農林廢棄物實現華麗“變身”

策劃/本刊編輯部 文/本刊記者 樊 潔

農林廢棄物主要包括稻殼、秸稈、邊角料、薪柴、樹皮、卷皮、花生殼、食用菌基質、刨花等，是一種重要的生物質資源和可再生資源。如今，農林廢棄物資源化利用是能源研究領域和生態環境保護領域的熱點之一。農林廢棄物的資源化利用，可減少化石燃料的使用，增加可再生能源的利用率，有利于社會的可持續發展。同時，可以提高農業和林業領域勞動者的收入，對解決農業農村問題具有積極的經濟意義和社會意義。秸稈、稻草、玉米稈、樹枝，這些長期以來被農村就地焚燒處理的農林廢棄物，如今成了制作新型材料的原材料，從“垃圾”變為“寶貝”。航空燃料、3D 打印原料、壘土、乙醇汽油等高科技材料都可以由農林廢棄物制作而成。

我國農林廢棄物可利用資源豐富

農林廢棄物中含有多種可用的物質，其中的纖維素和半纖維素是兩個重要的物質。纖維素是木質生物質的重要組成部分，是地球上最豐富的可再生資源。

農林廢棄物有廣義和狹義兩方面的概念。

廣義上是指來自生產和生活過程中被丟棄不再具有原使用價值的農林廢棄物，他們以固體和半固體的形式存在。主要包括大量產生的農村的秸稈、果樹枝條、雜草、樹葉等，還有生活垃圾以及新的由于城鄉建設產生的園林廢棄物等，所以這些廢棄物的種類和數量非常大。

狹義上主要指秸稈、生活垃圾、尾菜等，這些廢棄物的產生量非常大，不合理處理就會對環境產生重大污染，比如園林剪枝的木質纖維素含量高、硬度大，需要特殊處理設備進行粉碎和篩分處理。

我國作為一個農林大國，農業耕地、林業林地宜林地總面積約6.67億hm2。生物質能源化利用的發展潛力是巨大的。研究統計顯示，我國農林廢棄物資源豐富，每年可達到7 億多t，其中約3.5 億t 可用作能源用途，相當于1.8 億t 標準煤，發展潛力巨大。

隨著我國農業生產規模的不斷擴大，我國已成為世界上最大的農林廢棄物生產國之一，農林廢棄物資源化利用已成為城市和農村環境保護和治理的重要環節。來自2018 中國農林廢棄物綜合利用產業化研討會上的數據顯示，全國每年生成畜禽糞污38億t，產生秸稈近10億t，每年森林采伐、木材加工等林業廢棄物約1.4億t，林木修枝等產生的林業廢棄物1億t，這些資源的可利用率在50%以上，是發展生物質能源的重要資源。

農林廢棄物如何實現變廢為寶

合成高密度航空燃料

隨著現代航空業的快速發展，巨大的碳排放量、成本問題成為我們不得不面對的軟肋。隨著國際社會對可持續發展以及二氧化碳減排問題的日益關注，發展新型、清潔、可再生的生物質航空燃料已成為能源領域的重點議題。另外，隨著科技發展，采用廉價易得、不可食用的原始生物質原料合成可再生航空生物燃料成為了一個可行性方案，這個方案的實行可以使航空生物燃料的成本問題得到解決。

纖維素作為農林廢棄物的主要成分之一，可通過水稻、小麥、玉米、棉花等農作物秸稈以及木屑、落葉、樹皮等林業廢棄物通過簡單的化學處理獲得，是構成植物細胞壁的一種廉價、可再生且非常豐富的聚合物。雖然以纖維素為原料合成航空煤油鏈烷烴（如支鏈辛烷、十二烷、十六烷）在國際上已有報告，但迄今為止，這些工作主要集中在以纖維素為原料合成普通航空煤油方面，在高密度航空煤油領域卻鮮有進展。因此，發展高度集成的方法，在溫和條件下合成生物燃料顯得尤為重要。

