0、 引言
農林剩余物就是指農業生產中留下的作物秸稈、葉子和皮殼等。作物秸稈是主要的剩余物,聯合國環境規劃署報道,世界上各種農作物秸稈每年可產約 20億 t,我國每年農作物秸稈產量約 7 億 t。2004 年秸稈產量 6. 48 億 t,農產品加工剩余物 1. 5 億 t。糧食作物秸稈是我國的主要作物秸稈類型,稻草、玉米秸、麥秸依然是我國產量最高的 3 大作物秸稈。其中,棉稈占到全國秸稈總產量的 6. 24%。秸稈是一種寶貴資源,李新樂發現收獲樹干樹皮、加倍采伐剩余物處理的杉木林生長最好。王同朝等研究發現:機械化全程覆蓋可將自然降水的保蓄率由傳統耕作法的 25% ~ 35% 增至現在的 50% ~ 60% ,可提高土壤飽和導水率和蓄水能力。利用好林區剩余物不僅可節約木材,提高森林資源利用率,還可以增加企業經濟效益,提供就業崗位,促進森林更新。大量秸稈剩余下來,不僅占用土地,影響新農村的形象建設,而且存在安全隱患,污染環境。宋湛謙介紹,我國生物質能資源豐富,農林剩余物每年產生20. 29 億 t,可用生物質僅為 13. 24 億 t。據統計,枝椏、伐根和枯立木等剩余物約占采伐量 35%,枝椏所占比重最大,且利用價值也較高。
改變傳統生產模式,確立新觀念,開發新技術,實現資源的綜合性利用,加強秸稈飼料的研究;圍繞秸稈能源化利用技術、秸稈化學品制造及應用技術、秸稈材料化技術、秸稈加工機械化技術綜合開發研究。本文總結了國內外對農林剩余物的利用技術,概括介紹了國內生物質利用狀況,并提出了展望。
1、 我國對農林剩余物的利用
我國的秸稈利用率約為 33%,對農林剩余物的利用主要是秸稈還田、直燃發電、發酵制取生物油等。近年來,我國對農林剩余物進行了深度研究,并取得一定的進展。木質剩余物復合材料不僅具有良好的耐候性、耐腐蝕性、耐疲勞性,而且還可以減少各向異性,提高體積和形狀的穩定性。農作物剩余物與煤粉混合燃燒有利于降低爐渣量并提高冶煉金屬質量。2011 年,吉林省成立秸稈綜合利用聯盟,企業同科研單位和高校聯盟,開展技術研發、成果轉化、生產協作、擔保融資、市場網絡建設等方面的系統工作。吉林省國能遼源生物發電有限公司每年可消耗生物質燃料 20 萬 ~ 28 萬 t 左右,生產電量 2億 kW·h。吉林鼎基新能源開發有限公司對秸稈進行深開發,生產木糖醇、木質紙漿、酒精、可降解餐盒和生物質有機肥等,形成產業鏈。松原來禾化學有限公司能夠生產優良特性的高純度木質素和纖維素。
2、 秸稈還田
秸稈還田不僅節省土壤對碳、氮、磷、鉀等元素的用量,還改善了土壤的理化性質,提高土壤的生產力;同時,還可減少了燃燒秸稈產生一氧化碳、二氧化碳等帶來的污染環境的問題。資源的綜合利用是任何產業有效發展的關鍵。面臨耕地面積減少、土壤有機質下降、土壤結構板結、生產力降低和環境污染問題,有學者基于我國現狀和循環農業概念,提出遵循減量化\\(Reduce\\)、再循環\\(Recycle\\)、再利用\\(Reuse\\)、可控制化\\(Regulating\\)的“4R”原則。農作物秸稈全球每年生產 20 億 t,我國每年生產約 6 億 t。張靜等[30]通過田間隨機區組設計試驗,研究了玉米秸稈還田量對土質和小麥產量的影響。結果表明:在黃土高原灌溉地區,施加氮肥 138kg /hm2、秸稈還田量為9 000kg / hm2,能夠增加土壤有機質,減少氮流失,提高土壤肥力,接茬冬小麥增產 7. 47% ;將粉碎后的棉稈作為肥料,可減少施肥量 20%。馬永良等研究秸稈還田后,在 20cm 以上的土壤容重比不還田的容重下降,增加了孔隙度,并為作物生長提供了較好的土壤環境。
