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的處理方式存在著“三低一重”的缺點,即秸稈利用率低、轉化率低、經濟效益低、環境污染嚴重。介紹了秸稈綜合利用技術的最新進展,包括腐熟還田技術、飼料轉化技術、能源化技術及秸稈在工業上的各種應用。認為農作物秸稈的綜合利用是保護生態環境、節約可再生資源的需要,也是緩解農村飼料、肥料、燃料和工業原料的緊張狀況、促進農業可持續發展的要求。
1、秸稈還田技術
利用多種形式的秸稈還田(表1),不僅可增加土壤有機質和速效養分含量,培肥地力,緩解氮、磷、鉀肥比例失調的矛盾;調節土壤物理性能,改造中低產田;形成土壤有機質覆蓋,抗旱保墑;還可以增加作物產量,優化農田生態環境。
2、秸稈利用現狀及存在的問題
近年我國糧食產區田間焚燒秸稈,污染環境,威脅飛機起降,影響車輛行駛,已成為一大社會問題。為此國家有關部門做了大量的工作,加大研究各種秸稈綜合利用技術[5],建設各種秸稈利用示范工程,并采取禁燒秸稈管理措施,加大執法力度,雖取得一些成效,但目前焚燒秸稈行為仍很嚴重。目前存在的秸稈問題一是廢棄量逐年增加,據2000年統計資料表明全國年產農作物秸稈量為6.48億噸,其中以玉米、小麥和稻谷秸稈為主,占總秸稈產量的80%。每年秸稈用于造肥、機械還田和用作飼料、工業原料及種植基料等總消耗量為2.96億噸,占總秸稈產量的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。二是區域不均衡,秸稈年產量最多為華東地區(1.85億噸),其次為華南地區(1.47億噸)、東北地區(1億噸)、華北地區(0.91億噸)、西南地區(0.79億噸)、西北地區(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。三是時間不均衡,焚燒秸稈發生在收獲期與下次播種期之間,時間短,處理量大,有的地方必須在幾天內“處理”掉秸稈,滿山遍野秸稈只有付之一炬。四是焚燒秸稈地區經濟較發達,農民生活水平較高,寧肯買液化氣也不愿用秸稈做燃料,而城鄉結合部和農村規劃小區秸稈廢棄問題尤為嚴重。
就其物質屬性而言,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質飼料。機械設備可以歸納為
顆粒機，
秸稈顆粒機，
秸稈壓塊機，飼料顆粒機，秸稈粉碎機等隨著我國肉、奶制品生產量的增加,對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酵為有機肥。廣泛利用化肥后,這種傳統漚肥逐漸減少。近年來秸稈大量過剩的地區實行秸稈機械化還田(粉碎撒于田間),其秸稈消耗量占總秸稈量的15%左右。而秸稈還田技術中最理想的是“秸稈消化”技術,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、礦物質形成良性循環。但秸稈還田也有很大局限性,我國人多地少,耕地不能實行輪作休耕制,連續耕種,將未發酵腐爛的干枯秸稈埋于農田中非但起不到肥田作用,反而影響作物出苗率,實際應用中秸稈機械化還田在很多地方已被放棄。五是秸稈用作燃料,目前全國廣大農村仍主要用秸稈作燃料。國內頻頻出現“秸稈焚燒問題”后,有關部門試圖采取生物能轉化技術以提高燃料質量,進而提高使用秸稈作燃料的積極性。
自“七五”開始國家有關部門加大了這方面的工作力度,相繼建立了幾百個秸稈氣化示范點。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氣,供農民生活用氣;二是干餾熱解法,即將秸稈在熱解爐中進行隔絕空氣干餾,獲得以CH4,H2為主的中熱值可燃氣,供農民生活用氣,同時獲得人造木炭和木焦油等工業產品;三是氣化發電法,即將秸稈氣化獲得可燃氣,再通過燃氣發電機發電。秸稈氣化技術是一種很好的生物質能轉化技術[6],為“消化”秸稈的好方法,但目前農村建設供100～200戶管道燃氣的秸稈氣化系統存在很多問題。一是用秸稈制造燃氣和用煤制造煤氣其技術本質沒有區別,某個城市能否建設煤氣供應系統不是取決于是否有原料,而是取決于該城市的經濟發展和財政收入狀況及市民文化物質水平的高低等因素[7],而農村建設人工燃氣管道供應系統也未嘗不是這些因素所決定的。