中科院大連化物所李寧研究員和張濤院士團隊發現了一條高度集成轉化的新途徑，利用農林廢棄物合成出高密度航空燃料，相關研究工作發表在《焦耳》雜志上，該研究有望減少航空業造成的二氧化碳排放。

該團隊首次報道了以纖維素為原料合成更加復雜的多環烷烴，而這些多環烷烴可以被用作高密度先進航空燃料。科研人員首先將纖維素通過氫解反應選擇性地轉化為2,5-己二酮。接著，科研人員采用固定床雙床催化劑體系，在氫氣氣氛下，將小麥秸稈纖維素制備的2,5-己二酮一步轉化為一種碳鏈長度為12和18的多環烷烴的混合物。該混合物具有凝固點低、密度高的優勢，既可以作為現有高密度航空燃料的替代品，也可以作為添加劑改善其他航空燃料的效率。

該燃料不但將廢棄的生物質變廢為寶，而且比傳統的航空燃料具有更高的密度，使用該燃料可以在不改變飛機油箱體積的前提下，有效地提高飛行器的航程和載荷，飛機能夠比使用常規航空燃料飛得更遠，運送得更多。這樣就可以減少飛機航班數，以及在飛機起飛和降落過程中造成的二氧化碳排放。據了解，該工藝的商業化還需要3～5 年時間，目前最大的問題是纖維素氫解反應需要使用對環境和健康有害的二氯甲烷，下一步研究團隊將探索使用對環境友好的有機溶劑替代二氯甲烷。

變身3D打印原料

3D打印是一項用處頗多的技術，也是一項花費頗多的技術。一臺具有高精度打印功能的工業級激光燒結打印機，售價動輒就高達五六十萬元到幾百萬元。怎么把3D打印機的價格降下來，一直是很多人研究和探討的問題。

超高精度的工業零件、高科技和美學共存的微縮建筑、心臟動脈模型以及獨特的造型工藝品等，這些都被展示在東北林業大學3D打印材料與技術研發中心的3D 打印展區內。令人震驚的是，這些物品的原料都是來源于農林廢棄物，如秸稈、果殼和木材竹材廢料。在不久的將來，由東北林大機電學院教授郭艷玲團隊所研發的3D打印機將進入市場，把原本五十余萬元的成本壓縮至十多萬元，大幅度降低了3D 打印機的門檻，越來越多的人將體驗到高新科技為教育、醫療、工業等多個行業帶來的優質改變。

郭艷玲團隊通過混合一定量的農林廢棄物和樹脂材料，如秸稈、稻殼、木屑、果殼、竹粉等，通過科研攻關變廢為寶，使3D打印原料有了新的突破。把這些農林廢棄物再利用，成為“第四類”激光燒結耗材。產品加工的全過程低碳、節能、環保，這大大降低了3D 打印耗材成本，打印原料僅以80 元/kg 出售，遠遠低于目前市場上售價每kg五六百元的進口錦綸材料。這一項目得到了中國工程院院士李堅的高度評價，他將這種耗材命名為生物質多元復合3D打印耗材，并預測未來會在很多應用領域成為高分子材料替代耗材，有巨大的社會效益和市場潛力。

在過去的幾年中，郭艷玲團隊不斷研發了三代3D 打印機，獨立開發的軟件系統，如工藝參數智能優選系統軟件，將部分硬件的功能軟件化，保證高度精準的同時，極大降低了成本。第三代桌式激光燒結3D打印機具有工業機的功能和桌面機的價格，由于打印零件不需支撐，打印精度高，可以打印結構特別復雜的制件，而且經過后期處理，其力學強度可與木材、聚合物、陶瓷等材料相媲美。

該設備在國內外僅有類似科研項目在研究，市場銷售尚屬空白。現在，郭艷玲團隊的第三代3D打印機正在進行軟件和機械的配合調試、工業造型設計，雖然它還沒有真正投放市場，但不少企業已經聞風而動，伺機而動爭取占得先機，這其中不乏美國企業在重點關注。第三代桌面型激光燒結3D打印機與工業級的同類產品一樣，可以自由打印出任意復雜結構的物品，廣泛應用于醫療、教育、工業鑄造、藝術品制作多種領域。