玉米秸稈直接還田 - 小麥秸稈高留茬還田模式使其土壤保水相對較好,減弱了季節性干旱造成的影響,保障了農業生產,提高了作物產量。玉米秸稈連續翻壓的土壤有機質比清茬平均年增加 0. 02% ~0. 039%,小麥、玉米秸稈還田后土壤微生物明顯增加。許靜等研究發現:坡耕地秸稈覆蓋栽培秋馬鈴薯能減少土壤泥沙流失 57. 1% ~71. 4% ,能夠抵御冬季的極端溫度,還可以防止水分蒸發,提高保墑能力,增加土壤生物多樣性。王海景等研究發現:
小麥秸稈休閑覆蓋還田 3 ~ 9 年,土壤中的有機質含量增加0. 50 ~3. 05g/kg,全氮含量增加0. 02 ~0. 43g/kg,速效鉀含量增加 13. 80 ~35. 80mg/kg,土壤容重降低 0. 03 ~0. 07g/cm3;同比小麥秸稈復播覆蓋還田,有機質含量增加1. 07 ~3. 95g/kg,全氮含量增加0. 02 ~0. 049g / kg,速效鉀含量增加 10. 60 ~ 36. 79mg / kg,土壤容重降低 0. 03 ~ 0. 04g/cm3。屈會娟等研究麥玉米秸稈還田對小麥的影響發現:小麥玉米秸稈連續全量還田小麥的小穗位結實粒數、小穗質量、小穗平均單粒質量均呈現二次曲線變化趨勢,提高了小麥穗結實粒數和粒重。楊振興等采用粉碎還田配秸稈腐熟劑對玉米增產效果顯著,腐熟劑提高土壤中微生物數量、促進秸稈較快腐解,減輕和防止多量秸稈還田給作物生長帶來的不利影響,同時可穩定提高土壤養分含量。王應等提出了適合于黃土高原地區推廣農作物秸稈還田模式,通過玉米秸稈青貯、氨化、微貯、秸稈養畜過腹還田及秸稈覆蓋還田、秸稈機械化直接還田等綜合利用模式,進一步完善秸稈還田技術,得出了玉米秸稈深層覆蓋還田技術適合本地區。
結果表明:秸稈還田 3 年比未還田每公頃增產玉米525kg,增產率7. 2% ;還田9 年比未還田每公頃增產 1215kg,增產率 16. 5% 。
秸稈經熱解制成生物炭后在關中地區關中地區的石灰性土壤條件下比秸稈物理粉碎直接還田具有更加穩定的特性,不僅具有在緩解全球氣候變化、減少溫室氣體的排放方面發揮積極作用的潛力,而且在增加土壤穩定性碳庫,改善土壤有機質含量方面具有很大的潛力。
機械化秸稈還田影響著地上部作物的生長和發育,增加作物的有效光合面積,增加根條數、小麥的分蘗數等,進而影響作物的干物質積累與分配,最終影響到產量和經濟效益。研究發現:過量的秸稈還田會造成土壤中 N、P 元素的過度富集,引起土壤富營養化;秸稈腐化會吸收水分,影響種子發芽。有研究表明,將生物質熱解成生物炭加入到土壤中,可以增加有機質的含量,并且在氣候變化方面增匯減排、改善土壤質量方面增效迅速且穩定。
3、 直燃發電
生物質能是世界上最豐富的可再生能源;但是其利用卻非常有限,目前僅有 1% ~ 3% 的生物質能源被利用,占世界能源消耗總量的 15%。
3. 1 國外農林生物質發電現狀
生物質直燃發電產業在歐美等國發展很快,據統計,截至 2004 年,世界生物質發電裝機已達 3 900 萬kW,年發電量約 2 000 億 kW·h,可替代 7 000 萬 t 標準煤。瑞典和丹麥等歐洲國家已經把以生物質為燃料的小型熱電聯產作為主要的供熱方式,并保持持續、穩定地增長。目前,向商業化推進的生物質能研究及應用減少了石油的消耗,不斷增加工業產值。瑞典 2006 年提出到 2020 年告別石油的目標。丹麥的BWE 公司開發的生物質直燃發電技術處于世界先進水平,同時還被聯合國列為重點推廣項目。在美國,利用生物質發電已經成為大量工業生產用電的選擇,2002 年具有 9 733W 發電能力的生物質,已經成為非水利發電站生產電能的唯一的、最大的來源,并已被美國用于現存配電系統的基本發電量。芬蘭、德國和奧地利都在積極推行建立生物質直燃發電聯產廠。
印度、巴西和東南亞等發展中國家也積極研發或者引進技術建設生物質直燃發電項目。
3. 2 我國生物質發電技術