目前我國農村仍屬低水平、不全面的小康型,有些地區尚未達到溫飽型,故在相當長的歷史時期內居住分散、生活水平較低的農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氣。經過對許多農村的調查表明,農民保證吃、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,這說明廣大農村目前對管道燃氣需求尚未達到相當迫切程度。沒有農民自身的積極性,僅靠國家補貼在農村建設管道燃氣是不可取的,且由于財力有限,國家的補貼也有限,目前所建的秸稈氣化供氣系統投資都偏低,造成建設質量隱患很多,全國所建設的幾百個秸稈氣化站完全符合燃氣建設技術規范的并不多。有些地方和部門雖為推廣秸稈氣化而制定了部門標準、地方標準,使其氣化系統“合法化”,但降低了上百年總結出來的技術標準,只能是“削足適履”,其隱患不除,事故必將不斷出現且不可能保證長期安全運行。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200戶的秸稈氣化站每年僅消耗400t秸稈,全國幾百個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部門推行秸稈氧化氣化路線,該路線設備簡陋且生產的燃氣熱值低和雜質多,根本達不到國家民用燃氣標準,又多在虧損無經濟效益下運行,目前全國共建小氣化站700多個,投入資金3億多元,但大部分都已停產或報廢。目前秸稈利用仍未跳出“農業問題”的誤區,采取小農意識的做法是解決不了秸稈過剩、焚燒秸稈污染環境的社會問題。
3、秸稈綜合利用技術
3.1 秸稈飼料技術
秸稈中含量較高的粗纖維(約占秸稈干物質的20%～50%[8]),限制了瘤胃中的微生物和消化酶對細胞壁內溶物的消化作用,導致秸稈適口性和營養性差,無法被動物高效地吸收利用。因此,開發和利用秸稈飼料資源,提高其利用率和營養價值勢在必行。在實踐中,秸稈飼料的加工調制方法一般可分為物理處理、化學處理和生物處理3種[9]。這些處理方法各有其優缺點。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價值。化學處理法可以提高秸稈的采食量和體外消化率,但也容易造成化學物質的過量,且使用范圍狹窄、推廣費用較高。生物處理法可以提高秸稈的營養價值,但要求技術較高,處理不好,容易造成腐爛變質。
3.2 秸稈能源化技術
秸稈的能源密度為13～15mgkg,作為主要生活燃料,其能源化用量占農村生活用能的30%～35%。現行主要的秸稈能源化利用技術有秸稈直燃供熱技術、秸稈氣化集中供氣技術、秸稈發酵制沼技術、秸稈壓塊成型及炭化技術等。
3.2.1 秸稈直燃供熱技術
作為傳統的能量轉換方式,直接燃燒具有經濟方便、成本低廉、易于推廣的特點,可在秸稈主產區為中小型企業、政府機關、中小學校和相對比較集中的鄉鎮居民提供生產、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、發電或熱電聯產[10]。我國秸稈直燃供熱技術起步較晚,適合我國農村特點的、運行費用低于燃煤鍋爐的小型秸稈直燃鍋爐的研究正加緊進行。
3.2.2 秸稈氣化集中供氣技術
秸稈氣化是高品位利用秸稈資源的一種生物能轉化方式。經適當粉碎后,秸稈在氣化裝置內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%。燃氣經降溫、多級除塵和除焦油等凈化和濃縮工藝后,由羅茨風機加壓送至儲氣柜,然后直接用管道供用戶使用[11]。秸稈氣化集中輸供系統通常由秸稈原料處理裝置、氣化機組、燃氣輸配系統、燃氣管網和用戶燃氣系統等五部分組成,供氣半徑一般在1km之內,可供百余戶農民用氣。目前全國已有380余處秸稈氣化集中供氣示范點,僅山東就有170余處。秸稈氣化經濟方便、干凈衛生,在小康村鎮建設中廣受歡迎。但大規模推行秸稈制氣還需解決氣化系統投資偏高,燃氣熱值偏低,以及燃氣中氮氣與焦油含量偏高等問題。
3.2.3 秸稈發酵制沼技術
