稻/麥秸稈資源化利用研究現(xiàn)狀?

王 健 吳義強(qiáng) 李賢軍 左迎峰

（1.中南林業(yè)科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.農(nóng)林生物質(zhì)綠色加工技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410004；3.湖南省農(nóng)林工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究總院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

2016 年我國(guó)可用耕地約1.07 億hm2，占世界耕地面積的7%[1]，每年產(chǎn)生大量農(nóng)作物秸稈。據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織（FAO）統(tǒng)計(jì)，2012 年全球秸稈總產(chǎn)量為50.81 億t，其 中，秸 稈 產(chǎn) 量 超 過0.50 億t的15 個(gè) 國(guó) 家（除中國(guó)外），其合計(jì)秸稈總產(chǎn)量為28.75 億t，占全球的56.58%；中國(guó)秸稈總產(chǎn)量為9.40 億t，占全球秸稈總產(chǎn)量的 18.50%[2]。本文對(duì)稻、麥秸稈的理化性能進(jìn)行介紹，簡(jiǎn)要分析了國(guó)內(nèi)外在秸稈傳統(tǒng)應(yīng)用、能源轉(zhuǎn)化和工業(yè)生產(chǎn)方面的研究進(jìn)展，旨在為我國(guó)秸稈綜合利用管理提供理論支持。

1 稻/麥秸稈理化性質(zhì)

稻、麥?zhǔn)遣荼局参铩５径捀?0～100 cm，直徑約為4 mm，稈壁厚約1 mm；麥稈則由節(jié)和節(jié)間組成，地上節(jié)間一般為4～6 個(gè)，節(jié)高度為29～97 cm，稈直徑為2～4 mm，壁厚0.3～0.7 mm，莖桿表皮光滑堅(jiān)實(shí)、潤(rùn)濕性差[3]。稻、麥秸稈均是一種含纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、灰分等物質(zhì)的復(fù)雜天然復(fù)合物，二者有著諸多相似之處。以結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜的稻稈為例，其表皮掃描電鏡和能譜如圖1 所示，由圖可見其外表皮上存在許多顆粒物，而內(nèi)表皮相對(duì)平整。通過原子百分比可以初步判斷外表皮顆粒物主要成分為含硅化合物[4]，這些物質(zhì)可增強(qiáng)植物的機(jī)械強(qiáng)度，起到天然的“機(jī)械或物理屏障”作用[5]。

圖1 稻秸稈外表皮（a）和內(nèi)表皮（b）的電鏡與能譜圖Fig.1 SEM and EDS of the external surfaces (a) and inner surfaces (b) of rice straw

稻秸稈橫截面的構(gòu)造如圖2 所示[6]，稻秸稈的葉鞘和莖稈在橫截面上呈內(nèi)外環(huán)狀分布，其中葉鞘（圖2b）是由表皮組織、薄壁組織和維管束構(gòu)成的疏松結(jié)構(gòu)；莖稈（圖2c）則是由表皮組織、薄壁組織、維管束以及機(jī)械組織構(gòu)成的規(guī)整結(jié)構(gòu)。如Halvarsson等[7]所述，稻麥秸稈具有比木質(zhì)更為復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)，其細(xì)胞尺寸和類型多變，同時(shí)纖維更短、細(xì)胞壁更薄，這些都影響了秸稈中各種組分的占比，進(jìn)而影響其相關(guān)應(yīng)用。表1～3[8-10]分別顯示了稻、麥秸稈的化學(xué)組份、元素成分以及纖維尺寸。

圖2 稻秸稈橫截面的構(gòu)造Fig.2 Ultrastructure of rice straw in transverse section

表1 秸稈纖維的化學(xué)組份Tab. 1 Chemical composition of straw fibers/%

表2 稻、麥秸稈纖維成分分析Tab. 2 Elemental analysis of rice and wheat straw fibers

表3 稻、麥秸稈纖維尺寸Tab. 3 Dimensions of rice and wheat straw fibers

2 稻/麥秸稈傳統(tǒng)利用方式

2.1 秸稈制備草木灰

草木灰是植物燃燒后的殘余物，含有鉀、鈣、磷、硅、硫、鎂、硼、鋅等多種營(yíng)養(yǎng)元素（其中鉀、鈣、磷占比較多），主要成分如表4 所示，是一種優(yōu)質(zhì)農(nóng)家肥[11]。

