我國秸稈綜合利用的研究進(jìn)展*

金 惠 平

(湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 物流與信息工程學(xué)院, 浙江 湖州 313000)

我國是糧食生產(chǎn)大國，每年會產(chǎn)生大量的稻草、麥稈、大豆稈、玉米稈等秸稈廢棄物。我國年產(chǎn)各類農(nóng)作物秸稈7億噸左右，約占全球的1/3[1]132-133。田間焚燒農(nóng)作物秸稈會嚴(yán)重影響生態(tài)環(huán)境，被國家明文禁止。過量秸稈直接還田，其腐爛、分解會產(chǎn)生過多有機酸，會嚴(yán)重?fù)p害作物根系，極易引起病蟲害暴發(fā)[2]29-31。由于國內(nèi)缺乏秸稈產(chǎn)業(yè)化利用龍頭企業(yè)，且技術(shù)水平不高，導(dǎo)致秸稈綜合利用得不到充分發(fā)展[3]86-87。如何充分利用豐富的秸稈資源，減少環(huán)境污染，變廢為寶，取得良好的經(jīng)濟效益和社會效益，是一個值得研究的問題。本文對我國的秸稈綜合利用研究成果進(jìn)行了歸納總結(jié)，以期為進(jìn)一步提高秸稈資源的綜合利用水平提供參考。

一、秸稈的生物燃料資源化開發(fā)

(一)固化成型制備秸稈燃料

秸稈固體廢棄物經(jīng)烘干、粉碎、添加膠粘劑、擠壓成棒狀或球狀，制成固化成型的秸稈燃料，可大大減少體積，一般可使體積縮小30多倍，其熱值可達(dá)4 000 J/kg左右[1]132-133。固化成型的秸稈燃料可用于普通反燒式低壓鍋爐燃燒，其煙塵排放量只有原煤的1/10，二氧化硫排放量只有原煤的1/3，而其供熱量則是原煤的2倍[4]27-30。

煤泥是煤炭加工的副產(chǎn)物，具有灰分高、顆粒細(xì)、粘度大等特點，不易利用[5]61-63。把秸稈粉碎至3 mm以下，與煤泥按一定比例混合，再利用煤泥的粘性，把它們擠壓并烘干成煤泥秸稈生物質(zhì)型煤。這種型煤具有較高的機械強度，便于運輸和存放，既可避免煤泥燃燒產(chǎn)生污染，又可充分利用秸稈資源。

城市洗浴業(yè)的燃煤小鍋爐普遍存在燃燒不完全、冒黑煙等嚴(yán)重污染，目前也被國家嚴(yán)令禁止。生物質(zhì)燃料鍋爐具有熱效率高、自動化程度高、成本費用低、環(huán)境污染小等優(yōu)點，是今后的發(fā)展方向。目前，已有部分地區(qū)率先利用國家政策的支持，集中大型企業(yè)的優(yōu)勢，建立了大型固化成型秸稈燃料生產(chǎn)企業(yè)。這些企業(yè)采用集中供熱方式，與使用單位根據(jù)蒸汽使用量的多少進(jìn)行結(jié)算，取得了較好的效益。

(二)秸稈水解發(fā)酵制備乙醇燃料

把稻草秸稈鍘斷成10 cm左右，通過高溫高壓和突然降壓的蒸汽爆破方法進(jìn)行預(yù)處理，壓力3.5 MPa,時間2 min，再經(jīng)過綠木霉纖維素酶水解，稻稈中的多糖就可全部轉(zhuǎn)化成為單糖，然后再通過畢赤酵母轉(zhuǎn)化為酒精，其產(chǎn)率可達(dá)到80%以上。再把這些酒精在帶有滲透蒸發(fā)系統(tǒng)的膜生物反應(yīng)器中進(jìn)行發(fā)酵，生產(chǎn)成乙醇燃料，其濃度可達(dá)50 g/L左右[6]75-78。玉米秸稈在130 ℃的溫度下，通過70 min稀硫酸預(yù)處理。把固液分離后的水解液進(jìn)行發(fā)酵，其殘渣采用氫氧化鈣繼續(xù)進(jìn)行處理。然后經(jīng)酶水解，發(fā)酵生產(chǎn)乙醇燃料。糖利用率達(dá)90%以上，酒精轉(zhuǎn)化率達(dá)90%左右[7]89-94。

目前，全球石油危機愈趨嚴(yán)峻，各國紛紛探尋新能源。為了減少汽車尾氣對空氣造成的嚴(yán)重污染，國內(nèi)正在大力推廣乙醇汽油。在汽油中添加10%乙醇，汽車發(fā)動機不易結(jié)炭，汽車尾氣一氧化碳排放減少30%。