生物質的分散性、季節性、高含水率和低能量密度使其收集、運輸和存儲成為規?；玫碾y點。據統計,我國目前秸稈綜合利用率達到 70. 6% 。其中,作為燃料使用\\(含秸稈新型能源化工利用\\)的僅占到 17. 8% 。
我國生物質直燃發電產業發展的主要技術問題是農林生物質燃燒鍋爐及高效燃燒技術。生物質直燃技術可以有效解決農林剩余物堆放、燃燒帶來的污染和安全問題。我國生物質發電中,蔗渣占主要地位,占總發電裝機容量的 85% ;但是由于鍋爐容量小,采用中壓技術,所以效率較低。與風光發電相比,生物質發電不具有波動性和間歇性,更穩定、安全。張莉等利用林間剩余物直接燃燒來加熱蒸汽爐內的水,產生蒸汽推動汽輪機轉動進而帶動發電機發電,并發現汽輪機轉速與鍋爐壓力、充電電壓與汽輪機轉速、充電電流與汽輪機轉速都呈線性關系。那貴森結合東北三省玉米種植面積情況,研究出建設 50MW\\(2 ×25MW\\)裝機容量的玉米秸稈燃料發電廠,發電量達到 100 億 kW·h,節約煤炭 400 萬 t 多。另外,農作物剩余物中硫磷元素含量比化石燃料低,且秸稈中的含碳量約占 40% ,同煤粉一樣具有燃料價值。與煤粉混合燃燒有利于降低爐渣量并提高冶煉金屬質量。
4、 生產能源燃料
我國于 1998 年 5 月決定實施秸稈氣化國家示范工程,解決農村用能問題,緩解農村環境污染。在農村的沼氣池中加入秸稈、雜草等其他有機物質,提供少量的空氣,控制反應條件,經過厭氧發酵后產生沼氣也是秸稈氣化的一個途徑。杏艷等在研究小熊貓糞便產氫特性基礎上,系統進行玉米秸稈發酵產生氫氣試驗發現,用 7. 5g/kg 微貯劑糖化水解秸稈最為有效,可溶性糖和乳酸含量分別達到 212mg/g - TS 和21mg / g - TS。
4. 1 生物柴油
熱解技術可以獲得固液氣 3 種產物。王通洲研究玉米秸稈發現,熱解溫度在 525℃時,生物油產率達到 49% 。同時,對產物進行分析表明,生物油的主要成分為酚、酮、酯、醇、醛及有機酸類,可為化工產業提供提純產品。姚建中等研究在 480℃ 左右的溫度下熱解玉米秸稈制備生物油,液體產率為 45% 。王樹榮等研究稻稈和木屑熱裂解制取生物油,通過流化床反應器發現:快速升溫能有效縮短顆粒在低溫階段的停留時間而抑制炭的生成,有助于提高生物油的產率;低灰分含量的木屑比稻稈更適合于熱裂解制取生物油,還可以通過等離子體加熱手段進行熱解。研究發現,秸稈快速熱解液化制取生物油產率低于木屑等生物質。由于制取的生物油存在 pH 值低、對設備有腐蝕性的問題,所以需進一步降低生產成本和提高技術的適應性,才能夠大規模生產提供配套設備和技術。
4. 2 燃料乙醇
隨著化石燃料的逐漸枯竭,生物質生產乙醇成為熱點,發展秸稈制備燃料乙醇成為主流。燃料乙醇可添加到汽油、柴油中,減少有害物質的排放,還可以提高辛烷值。美國是全球生產乙醇最多的國家,美國的NREL 過程采用玉米秸稈為原料,每升成本可降低至0. 248 美元。由生物質發酵生產乙醇,到產物燃燒生成 CO2和 H2O,再經植物固定,形成了碳的閉合循環,可緩解全球溫室效應。長春大成集團經過 3 年多自主研制出高新技術,采用用玉米秸稈和非糧植物生產化工醇,2t 玉米秸稈可生產 1t 多糖,可作為制造化工醇的原料。鄧輝以棉花秸稈為原料,研究了棉花秸稈水解發酵轉化乙醇的工藝,考察了酸堿、微波預處理和誘變菌株對棉桿的水解和轉化的效率。結果表明:堿/微波預處理可以明顯縮短預處理時間,除去秸稈中更多的木質素和半纖維素,從而提高預處理后棉花秸稈酶水解的初速度,且秸稈酶水解的還原糖得率基本保持不變。張應龍研究發現:通過熱沖擊等誘變手段篩選得到的酵母 X,使發酵得到的乙醇產量提高 15. 44% ,葡萄糖轉化率提高 11. 30% 。