表4 常見草木灰主要成分Tab. 4 Main components of common plant ash/%

在農(nóng)林業(yè)中，草木灰可以促進(jìn)種子發(fā)芽，促進(jìn)生根，防止落葉，具有改善品質(zhì)，抑制病蟲害和提高果樹抗旱性等作用[12]；此外，草木灰還被用于洗滌祛油和簡(jiǎn)易消毒劑的生產(chǎn)等[13]。然而以往我國(guó)農(nóng)村草木灰的生產(chǎn)，主要依賴于廚房用火和田間焚燒，但這會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的空氣污染[14]。

2.2 秸稈還田

孫偉紅等[15-17]就秸稈還田對(duì)土壤肥力和作物生長(zhǎng)影響問題進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)合理的還田對(duì)農(nóng)田具有良好的生態(tài)效應(yīng)。當(dāng)前秸稈還田按處理方式可以分為間接還田和直接還田，間接還田主要包括堆漚還田（秸稈就地堆制，采用菌劑腐熟秸稈，制作有機(jī)肥料）、過腹還田[18]（秸稈作飼料，將動(dòng)物消化吸收后的糞便施入土壤，此法最具生態(tài)性）、處理后殘?jiān)€田（以秸稈用于其他用途后的無害化殘?jiān)鳛榛蔬€田）和就地焚燒。直接還田有很多優(yōu)點(diǎn), 如人工成本低，能有效增加土壤有機(jī)質(zhì)和促進(jìn)土壤生物活性，利于防止風(fēng)蝕與水蝕以及改善土壤物理結(jié)構(gòu)等[19]。但微生物在分解作物秸稈時(shí)，需要吸收一定的氮營(yíng)養(yǎng)，造成與作物爭(zhēng)氮，影響作物生長(zhǎng)[20]。

2.3 秸稈作飼料

當(dāng)前牛、羊、雞等家畜多以糧食添加部分營(yíng)養(yǎng)成分后作為飼料，但這些飼料不僅成本高、加工復(fù)雜，同時(shí)還會(huì)消耗大量糧食[21]。近年來隨著農(nóng)副產(chǎn)品的價(jià)格上漲，以糧食為主的飼料成本將進(jìn)一步提高，開發(fā)非糧食類飼料已逐漸成為大趨勢(shì)。以常用作飼料的秸稈為例，其營(yíng)養(yǎng)成分如表5[22]所示。

表5 不同秸稈的營(yíng)養(yǎng)成分Tab. 5 Nutritional components of diあerent straws /%

由表5 可知，秸稈中普遍粗纖維含量高，而粗蛋白、粗脂肪、糖類含量低，是一種不適合直接喂食的劣質(zhì)飼料。因此對(duì)秸稈進(jìn)行相關(guān)處理，使其中所含纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等降解和轉(zhuǎn)化，以提高其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值是必然選擇[23]。單洪濤[24-25]等經(jīng)驗(yàn)證指出，秸稈處理能有效提高其飼料用價(jià)值。

3 稻/麥秸稈能源化利用

3.1 秸稈氣化應(yīng)用——?dú)鈶B(tài)生物燃料

沼氣是有機(jī)質(zhì)在厭氧條件下，經(jīng)微生物發(fā)酵而生成的一種混合氣體。有機(jī)質(zhì)經(jīng)水解、酸化后逐漸產(chǎn)生以甲烷（20%～80%）、二氧化碳（20%～40%）和氮?dú)猓?%～5%）等為主的混合物，其中主要成分甲烷是一種很好的清潔燃料，純甲烷的發(fā)熱量為34 000 kJ/m3，相當(dāng)于0.7 kg無煙煤提供的熱量[26]。

歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家將屠宰場(chǎng)、肉類加工廠、城市污水及有機(jī)垃圾處理廠相結(jié)合形成工業(yè)化的沼氣工程，同時(shí)還培育了專用于沼氣生產(chǎn)的麥類植物作輔助原料[27]，這種工業(yè)化生產(chǎn)的沼氣經(jīng)純化和壓縮后可獲得和天然氣一樣的壓縮沼氣[28]。這類沼氣工程引入了現(xiàn)代化農(nóng)場(chǎng)經(jīng)營(yíng)模式，具有人工少、效率高、機(jī)械化程度高、運(yùn)行費(fèi)用低等特點(diǎn)[29]。德國(guó)具有專門的沼氣產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)和技術(shù)服務(wù)性企業(yè)，可以促進(jìn)沼氣產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展[30]。目前我國(guó)的沼氣生產(chǎn)后自用、他用系統(tǒng)尚不配套，費(fèi)錢費(fèi)事，因而很多大中型養(yǎng)殖場(chǎng)對(duì)沼氣利用的積極性不高[31-32]。

3.2 秸稈液化應(yīng)用——液態(tài)生物燃料

隨著土地資源的日益緊張，單純的以糧食為原料的生物液體燃料技術(shù)發(fā)展前景并不樂觀[33-35]。植物纖維素是地球上最豐富的可再生資源，Huber等[36]曾分析，每年纖維素類生物質(zhì)生成量轉(zhuǎn)化為生物燃料相當(dāng)于340 億～1 600 億桶原油。

秸稈類木質(zhì)纖維素經(jīng)預(yù)處理后，再經(jīng)水解使其成為木糖、葡萄糖等小分子物質(zhì)[37]。水解所得糖類小分子物質(zhì)再通過發(fā)酵、分離后即可獲得乙醇，工藝流程一般分為四類：分步水解發(fā)酵(SHF)、同步糖化發(fā)酵(SSF)、同步糖化共發(fā)酵(SSCF)和同步多菌產(chǎn)酶水解發(fā)酵(SMEHF)[38]。其中SHF法研發(fā)最早，工藝也最成熟。2004 年，加拿大logen公司在渥太華采用SHF法建成了世界上第一座木質(zhì)纖維素乙醇實(shí)驗(yàn)工廠，達(dá)到了年產(chǎn)燃料乙醇3 000 t，日處理麥秸稈40 t。SMEHF工藝則為清華大學(xué)、英國(guó)牛津大學(xué)和美國(guó)農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)利用研究中心等單位合作于近年研發(fā)，該法能顯著降低纖維素乙醇成本。

3.3 秸稈直燃混燃應(yīng)用——固態(tài)生物燃料

秸稈（含水率15%左右）的平均熱值為14 226 kJ/kg，比薪柴平均熱值低15%，相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)煤熱值的48.57%，即2 kg秸稈約折合1 kg標(biāo)準(zhǔn)煤[39-40]。李慶凱等[41]研究發(fā)現(xiàn)，利用秸稈制作生物質(zhì)煤替代小鍋爐燃煤，既可以充分利用資源，還能減少鍋爐煙塵和二氧化硫排放，具有良好的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。然而傳統(tǒng)鍋爐是按煤炭特點(diǎn)設(shè)計(jì)，使用未經(jīng)處理的秸稈時(shí)，秸稈中的鉀、鈉、硅及氯離子等在高溫時(shí)熔融結(jié)渣，堵塞爐膛煙道，影響熱效率和設(shè)備使用壽命，因此需要使用特制設(shè)備。王長(zhǎng)成等[42]制備的生物質(zhì)煤（摻煤粉）能使原煤塊的排煙、硫、氮氧化物分別由2.34 g/kg、0.5 g/kg、227 ppm/Nm3(6% O2)降低到0.09 g/kg、1.8 g/kg、175 ppm/Nm3。

芬蘭在1970 年開發(fā)了生物質(zhì)混燃的流化床鍋爐技術(shù)；丹麥Energy2 電廠年消耗4 萬t秸稈，全年工作5 000 h，發(fā)電4 900 萬kW·h，產(chǎn)熱360 TJ，能效在30%左右；瑞典的Umea Energy垃圾熱電廠的直燃能效也能達(dá)到30%；丹麥、奧地利等歐洲國(guó)家已陸續(xù)研制出生物質(zhì)與煤混燃發(fā)電的鍋爐。

