生物秸稈處理技術(shù)綜述

代亞平

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作廣東中心，廣東 廣州 510000）

秸稈是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的剩余物，秸稈的有機(jī)物質(zhì)包括粗纖維和無(wú)氮浸出物。粗纖維是多聚糖，是一種復(fù)雜化合物，不溶于有機(jī)溶劑和水。無(wú)氮浸出物的主要成分是半纖維和聚糖醛酸，半纖維是碳水化合物。通過(guò)對(duì)秸稈的組成成分進(jìn)行分析可知，秸稈主要是由復(fù)雜的碳水化合物，以及纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等構(gòu)成。秸稈的營(yíng)養(yǎng)成分受秸稈成熟度的影響，成熟度越高，其飼用價(jià)值越??；其飼用價(jià)值還與秸稈的種類和部位有關(guān)，如其葉比莖的飼用價(jià)值高，高粱秸的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值優(yōu)于玉米秸，玉米秸的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高于稻秸和麥秸。秸稈中的粗纖維難以被動(dòng)物消化分解，木質(zhì)素還會(huì)抑制微生物的活性，降低飼料中其他養(yǎng)分的消化率，木質(zhì)素含量越高，秸稈的消化能和代謝能越低。秸稈中含有的 N、P、K、Mg、Ca、S 等元素是農(nóng)作物生長(zhǎng)所必須的營(yíng)養(yǎng)元素，因此，秸稈也可以作為生物肥料，還田時(shí)可以補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)元素，對(duì)改良土壤有著積極作用，用于農(nóng)作物肥料時(shí)可以代替普通化學(xué)肥料，減少生產(chǎn)成本的同時(shí)，還能維護(hù)生產(chǎn)田地的肥力和生長(zhǎng)環(huán)境。

生物秸稈涉及農(nóng)業(yè)、農(nóng)村和農(nóng)民問(wèn)題，也涉及環(huán)境保護(hù)、水土保持、資源利用以及土壤問(wèn)題。正因?yàn)榻斩挼膬r(jià)值功效，多年來(lái)，對(duì)秸稈利用的研究層出不窮。隨著社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展，農(nóng)業(yè)問(wèn)題急需轉(zhuǎn)型，作為農(nóng)業(yè)產(chǎn)物的秸稈，其處理與利用也面臨著巨大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的直接焚燒排放方式不但浪費(fèi)資源而且污染環(huán)境，已經(jīng)不能滿足當(dāng)代社會(huì)的需求。因而一種環(huán)保且可持續(xù)的處理方法應(yīng)運(yùn)而生。關(guān)于秸稈的成分、利用價(jià)值、能源化利用的研究已經(jīng)非常成熟，目前關(guān)于秸稈的利用還有利用秸稈參與一些環(huán)境修復(fù)和污染治理方面的研究，還有一些研究者研究秸稈的裝飾功效，將秸稈這一來(lái)源于自然的生物產(chǎn)物用于現(xiàn)代化裝飾理念中，從而提升了秸稈的應(yīng)用價(jià)值。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)后需要對(duì)秸稈進(jìn)行處理，目前有多種針對(duì)生物秸稈的處理方法。早期對(duì)秸稈的處理方法有填埋、就地燃燒，該方法的優(yōu)勢(shì)是操作簡(jiǎn)便，但填埋方法占用大量土地，就地燃燒產(chǎn)生的廢氣直接排放污染大氣；在焚燒爐內(nèi)焚燒秸稈，可以回收利用焚燒產(chǎn)生的熱量，但僅僅回收熱量性價(jià)比相對(duì)較低，且還需要配備專門(mén)的廢氣治理設(shè)備。隨后興起使秸稈轉(zhuǎn)廢為寶的方法，將秸稈作為資源加以利用，包括加工飼料、生物降解、氣化等，使秸稈生物降解后的產(chǎn)物可以作為肥料用于還田，可以在大棚種植中加以利用，而氣化秸稈產(chǎn)生的有機(jī)氣體可以作為化工原料，也可以制作清潔能源，產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。由于秸稈的特別成分，利用價(jià)值高，本文對(duì)多種利用方向進(jìn)行介紹和總結(jié)，并對(duì)優(yōu)劣進(jìn)行比較，以及對(duì)相關(guān)方向的專利申請(qǐng)所涉及的技術(shù)進(jìn)行介紹。