目前,國內農業廢棄物資源轉化方面主要集中在熱解氣化和超臨界萃取方面。生物燃料可通過將生物質氣化、液化或者熱解得到。于樹峰液化花生殼得出重油高產率的條件,以水作為溶劑,給料比為10g 原料 /100mL 水,反應溫度 320 ~ 340℃ ,反應時間10min,添加 1/30\\(催化劑/原料,W/W\\)的 K2CO3產率可達到 21% ~ 28% 。司陽等利用克雷伯氏菌\\(Klebsiella oxytoca ZU - 03\\) 發酵玉米秸稈水解液生產 2,3 - 丁二醇,玉米秸稈水解液總糖濃度 80g/L,pH值控制在 6. 0,在 30℃下發酵 64h,總糖利用率達到了99. 36%,2,3 - 丁二醇的產率為 0. 468g / g。黃秀梅等使用活性炭和 Ca\\(OH\\)2脫去玉米秸稈水解液的毒性,發酵產丁二酸產量達到 66. 23g/L,比未經脫毒時提高 24. 81g/L。
5、 堆肥處理
農作物秸稈露天焚燒帶來污染空氣環境、引發火災或交通事故、破壞土壤機構等問題,堆肥化是解決剩余物的一條有效途徑。秸稈肥能夠增加土壤有機質,提高肥力,增強作物抗病能力,提高產量和經濟收入。劉凱等研究牛糞與玉米秸稈的不同配比對高溫堆肥的影響,結果發現:牛糞與玉米秸稈的配比為3:
7 時,兩天達到 55℃ ,高溫持續時間為 16 天,快速腐熟,并且堆體無惡臭,各項指標均達到堆肥質量標準。李玉紅等研究發現:牛糞與玉米秸稈的配比為 4:6 時,最高溫度達到 71℃,升溫快,效果最佳。李家祥以雞糞和玉米秸稈為堆肥原材料,通過調節含水率、通風量、C/N 比等,對堆肥產品的品質進行評價,結果表明:調節雞糞和玉米秸稈混合堆肥的初始C / N 比值為 30 時,更有利于堆肥的進行,而反應器堆肥優于露天堆肥。
6、制備吸附劑
對秸稈和林業剩余物的附加值利用是拓寬生物質應用領域的基礎,可利用剩余物改性吸收重金屬、制作水泥刨花板及作為菌類營養基等。例如,利用農業廢棄物如小麥秸稈、甘蔗渣、花生殼、鋸末等改性制備吸附劑吸收廢水中的重金屬元素。劉江國等采用改性玉米秸稈對含有 Cu2 +廢水進行吸附處理,結果表明:質量濃度≤50mg/L 的 Cu2 +廢水,秸稈投加量 0. 3g\\(質量濃度 6g/L\\),吸附平衡時間35min,對 Cu2 +的吸附率約 97. 2% ,吸附量約10mg/g。
劉江國等同時對改性玉米秸稈對水體中四環素的吸附進行研究,結果表明:在吸附劑用量 0. 4g 時,對水體中四環素濃度為 50. 136mg /L 的吸附率可達93. 4% 。俞寧等利用棉稈皮和棉鈴殼中含有的酚式羥基化學物質,吸附處理重金屬廢水,尤其對 Cu、Zn、Cd 的吸附能力較強。陳廣琪研究發現:棉桿對各種水泥都有很強的阻凝作用,水泥刨花板具有防腐、防火、防潮等優點。徐秀偉等利用農業廢棄物作為培養單片黑木耳的原料進行研究,結果發現:采用 40% 的玉米芯、15% 的稻草、30% 棉稈、14% 豆秸和1% 的石灰,如果控制好濕度、溫度和光照,10 天即可出耳,且量多、色深,產出比達到 18. 59% 。
7、 結語
農林剩余物是一種寶貴的資源,但是利用率很低,技術沒有廣泛推廣,粗放式是目前主要的利用方式。其綜合利用技術落后,沒有規?；蛞幠Ｐ?多作為肥料、飼料和燃料,沒有其他突破,粉碎還田和秸稈飼料依然占主導。對于秸稈,利用率低,秸稈還田、秸稈肥料技術沒有廣泛地推廣和應用,缺乏秸稈轉化技術,未曾培育優良的作物秸稈品種;林間木材利用空間小,因收集、運輸困難,阻礙了林業剩余物的發展。
因此,應爭取政府大力支持,還要同企業、科研院所及各高校聯合起來,實現政策上引導鼓勵、技術上支持、應用上穩定、市場上繁榮等一系列措施。
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