變身為神奇的壘土

沒有普通土壤，養在“魔法土”里的植物依然生機勃勃；冷冰冰的水泥墻穿上了美麗的綠植“外衣”，這件“外衣”四季常青，使人賞心悅目……這些超出人們日常認知的神奇景觀都離不開讓農林廢棄物變身“魔法土”的“黑科技”——壘土技術。

在2018年11月召開的中國國際進口博覽會上，主場館的立體墻面竟然穿上了一層美麗的“綠衣”，人們在感受展覽館的生態美之余，也對這層神奇“綠衣”背后所運用的科技手段充滿好奇。這層“綠衣”是湖南尚佳綠色環境有限公司董事長戚智勇結合進博會展覽館的設計結構，運用壘土技術，為主場館所做的立體綠化景觀提升。

壘土是湖南尚佳綠色環境有限公司生產的一種固化可塑成型活性纖維培養土。秸稈、棉花稈、咖啡殼等農林廢棄物，經過戚智勇博士研發的多種特殊科學處理方法后，竟能“變廢為寶”——變成神奇的壘土。壘土成品的外表看上去固化如磚，拿起來卻十分輕巧。壘土重量特別輕，而且固體可塑成型，可以根據不同需求，變成各種形狀，極大地方便了施工，避免了施工常見的二次污染。這種特性顛覆了大眾對于種植和栽培的空間概念，使植物可以在壘土的幫助下，在被裝飾物體的表面“豎著長”“倒著長”甚至“橫著長”。壘土的壽命長達26 年，還可以回收再利用。

在幾十米高的建筑外墻上運用壘土技術進行裝飾后如何養護外墻上的植物呢？壘土產品使用滴灌技術，由系統自動控制，可以保持高空中植物的最低需水量，能起到節水的作用。而且壘土產品的保水透氣性很強，即使在上百米的壘土高墻上澆水澆肥，也不會出現水土流失，同時還能使植物保持良好的生長狀態。壘土經過高溫消毒，不含任何雜質與菌類，用在建筑外表以及日常生活的各個方面，都不會對環境造成污染。

在壘土的幫助下，可以通過選擇不同的植物品種，進行顏色的搭配、調整，做出各種不同的藝術造型，使建筑外表充滿藝術感，而壘土產品的養護成本只有傳統綠化種植方式的1/10左右。

在自然界生長的植物原本需要較大的空間，而運用壘土技術后，植物們能夠在較小的空間中生長。這正是壘土的優勢所在，運用壘土這種替代土壤進行農業種植，可使農業種植減少對土壤的依賴，從而改善環境污染。迄今為止，壘土技術除了運用于建筑外墻立體綠化景觀提升，還成功應用于北京、上海、廣州、寧波等地的大型市政綠化工程，促進了當地綠色環保事業的發展。除此之外，壘土還可以用于家庭園藝種植，美化居住環境。

戚智勇說：“由于大部分人都在城市里生活，未來我們將進入一個‘缺土時代’。我把壘土技術定位為這個‘缺土時代’的綠色種植‘芯片’，希望未來可以運用壘土技術，讓更多的綠色重新回到人們的身邊。”

為生物質發電提供“口糧”

生物質資源是當今世界上儲量與煤炭、石油、天然氣并肩的四大能源之一，也是唯一的一種零碳能源，但是長期以來并沒有得到很好的開發利用。利用農林廢棄物供熱、發電是一個新興產業，因其資源的可再生性、污染小、資源豐富等特點逐漸在國內興起。我國作為農業大國，隨處可見的秸稈、稻草、玉米稈、樹枝等，這些長期以來被農村地區就地焚燒處理的農林廢棄物，如今搖身一變，成了生物質發電鍋爐的“口糧”。據悉，中國農林廢棄物發電產業年處理量近9 000萬t，年發電量已達500億kW·h。隨著國家政策的推廣，完全可以把這些廢棄物轉變為生物質發電鍋爐的專用燃料，讓生物質發電鍋爐“吃”下去的廢棄物，變為“吐”出來的電能。