二、秸稈在微生物發(fā)酵方面的開發(fā)

(一)秸稈發(fā)酵制備食用菌培養(yǎng)基

食用菌是老百姓的家常菜肴，具有較高的營養(yǎng)價值。它的主要活性成分具有抗疲勞、抗氧化和調(diào)節(jié)免疫等多種保健功效。食用菌生產(chǎn)也是解決農(nóng)民剩余勞動力，提高農(nóng)民收入的重要渠道。

選擇油菜秸稈和棉籽殼為主要基料，以麩皮、蔗糖、石膏等為添加劑，加水混勻、袋裝、滅菌，做成培養(yǎng)基[8]60-64。然后在傳統(tǒng)的棉籽殼基料中添加40%的油菜秸稈，接種香菇、平菇和黑木耳，其效果最佳，產(chǎn)量最高且時間最短，平均不到20天。也可以采用稻、麥秸稈進(jìn)行加熱、加堿軟化處理，做成培養(yǎng)基[9]7-8。這種培養(yǎng)基適合接種平菇、雞腿菇、蘑菇、草菇、香菇等，而且其培養(yǎng)基廢料(菌糠)還是很好的有機肥和畜禽飼料。

(二)秸稈發(fā)酵制備飼料

把糖、鹽、尿素、發(fā)酵劑、促進(jìn)劑、玉米面和水等混合均勻配制成生物飼料發(fā)酵液[10]41-42。將發(fā)酵液均勻地噴灑在鍘碎的玉米秸稈料上，水份控制在手握剛要滴水為宜，用小型塑料袋裝袋并踩實，每20 cm撤一層玉米面。然后密封進(jìn)行厭氧發(fā)酵。數(shù)天后，待飼料呈淺黃色且有酒香味，即可飼用。也可用尿素溶液噴灑在鍘碎成10 cm長短的小麥秸稈料上，堆高并壓實密封，氨化一個月，待飼料呈暗黃色、變?nèi)彳洠纯娠曈肹11]73-74。

采用厭氧發(fā)酵，且酸度較高，有利于消滅寄生害蟲和病原微生物。充分利用生物有益菌群，可以保護牛羊消化道，降低牛羊發(fā)病率，提高產(chǎn)能，節(jié)約成本，有效解決高寒牧區(qū)飼草短缺的問題。

(三)秸稈發(fā)酵制備纖維素

將稻草秸稈粉碎與麩皮按6∶4的比例混合均勻，然后加入等量的水，接種3%綠色木霉，控制溫度，進(jìn)行數(shù)天發(fā)酵，可生產(chǎn)纖維素酶[12]18-19。將玉米秸稈烘干粉碎，加入15%的氫氧化鈉溶液，加熱并保溫數(shù)小時，然后去雜烘干，加入乙醇和氫氧化鈉，堿化1小時，再加入氯乙酸，加熱反應(yīng)1小時，二次加堿，再加熱反應(yīng)1小時，可制得粗品羧甲基纖維素CMC[13]10-11。

羧甲基纖維素是重要的纖維素醚類之一，廣泛應(yīng)用于紡織、石油、牙膏、醫(yī)藥、建筑、陶瓷、造紙等行業(yè)。采用玉米秸稈制備羧甲基纖維素，不僅原料來源充足，而且成本很低。

三、秸稈在材料方面的開發(fā)

(一)秸稈制備復(fù)合材料

將貯存了幾個月的稻草秸稈粉碎，并用稀氨水浸泡2天，取出，加入適量的淀粉和少量的粘結(jié)劑，混合均勻，注入模具中。在加熱加壓的條件下模壓成型，進(jìn)行烘干，可制成可降解花盆和一次性餐具[14]23。該技術(shù)可解決目前嚴(yán)重的“白色污染”問題[15]26-28。

采用玉米秸稈稈皮碎料與木材刨花，按一定比例進(jìn)行混合，添加少量改性脲醛樹脂膠粘劑，通過施膠、鋪裝、預(yù)壓、熱壓等工藝，可以生產(chǎn)出合格的秸稈刨花板[16]21-25。采用新鮮玉米秸稈內(nèi)的白瓤，浸泡蒸透，制成糊狀，加入玉米淀粉、聚乙烯醇和少量甘油，加溫攪拌，倒膜烘干，制成可降解聚乙烯薄膜。該薄膜具有較強的抗拉強度[17]60-62。

