍?yōu)點(diǎn)，但其對(duì)秸稈物料大小要求嚴(yán)格，氣化爐結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可燃?xì)庵谢曳州^多，實(shí)踐中應(yīng)用較少。

3.3 秸稈發(fā)電技術(shù)

秸稈發(fā)電技術(shù)是以農(nóng)作物秸稈為原料的一種發(fā)電方式，根據(jù)秸稈利用方式的不同，主要有以下3種技術(shù)路線(xiàn): 秸稈直接燃燒發(fā)電、秸稈/煤混合燃燒發(fā)電、秸稈氣化發(fā)電。秸稈直接燃燒發(fā)電是指把秸稈原料送入鍋爐中直接燃燒產(chǎn)出高壓水蒸氣，通過(guò)汽輪機(jī)的渦輪膨脹做功，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。目前，秸稈直接燃燒發(fā)電技術(shù)主要有2類(lèi)，分別為水冷式振動(dòng)爐排燃燒發(fā)電技術(shù)和流化床燃燒發(fā)電技術(shù)。秸稈混合燃燒發(fā)電是指使用秸稈和煤的混合燃料進(jìn)行發(fā)電，秸稈混合燃燒方式主要有直接混合燃燒、間接混合燃燒和并聯(lián)燃燒3種方式。直接混合燃燒是指在秸稈預(yù)處理階段，將粉碎處理好的秸稈與煤粉在進(jìn)料的上游充分混合后，輸入鍋爐燃燒。間接混合燃燒是指先對(duì)秸稈進(jìn)行氣化，然后將秸稈燃?xì)廨斔椭铃仩t燃燒。并聯(lián)混合燃燒指秸稈在獨(dú)立的鍋爐中燃燒，將產(chǎn)生的蒸汽與傳統(tǒng)燃煤鍋爐產(chǎn)生的蒸汽一并供給汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組做功。秸稈氣化發(fā)電是指，首先使生物質(zhì)原料在缺氧狀態(tài)下發(fā)生熱化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為氣體燃料（一氧化碳、氫氣、甲烷），然后將轉(zhuǎn)化后的可燃?xì)怏w由風(fēng)機(jī)抽出，經(jīng)冷卻除塵、去焦油和雜質(zhì)后，供給內(nèi)燃機(jī)或者小型燃?xì)廨啓C(jī)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。目前秸稈氣化發(fā)電主要用于較小規(guī)模的發(fā)電項(xiàng)目。

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1004-5090（2017）10-0027-02

2017-08-29）