1 秸稈的處理方法

1.1 焚燒

秸稈具有可燃的特點(diǎn)，自古以來(lái)就作為燃料為人們?nèi)粘Ｉ钏褂?，因此，?dāng)生產(chǎn)和生活水平提高，新的燃料替代原始燃料時(shí)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的過(guò)量秸稈便成為一種需要處理的廢料。早期，人們根據(jù)秸稈可燃的屬性通過(guò)就地燃燒的方式來(lái)處理，直接將秸稈堆放在田地，點(diǎn)燃秸稈燃燒。此種處理方式是最簡(jiǎn)單的，可以迅速實(shí)現(xiàn)減容減量的目的，燃燒后的產(chǎn)物是灰燼，灰燼可以就地掩埋或堆放，成為土地的一部分，也避免了需要再次處理的麻煩?？煞贌慕斩捲诮?jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)時(shí)期還作為農(nóng)戶的柴薪，在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)具有重要的作用和價(jià)值。

但是燃燒秸稈產(chǎn)生的煙氣攜帶大量的煙霧顆粒及未充分燃燒產(chǎn)生的氣體，形成聚集性的污染源，不但嚴(yán)重污染環(huán)境，而且降低空氣能見(jiàn)度，妨害交通安全，同時(shí)，大量燃燒產(chǎn)生火源也具有火災(zāi)的隱患。因此，總體來(lái)說(shuō)，焚燒秸稈弊大于利，且沒(méi)有實(shí)現(xiàn)資源的合理利用，不符合可持續(xù)發(fā)展的理念和要求。但是基于其便于處理的優(yōu)勢(shì)，目前針對(duì)焚燒這一方法衍生出多種解決途徑，比如目前關(guān)于焚燒的發(fā)明專利申請(qǐng)集中在關(guān)于焚燒裝置的改進(jìn)，對(duì)焚燒后產(chǎn)生的廢氣進(jìn)行處理后排放，將焚燒產(chǎn)生的熱量進(jìn)行進(jìn)一步利用等。比如發(fā)明專利“申請(qǐng)一種移動(dòng)式一體化生物質(zhì)秸稈綜合利用裝置”[1]改進(jìn)焚燒裝置的結(jié)構(gòu)，一方面提高裝置使用的便利性，一方面將排出的煙氣通過(guò)煙氣凈化系統(tǒng)，產(chǎn)生的蒸汽用于發(fā)電，降低了秸稈處理的成本，且解決了廢氣污染的問(wèn)題；“一種移動(dòng)式秸稈資源化焚燒處理系統(tǒng)”[2]將秸稈收拾結(jié)構(gòu)和秸稈焚燒結(jié)構(gòu)統(tǒng)一為整體，收拾結(jié)構(gòu)與生物質(zhì)鍋爐進(jìn)料口連接，生物質(zhì)鍋爐上端出口與尾氣處理系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化進(jìn)料和排渣，就地焚燒秸稈，煙氣達(dá)標(biāo)排放，灰渣直接還田，充分實(shí)現(xiàn)了秸稈的資源化處理。

1.2 肥料

生物秸稈中含有大量的有機(jī)質(zhì)、N、P、K和微量元素，根據(jù)成分分析可知，其與環(huán)境的相容性是非常高的，且這些成分也是植物生長(zhǎng)所必須的，因此，秸稈可以作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的有機(jī)肥源加以利用。利用秸稈還田可以提高土壤的有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤板結(jié)，增強(qiáng)土壤的松散度，增加透水性、透氣性和蓄水性能。秸稈作為原料生產(chǎn)的生物肥料，肥效更高，與土壤的結(jié)合性更好，可以減少化肥的使用量，也可以改善使用化肥對(duì)土壤的不利影響，對(duì)環(huán)境更加友好。秸稈作為肥料，對(duì)促進(jìn)土地的循環(huán)利用具有積極作用，可以提高土地的可持續(xù)利用能力。

秸稈還田一般采取直接還田的方法，可以將整株直接拋棄在田地，也可以粉碎加工后施加在田間。也有將秸稈堆肥腐熟，利用微生物的作用產(chǎn)生有機(jī)肥熟料，且將其與畜禽糞便等混合后加工成有機(jī)肥，腐熟加工后的有機(jī)肥具有更優(yōu)質(zhì)的肥力，品質(zhì)更好，可以用于專門(mén)食物糧作的栽培，大大提升產(chǎn)量并改善蔬果的品質(zhì)，被用作大規(guī)模集中農(nóng)業(yè)中，且可以充分利用秸稈和糞便各自的優(yōu)劣實(shí)現(xiàn)更好地還田，特別是在北方地區(qū)，利用秸稈還田的面積逐年擴(kuò)大?，F(xiàn)有的發(fā)明專利申請(qǐng)“一種秸稈還田的耕作方法”[3]即公開(kāi)用于作物秸稈還田，通過(guò)在作物耕地輪流依序挖1 m寬深溝深埋秸稈混合糞便發(fā)酵7年充分腐熟為腐殖質(zhì)后挖出，7年一個(gè)循環(huán)，操作簡(jiǎn)單，不占用場(chǎng)地，且解決了糞便攜帶蟲(chóng)卵的問(wèn)題。常見(jiàn)的還有用于食用菌的栽培，操作方便，還能為農(nóng)民增收提供途徑。