對于農林廢棄物的資源化利用，我國雖然在起跑線上落后，但是現在國家給予了前所未有的重視，相關政策紛紛出臺。生物質供熱和發電正在成為國家鼓勵推廣的清潔能源選項。綜合來看，農林廢棄物有望成為清潔供暖的“生力軍”，市場潛力巨大。

國家能源局發布的《生物質能發展“十三五”規劃》明確提出了生物質能發展目標。其中，“十三五”期間生物質發電的利用規模達到1 500萬kW，年產量達到900億kW·h，替代化石能源2 600萬t/年；生物天然氣的年產量目標為80 億m3，替代化石能源960萬t/年；生物質成型燃料和生物液體燃料的利用規模分別達到3 000萬t和600萬t，分別替代化石能源1 500萬t/年和680萬t/年。

隨著國內大力鼓勵和支持發展可再生能源，生物質能發電投資熱情迅速高漲，各類農林廢棄物發電項目紛紛啟動建設。中國生物質能發電技術產業呈現出全面加速的發展態勢。截止到2017年底，全國生物質發電并網裝機容量1 476萬kW（不含自備電廠），同比增長21.6%，2018 年達到1 781 萬kW，2019年第一季度累計裝機達到1 878萬kW，同比增長19.2%，繼續保持穩步增長勢頭。

2018年，中國生物質新增裝機容量為305萬kW，2019年一季度，中國生物質發電新增裝機97萬kW。2018 年可再生能源發電量達1.87 萬億kW·h，其中生物質發電906億kW·h，同比增長14.0%。2019年一季度，中國生物質發電量為245 億kW·h，同比增長16.7%。

近年來中國生物質發電投資規模持續增長，雖然增速較2010年前后的30%有所放緩，但增勢依然十分明顯。據統計，2017年生物質發電投資規模已達到1 328億元，同比增長11.5%。2018年的投資規模或在1 400億元左右，仍然保持增長。

通過對農林廢棄物的再利用，不僅田間地壟整齊了，大秋作物管理方便了，最重要的是，農村的環境變美了，農民的收入增加了。國家林業和草原局局長張建龍表示，要大力發展農林生物質能源，維護國家能源安全。必須把發展生物質能源作為重要戰略，把農林廢棄物轉化為生物質油是其中的重要內容，能夠使生物質組成中的纖維素、半纖維素和木質素得到增值增效利用。

化身車用乙醇汽油

秸稈的處理一直是全世界的難題。中國每年產生的秸稈總量就超過了10億t，由于采集分散、運輸成本高、加工效能低等原因，能高效利用的秸稈資源不足10%。剩下的不少被原地焚燒，化身霧霾，嚴重污染空氣，也造成了資源的浪費。但是，隨著化工技術的推進，秸稈產出也開始向高端產品邁進，燃料乙醇就是其中之一。

燃料乙醇指以生物物質為原料通過生物發酵等途徑獲得的可作為燃料用的乙醇。燃料乙醇經變性后與汽油按一定比例混合可制車用乙醇汽油。燃料乙醇生產技術主要有第一代和第二代兩種。第一代燃料乙醇技術是以糖質和淀粉質作物為原料生產乙醇。第二代燃料乙醇技術是以木質纖維素質為原料生產乙醇。

在我國燃料乙醇的發展進程中，其原料變化是重要特點，早期生產燃料乙醇的主要原料是陳化糧和木薯、甜高粱、地瓜等淀粉質或糖質非糧作物，相對而言，這些原料的價格較高。隨著木質纖維素提取技術的提高，今后研發的重點主要集中在以木質纖維素為原料的第二代燃料乙醇技術。由此，價格低廉的秸稈等生物質成為制取燃料乙醇的重要原料。

中國科學院大連化學物理研究所在生物質催化轉化研究方面取得了新進展，他們通過新研發的多功能催化劑，首次將纖維素“一鍋”高效轉化為乙醇。相關研究成果日前發表在《焦耳》上。