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下,通過PVC管道供應農家,用于炊事、照明、果品保鮮等,或加工成動力燃料和甲醇等,做雙料發動機燃料。秸稈可直接投入沼氣池,也常用做牲畜飼料,轉化成糞便進入沼氣池。池中秸稈、人畜糞便和水的配比一般為1∶1∶8,在產沼過程中,需定期投入發酵基質及清理沼渣。實踐表明:一個3～5口人的家庭,建一口8～10m3的沼氣池,年產300～350m3的沼氣,可滿足一日三餐和晚間的照明用能[13]。因此,秸稈制沼不僅可優化農村能源結構,節約不可再生能源的消耗,還具有良好的經濟、環境和生態效益。
3.2.4 秸稈壓塊成型及炭化技術
秸稈的基本組織是纖維素、半纖維素和木質素,它們通常在200～300℃下軟化,將其粉碎后,添加適量的粘結劑和水混合,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一步加工處理成為具有一定機械強度的“生物煤”。秸稈成型燃料容重為112～114gcm3,熱值為14～18MJkg,具有近似中質煙煤的燃燒性能,且含硫量低,灰分小。其優點有:(1)制作工藝簡單,可加工成多種形狀規格,體積小,貯運方便;(2)品位較高,利用率可提高到40%左右;(3)使用方便,干凈衛生,燃燒時污染極小;(4)除民用和燒鍋爐外,還可用于熱解氣化產煤氣、生產活性炭和各類“成型”炭。
3.3 秸稈的工業應用
3.3.1 生產可降解的包裝材料
用麥秸、稻草、玉米秸、葦稈、棉花稈等生產出的可降解型包裝材料,如瓦楞紙芯、保鮮膜、一次性餐具、果蔬內包裝襯墊等,具有安全衛生、體小質輕、無毒、無臭、通氣性好等特點,同時又有一定的柔韌性和強度,制造成本與發泡塑料相當,而大大低于紙制品和木制品。在自然環境中,一個月左右即可全部降解成有機肥。
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,進行機械攪拌、擠壓成型、恒溫固化,可制得高質量的輕質建材,如秸稈輕體板、輕型墻體隔板、粘土磚、蜂窩芯復合輕質板等,這些材料成本低、重量輕、美觀大方,且生產過程中無污染,因此廣受用戶歡迎。目前,秸稈在建材領域內的應用已相當廣泛,秸稈消耗量大、產品附加值高,又能節約木材,很有發展前景。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 生產工業原料
玉米秸、豆莢皮、稻草、麥秸、谷類秕殼等經過加工所制取的淀粉,不僅能制作多種食品與糕點,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,然后經化學改性、提純等工序制得羧甲基纖維素產品,成本降低了20%。張啟峰等[15]將玉米秸稈經過預處理、水解、凈化、催化氫化、濃縮和結晶等步驟所制取的木糖醇,其質量可達到食品級標準。劉俊峰等[16]以稻草和麥稈為原料,用復合添加法制取了糠醛,出醛率達理論出醛率的70%～80%,廢渣全部變為中性復合肥料。秸稈酸、堿水解發酵制酒精的工藝條件苛刻,對設備有腐蝕,運行成本高,而秸稈酶解發酵酒精選擇性強,且較化學水解條件溫和,目前國內外的研究已有一定進展[17]。
3.3.4 秸稈用于編織業
秸稈用于編織業最常見、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、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,深受國內外消費者的喜愛,因而已經成為一條效益很好的創匯渠道。
4、結論和建議
目前秸稈的綜合利用技術,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、優質生物煤、高蛋白飼料、輕質建材和易降解包裝材料、有價工業原料及高附加值工藝品等方向發展。從農業生態系統能量轉化的角度來分析,單純采用某一種利用方式,秸稈能量轉化率和利用率會受到限制。因此,根據各類秸稈的組成特點,因地制宜,把其中幾種方法有機地組合起來,形成一種多層次、多途徑綜合利用的方式,從而實現秸稈利用的資源化、高效化和產業化是未來生態農業發展的必然趨勢。