直接利用秸稈還田是相對(duì)比較傳統(tǒng)的利用方式，而將秸稈腐熟加工成有機(jī)肥熟料是更加符合現(xiàn)代要求的方式，且隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，大棚種植和綠色種植的大規(guī)模發(fā)展，對(duì)于此種有機(jī)肥熟料的需求凸顯，其已經(jīng)發(fā)展成為一種規(guī)模化的處理方式。

秸稈生物降解是一項(xiàng)提高秸稈還田肥力的有效方法。選擇可以降解秸稈中纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、蛋白質(zhì)等成分的細(xì)菌、真菌，將有機(jī)大分子進(jìn)行部分或完全分解，可以進(jìn)一步提高農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)和產(chǎn)量，是綠色工程的一部分，而且可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，為農(nóng)業(yè)調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)提供思路。最近的發(fā)明專利申請(qǐng)集中在對(duì)降解條件的控制以分解為目標(biāo)有機(jī)物方面。

1.3 加工飼料

農(nóng)作物秸稈具有一定的植物營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，可直接飼養(yǎng)動(dòng)物，秸稈作為動(dòng)物飼料是一種古老且傳統(tǒng)的喂養(yǎng)食料。可以直接將秸稈喂養(yǎng)動(dòng)物，也可以切段后喂養(yǎng)。然而，一些秸稈老化后不利于動(dòng)物咀嚼，一些秸稈粗纖維不利于消化，這些弊端均影響了秸稈的可食用性和吸收性，因此，需要對(duì)秸稈進(jìn)行處理，以便提高秸稈的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，以符合現(xiàn)代飼養(yǎng)的需求。

在新式動(dòng)物規(guī)模飼養(yǎng)中，通常將秸稈進(jìn)行再加工以提高飼料的營(yíng)養(yǎng)，常用的方法有青貯、黃化、氨化及糖化，可以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)加工。加工腐熟過(guò)的秸稈原料具有熟香味，可以促進(jìn)動(dòng)物食欲，提高動(dòng)物的采食，利于動(dòng)物的生長(zhǎng)，對(duì)大規(guī)模養(yǎng)殖具有重大意義。不但實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的廢物利用，而且實(shí)現(xiàn)秸稈的商品化和市場(chǎng)化，為新農(nóng)業(yè)注入活力。發(fā)明專利申請(qǐng)“一種秸稈厭氧發(fā)酵飼料包及其制作方法”[4]，通過(guò)將粉碎后的秸稈裝入可密封的包裝袋，秸稈在封閉的包裝袋內(nèi)厭氧發(fā)酵成飼料以便于養(yǎng)殖，此種處理降低了操作難度，且實(shí)現(xiàn)秸稈到飼料的簡(jiǎn)易轉(zhuǎn)變。類似此種對(duì)秸稈進(jìn)行處理后再喂養(yǎng)的處理工藝層出不窮，大都集中在提高秸稈營(yíng)養(yǎng)的吸收、促進(jìn)動(dòng)物食用量上，也有一些集中在如何延長(zhǎng)飼料的保存周期方面。

1.4 氣化

秸稈作為燃料，早期用于生產(chǎn)沼氣，既可以集中生產(chǎn)，也可以到戶生產(chǎn)，技術(shù)成熟，有專門(mén)的配套設(shè)備，且操作實(shí)施簡(jiǎn)單，從生產(chǎn)到使用過(guò)程也非常簡(jiǎn)單。早些年提倡每家每戶建立沼氣池，實(shí)現(xiàn)自給自足，不但可以消耗秸稈，而且可以利用養(yǎng)殖廢棄物，但也存在一定弊端，家庭沼氣池的生產(chǎn)原料來(lái)源受限，供給量不足，容易出現(xiàn)在利用過(guò)程中突然燃?xì)庵袛嗟默F(xiàn)象，影響沼氣的可持續(xù)利用。

