稻/麥秸稈資源化利用研究現狀?

王 健 吳義強 李賢軍 左迎峰

（1.中南林業科技大學材料科學與工程學院，湖南 長沙 410004；2.農林生物質綠色加工技術國家地方聯合工程研究中心，湖南 長沙 410004；3.湖南省農林工業勘察設計研究總院，湖南 長沙 410004）

2016 年我國可用耕地約1.07 億hm2，占世界耕地面積的7%[1]，每年產生大量農作物秸稈。據聯合國糧農組織（FAO）統計，2012 年全球秸稈總產量為50.81 億t，其 中，秸 稈 產 量 超 過0.50 億t的15 個 國 家（除中國外），其合計秸稈總產量為28.75 億t，占全球的56.58%；中國秸稈總產量為9.40 億t，占全球秸稈總產量的 18.50%[2]。本文對稻、麥秸稈的理化性能進行介紹，簡要分析了國內外在秸稈傳統應用、能源轉化和工業生產方面的研究進展，旨在為我國秸稈綜合利用管理提供理論支持。

1 稻/麥秸稈理化性質

稻、麥是草本植物。稻稈高50～100 cm，直徑約為4 mm，稈壁厚約1 mm；麥稈則由節和節間組成，地上節間一般為4～6 個，節高度為29～97 cm，稈直徑為2～4 mm，壁厚0.3～0.7 mm，莖桿表皮光滑堅實、潤濕性差[3]。稻、麥秸稈均是一種含纖維素、半纖維素、木質素、灰分等物質的復雜天然復合物，二者有著諸多相似之處。以結構相對復雜的稻稈為例，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，而內表皮相對平整。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]，這些物質可增強植物的機械強度，起到天然的“機械或物理屏障”作用[5]。

圖1 稻秸稈外表皮（a）和內表皮（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

稻秸稈橫截面的構造如圖2 所示[6]，稻秸稈的葉鞘和莖稈在橫截面上呈內外環狀分布，其中葉鞘（圖2b）是由表皮組織、薄壁組織和維管束構成的疏松結構；莖稈（圖2c）則是由表皮組織、薄壁組織、維管束以及機械組織構成的規整結構。如Halvarsson等[7]所述，稻麥秸稈具有比木質更為復雜的微觀結構，其細胞尺寸和類型多變，同時纖維更短、細胞壁更薄，這些都影響了秸稈中各種組分的占比，進而影響其相關應用。表1～3[8-10]分別顯示了稻、麥秸稈的化學組份、元素成分以及纖維尺寸。

圖2 稻秸稈橫截面的構造Fig.2 Ultrastructure of rice straw in transverse section

表1 秸稈纖維的化學組份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、鋅等多種營養元素（其中鉀、鈣、磷占比較多），主要成分如表4 所示，是一種優質農家肥[11]。

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

在農林業中，草木灰可以促進種子發芽，促進生根，防止落葉，具有改善品質，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易消毒劑的生產等[13]。然而以往我國農村草木灰的生產，主要依賴于廚房用火和田間焚燒，但這會導致嚴重的空氣污染[14]。

2.2 秸稈還田

孫偉紅等[15-17]就秸稈還田對土壤肥力和作物生長影響問題進行研究，發現合理的還田對農田具有良好的生態效應。當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，制作有機肥料）、過腹還田[18]（秸稈作飼料，將動物消化吸收后的糞便施入土壤，此法最具生態性）、處理后殘渣還田（以秸稈用于其他用途后的無害化殘渣作為基肥還田）和就地焚燒。直接還田有很多優點, 如人工成本低，能有效增加土壤有機質和促進土壤生物活性，利于防止風蝕與水蝕以及改善土壤物理結構等[19]。但微生物在分解作物秸稈時，需要吸收一定的氮營養，造成與作物爭氮，影響作物生長[20]。

2.3 秸稈作飼料

當前牛、羊、雞等家畜多以糧食添加部分營養成分后作為飼料，但這些飼料不僅成本高、加工復雜，同時還會消耗大量糧食[21]。近年來隨著農副產品的價格上漲，以糧食為主的飼料成本將進一步提高，開發非糧食類飼料已逐漸成為大趨勢。以常用作飼料的秸稈為例，其營養成分如表5[22]所示。