2020年1月19日，國家發(fā)改委、生態(tài)環(huán)境部印發(fā)《關(guān)于進(jìn)一步加強塑料污染治理的意見》(發(fā)改環(huán)資〔2020〕80號)。該《意見》規(guī)定：到2020年底，全國范圍的所有餐飲行業(yè)，一律禁止使用不可降解的一次性塑料吸管，地級以上城市建成區(qū)、景區(qū)景點的餐飲堂食服務(wù)，禁止使用不可降解的一次性塑料餐具。這為利用秸稈生產(chǎn)可降解餐具提供了很好的發(fā)展機會。

(二)秸稈制備建筑材料

在石灰乳中加鹵水，邊加邊攪拌，在pH值小于10的條件下獲得沉淀物，經(jīng)洗滌、過濾、烘干，可制成氧化鎂粉體。然后，與用氫氧化鈉浸泡處理過的稻草秸稈粉體混合均勻，注入鹵水，濕拌均勻，澆注成一定形狀的墻體試件[18]801-805。或?qū)⒔斩捰寐然\浸泡，取出，烘干，粉碎，按一定比例與廢玻璃、污泥和爐渣混合，成型干燥，用1 000 ℃以上高溫?zé)Y(jié)成多孔建筑板材[19]61-64。還可將粉碎后的秸稈與助劑、稀料混合，注模成形，生產(chǎn)各種高密度和中密度板材，或者，直接生產(chǎn)復(fù)合地板、家具、廚房用具及帶工藝性的浮雕門柱等模壓制品。用這些材料生產(chǎn)出的產(chǎn)品，具有阻燃、防潮、隔音、不變形、不開裂、強度高等優(yōu)點，是“ 綠色材料” 的代表[3]86-87。

(三)秸稈制備泥皮護坡材料

將稻草秸稈切碎成一定的長度，加入粘土和水，攪拌均勻，并均勻地鋪于邊坡坡面上[20]24-30。該泥坡具有很高的緊密度，抗雨水沖刷、抗崩解和開裂的能力較強。以稻草秸稈、小麥秸稈和亞麻為基底，用聚乙烯絲網(wǎng)加工成秸稈草毯，并植入植物種子和營養(yǎng)基料。秸稈草毯應(yīng)用于公路邊坡，具有施肥和澆灌少，植被生長旺盛等特點[21]220-225。

四、秸稈化學(xué)改性制備高效吸附劑開發(fā)

采用乙酸酐，在催化劑吡啶或二甲基甲酰胺的作用下，對稻草秸稈、小麥秸稈進(jìn)行化學(xué)改性，制成用于溢油污染的吸油劑[22]51-55。這種吸附劑可廣泛應(yīng)用于海洋和河流中防治石油污染。將稻草秸稈烘干、粉碎，加入無水乙醇，加熱加壓數(shù)小時，除去乙醇，烘干制成處理印染廢水的吸附劑。該吸附劑具有吸附效果好、成本低等優(yōu)點[23]57-59。

將苯胺加入鹽酸中，攪拌反應(yīng)，再加入過硫酸銨，反應(yīng)數(shù)小時，抽濾、沉淀和烘干，可制得玉米秸稈/聚苯胺吸附劑。該吸附劑對弱酸性紅B染料廢水具有較好的處理效果[24]38-41。將小麥秸稈烘干、粉碎，溶于乙醇溶液中，以氫氧化鈉作為催化劑，并加入離子改性劑，加熱反應(yīng)數(shù)小時，抽濾后真空干燥，可制得兩性離子吸附劑。該吸附劑對Pb2+和As5+具有較好的吸附作用[25]210-216。將油菜秸稈烘干粉碎，加入到含有Cr+6的廢水中。在酸性條件下，Cr+6的去除率達(dá)到90%以上[26]1740-1748。

2019年12月3日，浙江省嘉興海寧市的一家印染公司污水罐體坍塌。罐體內(nèi)的大量污水瞬間向廠房內(nèi)傾泄，造成數(shù)十人員傷亡。化工印染企業(yè)會產(chǎn)生大量廢水，所以要大力開發(fā)污水處理吸附劑，及時處理污水，以避免重大事故發(fā)生。

五、展 望

我國秸稈資源十分豐富，焚燒秸稈會嚴(yán)重污染空氣，全部還田副作用又很大。合理利用秸稈資源，必須加大政策、法規(guī)、稅費、銀行貸款等方面的扶持力度[27]54-56。目前，國內(nèi)在秸稈復(fù)合材料、建筑材料及化學(xué)改性高效吸附劑方面有較多研究，并均有一定的應(yīng)用。各地可根據(jù)本地特點，開發(fā)適合本地區(qū)的秸稈資源化利用技術(shù)，特別是在制造高強度秸稈綠色環(huán)保板材等方面，可進(jìn)行深入研究[28]146-147，使秸稈資源化利用更快更好地發(fā)展。