秸稈氣化是將秸稈粉碎加工后，在熱解氣化爐中將秸稈轉(zhuǎn)化為小分子化學(xué)產(chǎn)品的過(guò)程。最早的中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)“秸稈利用的方法與裝置”[5]公開(kāi)將秸稈熱分解氣化后，可生產(chǎn)活性炭、炭黑及電力，還可以生產(chǎn)其他化工產(chǎn)品，可以產(chǎn)生一氧化碳、二氧化碳、水、氫氣、氣化焦油。通過(guò)氣化的方法可以將大分子的有機(jī)物分解為低分子量的物質(zhì)，可以控制氣化的溫度、壓力等條件，根據(jù)實(shí)際需求分解成不同的成分，特別是分解成可以供后續(xù)化工制備利用的小分子有機(jī)物，也即是將秸稈氣化后可以生產(chǎn)化工原料氣，將難以有效利用的廢棄物轉(zhuǎn)化為可以加工利用的化工成分，大大增加了化工原料的來(lái)源，且變廢為寶，擴(kuò)大了生物廢棄物的用途，為農(nóng)業(yè)的進(jìn)一步擴(kuò)展和農(nóng)民的增收提供了途徑。秸稈氣化是一種非常有價(jià)值的處理方法，可以通過(guò)控制氣化的條件，比如溫度、壓力、水分含量等參數(shù)來(lái)控制產(chǎn)物的種類，結(jié)合實(shí)際需求通過(guò)氣化產(chǎn)生不同的氣體，且這些氣體作為中間產(chǎn)物，可以進(jìn)一步投入到化工產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝中，為化學(xué)工藝供給原料，可以實(shí)現(xiàn)零排放，使得秸稈的價(jià)值得到最大化利用。

1.5 其他利用

由于秸稈生物質(zhì)含量高，可回收再利用價(jià)值高，針對(duì)秸稈的利用研究廣泛。

作為造紙?jiān)?。早期造紙技術(shù)中需要用到大量的樹(shù)木，隨著對(duì)秸稈纖維成分的研究，將秸稈補(bǔ)充到造紙工藝中已經(jīng)是一項(xiàng)成熟且傳統(tǒng)的技術(shù)。

制作生物炭用于環(huán)境修復(fù)。如發(fā)明專利申請(qǐng)“一種改性生物炭及其修復(fù)土壤重金屬污染的方法”[6]，研究了玉米秸稈的炭化和用于修復(fù)環(huán)境的方案，首先將秸稈炭化，且通入二氧化碳?xì)怏w改性得到改性后的生物炭，將其研磨得到改性生物炭粉，利用該粉末吸附污染土壤中的重金屬，試驗(yàn)證明改性生物炭具有極強(qiáng)的污染物吸附能力?！耙环N秸稈生物炭制作的礦山修復(fù)專用花缽制備方法”[7]也是先將秸稈粉碎后制成生物炭，然后用于修復(fù)礦山，實(shí)現(xiàn)很好的廢物利用，且保護(hù)了環(huán)境。

用于美學(xué)裝飾。隨著現(xiàn)代設(shè)計(jì)理念回歸自然的樸素思想，秸稈作為一種可利用的生物質(zhì)具有一定的造型，因此將秸稈藝術(shù)化利用已經(jīng)為廣大美學(xué)設(shè)計(jì)者充分采納。隨著秸稈的美學(xué)價(jià)值被挖掘，其在文化鄉(xiāng)建、產(chǎn)業(yè)鄉(xiāng)建、藝術(shù)鄉(xiāng)建中的創(chuàng)新利用已經(jīng)日趨廣泛。例如利用秸稈纖維為原料加工纖維密度板、飾品等產(chǎn)品，用秸稈作為室內(nèi)墻體裝飾的工藝造型等均是利用了秸稈的美學(xué)價(jià)值。

利用秸稈作為包裝材料、建材均是對(duì)秸稈價(jià)值的充分開(kāi)發(fā)和挖掘。

2 結(jié)束語(yǔ)

關(guān)于秸稈的處理方法很多，包括焚燒、生物利用、轉(zhuǎn)化后用于環(huán)境修復(fù)等，各種方法均具有其相應(yīng)的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。焚燒的劣勢(shì)在于沒(méi)有充分挖掘秸稈的利用價(jià)值，浪費(fèi)資源，但優(yōu)勢(shì)在于可以批量處理，能即時(shí)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的減量。生物利用的優(yōu)勢(shì)在于充分利用秸稈的有機(jī)物，為動(dòng)物提供所需的有機(jī)質(zhì)和微量元素，為植物生長(zhǎng)提供所需的能量，且為土地提供更加綠色的肥料。轉(zhuǎn)化后用于環(huán)境修復(fù)充分利用秸稈的可炭化性，產(chǎn)生的生物炭吸附性能好，具有較好的環(huán)境修復(fù)功能。目前也有一些研究關(guān)注秸稈的美學(xué)功能，利用其來(lái)源于自然，與追求自然美的美學(xué)價(jià)值相一致的優(yōu)勢(shì)，擴(kuò)大秸稈的利用價(jià)值。