纖維素作為自然界最豐富的生物質資源，可大量來源于農林廢棄物，其不可食用的特征使其成為理想的可再生碳資源用來生產燃料和化學品。纖維素乙醇是最重要的生物燃料之一,將其與汽油按照一定的比例混合，即可形成新一代清潔環保車用燃油，能降低汽車尾氣如一氧化碳、碳氫化合物等污染物的排放。然而，目前利用生物發酵技術進行生產纖維素乙醇仍然面臨各種技術及經濟的挑戰，探索非生物轉化路線生產纖維素乙醇具有重要的意義。

中科院大連化物所王愛琴研究員、張濤院士團隊一直致力于生物質中碳-碳鍵和碳-氧鍵選擇性斷裂制備重要小分子醇的研究，他們首創了纖維素氫解制乙二醇的催化轉化反應，發現了含鎢（W）化合物在催化纖維素碳-碳鍵選擇性斷裂反應中的獨特作用，從而提出了纖維素可以經由先氧化酯化再加氫還原制備乙醇的二步法。該研究團隊在前期工作的基礎上新發展了一種新的多功能催化劑MoPtWOx，它可將纖維素氫解制乙二醇和乙二醇氫解制乙醇巧妙地耦合起來，實現了纖維素“一鍋”直接高效制乙醇的過程，該反應的乙醇收率達到43.2%。同時,該催化劑還表現出了優異的穩定性和抗一氧化碳中毒性能，使其在未來的實際應用中具有較大的潛力。

以農林廢棄物等木質纖維素原料制取乙醇燃料技術已開始進入年產萬t級規模的中試階段。未來我國燃料乙醇行業的重點是降低生產成本、減少政府補貼，為此，制定生物燃料乙醇生產過程的消耗控制規范及產品質量技術標準，是降本增效的有力手段。

2018年8月22日召開的國務院常務會議，確定生物燃料乙醇產業總體布局。會議決定有序擴大車用乙醇汽油推廣使用，除黑龍江、吉林、遼寧等11個試點省份外，2019年在北京、天津、河北等15個省份推廣。以秸稈類物質為原料生產燃料乙醇是未來發展的趨勢，對國家糧食安全、能源戰略、環境保護、農民增收等都有積極的意義。

轉化為“生物炭”

生物炭是一種作為土壤改良劑的木炭，能幫助植物生長，可應用于農業用途以及碳收集及儲存使用，有別于一般燃料中的傳統木炭。

中國工程院院士、中國生物炭產業技術創新戰略聯盟理事長陳溫福教授介紹生物炭的特性時說：“生物炭既可作為土壤改良劑、高品質能源，也可作為還原劑、肥料緩釋載體及二氧化碳封存載體，有望廣泛應用于固碳減排、水源凈化、重金屬吸附、肥料增效和土壤改良等，可在一定程度上為氣候變化、環境污染和土壤功能退化等全球關注的熱點問題提供解決方案。”

秸稈，用之為寶，棄之為害。數據顯示，我國年產農林廢棄物約14 億t，其中玉米、水稻、小麥等大宗作物的秸稈高達7 億t，其中僅有不到1/3 實現了還田，秸稈肥料化利用率不足20%，被焚燒或廢棄的秸稈達20%以上。

農民之所以焚燒秸稈，主要還是因為沒有找到更好的秸稈利用出路。近年來，用秸稈制作的生物炭在解決全球生態環境安全與農業可持續發展等方面的作用已獲得普遍認可，被學術界譽為“黑色黃金”。

我國生物炭理論研究、產業化應用在國際上處于領先地位。關于生物炭的SCI 論文，我國研究人員發表的幾乎占到50%，制炭設備、工藝流程也相當成熟，能夠實現自循環、無污染生產。生物炭生產成本僅為國外同類產品的15%，生物炭基肥與復合肥生產成本大體相當，具備了大規模產業化基礎。

若將我國每年30%的秸稈進行生物炭產業化利用，就能形成規模超過2 500億元的生物炭基肥或土壤改良劑產業，可帶動約10 萬人就業，每年帶動農民直接增收588億元。