4 稻/麥秸稈工業(yè)制造應(yīng)用

4.1 秸稈造紙

我國(guó)是全球紙和紙板生產(chǎn)消費(fèi)第一大國(guó)，同時(shí)也是世界上最大草漿生產(chǎn)國(guó)，世界非木材紙漿的 75%以上產(chǎn)自我國(guó)，其中草類非木材原料主要為蘆葦、芒稈、竹子、甘蔗渣、秸稈（麥秸、稻草）、麻、棉等[43]。近年來我國(guó)在秸稈造紙等研究方面投入巨大，并取得了顯著成果。但如何加強(qiáng)相關(guān)機(jī)械研究與應(yīng)用，提高制漿廢液處理技術(shù)仍然是研究重點(diǎn)。

4.2 秸稈人造板制備

秸稈作為原料生產(chǎn)人造板，通常需要借助膠黏劑和一定的工藝，其中膠黏劑直接決定著板材的性能，是秸稈板制造的核心[44-45]。常用膠黏劑包括有機(jī)膠黏劑（如脲醛樹脂、酚醛樹脂、異氰酸酯、三聚氰胺及一些改性生物膠黏劑等）和無機(jī)膠黏劑[46-47（如硅酸鹽類膠黏劑、磷酸鹽類膠黏劑、硫酸鹽類膠黏劑、氧化鎂類膠黏劑等）。在有機(jī)膠黏劑中，異氰酸酯使用最為廣泛，用其制得的板材耐水、耐候性能優(yōu)良，熱壓時(shí)間短，膠黏劑用量低，不含游離甲醛，是一種環(huán)保型高效膠黏劑，但異氰酸酯價(jià)格較高，應(yīng)用受到一定限制。在無機(jī)膠黏劑中，硅酸鹽類和氧化鎂類膠黏劑應(yīng)用最為廣泛，中南林業(yè)科技大學(xué)的吳義強(qiáng)教授、李新功教授團(tuán)隊(duì)就以這兩種無機(jī)膠制備秸稈板進(jìn)行了大量研究，產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于家居、建材和裝飾等領(lǐng)域。

4.3 秸稈建筑用材

秸稈在建筑方面的應(yīng)用主要分為兩類，一類是以秸稈為主體的建筑材料，主要包括秸稈草磚和秸稈板。秸稈草磚是將麥(稻)草秸稈通過機(jī)械壓力捆扎而成[48]，主要用于建筑非承重部分，其保溫效果好、耗能低、對(duì)環(huán)境無消極影響。但繁瑣的墻體養(yǎng)護(hù)在一定程度上影響了其推廣和使用。另一類應(yīng)用則是將秸稈碎料用作填料，與無機(jī)膠凝材料混合制備復(fù)合材料。Nazerian等[49]將Portland水泥與秸稈混合，發(fā)現(xiàn)Portland水泥的強(qiáng)堿性會(huì)逐漸溶解和礦化植物纖維，使其強(qiáng)度降低。中南林業(yè)科技大學(xué)的吳義強(qiáng)、左迎峰團(tuán)隊(duì)則使用堿性的鎂水泥復(fù)合秸稈碎料制備出了性能優(yōu)異的無機(jī)秸稈板和墻體用秸稈/鎂系發(fā)泡材料[50-52]。

5 結(jié)語

為推動(dòng)秸稈資源綜合高效利用與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，今后需要進(jìn)一步提高秸稈收集和利用水平，拓寬秸稈利用渠道，力爭(zhēng)早日實(shí)現(xiàn)秸稈綠色循環(huán)利用目標(biāo)?？芍卦谝韵聨讉€(gè)方面進(jìn)行研究：1）提高秸稈收集、儲(chǔ)存和運(yùn)輸能力，降低秸稈生產(chǎn)周期對(duì)生產(chǎn)利用的負(fù)面影響；2）改進(jìn)、優(yōu)化秸稈能源方面的應(yīng)用，提高秸稈-能源轉(zhuǎn)化效率，降低應(yīng)用成本；3）提高秸稈在工業(yè)生產(chǎn)制品中的用量，隨著城鎮(zhèn)化的推進(jìn)，秸稈建材應(yīng)用具有較好的市場(chǎng)前景；4）繼續(xù)開拓新型、高效的秸稈利用形式。