變為一次性秸稈餐具

近年來，我國餐具市場前景一路看好，市場需求量巨大，已經成為萬億級規模產業。秸稈環保餐具、植物秸稈纖維紡織品等是秸稈綜合利用領域中高附加值、高科技含量的應用，秸稈餐具成為未來環保餐具的發展趨勢。中國是一次性餐具消費大國，目前，秸稈餐具在中國屬于新興環保項目，有著巨大的市場空間。

秸稈綠色環保餐具，也叫植物纖維環保餐具，主要原料是麥稈、稻草、稻殼、玉米秸稈、葦稈、蔗渣等天然再生性植物纖維，經消毒、粉碎等工藝模壓成型的一種方便餐具容器，產品主要包括碗、杯、盤、碟、叉、勺和環保咖啡杯。產品原料均為天然植物，生產過程中自然高溫消毒，制作過程無廢液、無有害氣體和廢渣的污染，產品符合國家環保衛生要求。

制備氫氣和原柴油

利用光能如太陽能、人造光源和生物質如秸稈、林木廢棄物等的下游產品為原料，大連化物所王峰研究員團隊制備出了柴油和氫氣，開辟了生物質能、氫能共同利用的新模式，相關論文發表在《自然能源》上。

氫氣是化學工業和面向未來的理想清潔能源，相關技術備受關注。在光催化產生氫的過程中，光生電子可以還原質子產生氫氣，而光生空穴如果不與反應底物發生作用，有可能會氧化光催化劑自身，進而導致生產氫氣效率低，出現光催化劑失活等現象。

針對這些問題，人們通常引入犧牲試劑來消耗光生空穴，進而提升制氫效率和光催化劑穩定性。但這一過程中不可避免地產生廢物，所獲得的氫能量甚至還不足以抵消生產犧牲試劑所需的能量。因此，發展一種既能生產氫氣，又能夠將生物質轉化為有用的化學品或燃料的技術尤為重要。

秸稈、林木廢棄物等生物質是自然界產量最大的可持續碳資源，它可替代石化資源給人們提供大量的生產生活用品。作為利用光能分解水生產氫氣的替換方法，在可見光驅動下分解生物質原料，通常可以獲得更高的光能利用率和產生氫氣速率。

經過長期探索，中科院大化所研究團隊在實驗中利用可見光來驅動生物質下游產品即甲基呋喃類化合物，進而同時完成生產氫氣和原柴油兩種能源產品的過程。據悉，該反應在常溫常壓下進行即可獲得組分非常豐富的原柴油，且脫除了原柴油中的氧，取得與目前市場上的柴油更接近的可再生高品質油品，其副產品為氫氣。

研究組組長王峰研究員表示，這個過程中是利用光能和生物質制備氫氣后，產生的生物質產物再經過進一步加工生成高品質柴油。

農林廢棄物資源化利用大勢所趨

我國農村地區農林廢棄物產量大、種類多，增長迅速，不僅對河流、地下水等水資源造成嚴重污染，而且破壞農村空氣環境，甚至威脅到村民的身體健康。但若是對這些廢棄物通過相關設備加以有效處理和利用，不僅可以節約農業資源，提高資源利用率，還能減少對環境的污染，甚至可以帶來經濟效益，一舉雙得或多得，實現農村生態經濟的良性循環。

今年中央1號文件提出，發展生態循環農業，推進畜禽糞污、秸稈、農膜等農業廢棄物資源化利用。在生態農業深入人心的今天，廣袤、富饒的黑土地，正向“綠色興農”大步邁進。

農村廢物的資源化利用的潛力和潛在效益巨大。目前，在我國農村生活垃圾資源化利用、生物質能源化利用、畜禽糞便資源化利用以及在秸稈、杏仁殼、椰子殼等農業廢物分類資源化利用領域，已經有不少企業在耕耘、收獲。隨著政策引導和市場需求擴大，更多的投資者也開始在這一領域爭相布局。

工業文明走到今天，已面臨著資源減少、生態環境污染、全球氣候變暖等各種危機，人類社會正在迎接一場以“新能源、新材料和生命科學”相結合的科技革命、產業革命，低碳經濟模式下的生態文明社會建設已經開始。