表5 不同秸稈的營養成分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飼料。因此對秸稈進行相關處理，使其中所含纖維素、半纖維素和木質素等降解和轉化，以提高其營養價值是必然選擇[23]。單洪濤[24-25]等經驗證指出，秸稈處理能有效提高其飼料用價值。

3 稻/麥秸稈能源化利用

3.1 秸稈氣化應用——氣態生物燃料

沼氣是有機質在厭氧條件下，經微生物發酵而生成的一種混合氣體。有機質經水解、酸化后逐漸產生以甲烷（20%～80%）、二氧化碳（20%～40%）和氮氣（0%～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，純甲烷的發熱量為34 000 kJ/m3，相當于0.7 kg無煙煤提供的熱量[26]。

歐美等發達國家將屠宰場、肉類加工廠、城市污水及有機垃圾處理廠相結合形成工業化的沼氣工程，同時還培育了專用于沼氣生產的麥類植物作輔助原料[27]，這種工業化生產的沼氣經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代化農場經營模式，具有人工少、效率高、機械化程度高、運行費用低等特點[29]。德國具有專門的沼氣產業協會和技術服務性企業，可以促進沼氣產業化的發展[30]。目前我國的沼氣生產后自用、他用系統尚不配套，費錢費事，因而很多大中型養殖場對沼氣利用的積極性不高[31-32]。

3.2 秸稈液化應用——液態生物燃料

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發展前景并不樂觀[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生成量轉化為生物燃料相當于340 億～1 600 億桶原油。

秸稈類木質纖維素經預處理后，再經水解使其成為木糖、葡萄糖等小分子物質[37]。水解所得糖類小分子物質再通過發酵、分離后即可獲得乙醇，工藝流程一般分為四類：分步水解發酵(SHF)、同步糖化發酵(SSF)、同步糖化共發酵(SSCF)和同步多菌產酶水解發酵(SMEHF)[38]。其中SHF法研發最早，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纖維素乙醇實驗工廠，達到了年產燃料乙醇3 000 t，日處理麥秸稈40 t。SMEHF工藝則為清華大學、英國牛津大學和美國農業部農業利用研究中心等單位合作于近年研發，該法能顯著降低纖維素乙醇成本。

3.3 秸稈直燃混燃應用——固態生物燃料

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%，相當于標準煤熱值的48.57%，即2 kg秸稈約折合1 kg標準煤[39-40]。李慶凱等[41]研究發現，利用秸稈制作生物質煤替代小鍋爐燃煤，既可以充分利用資源，還能減少鍋爐煙塵和二氧化硫排放，具有良好的環境效益和經濟效益。然而傳統鍋爐是按煤炭特點設計，使用未經處理的秸稈時，秸稈中的鉀、鈉、硅及氯離子等在高溫時熔融結渣，堵塞爐膛煙道，影響熱效率和設備使用壽命，因此需要使用特制設備。王長成等[42]制備的生物質煤（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 年開發了生物質混燃的流化床鍋爐技術；丹麥Energy2 電廠年消耗4 萬t秸稈，全年工作5 000 h，發電4 900 萬kW·h，產熱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到30%；丹麥、奧地利等歐洲國家已陸續研制出生物質與煤混燃發電的鍋爐。

4 稻/麥秸稈工業制造應用

4.1 秸稈造紙

我國是全球紙和紙板生產消費第一大國，同時也是世界上最大草漿生產國，世界非木材紙漿的 75%以上產自我國，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。但如何加強相關機械研究與應用，提高制漿廢液處理技術仍然是研究重點。

4.2 秸稈人造板制備

秸稈作為原料生產人造板，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、耐候性能優良，熱壓時間短，膠黏劑用量低，不含游離甲醛，是一種環保型高效膠黏劑，但異氰酸酯價格較高，應用受到一定限制。在無機膠黏劑中，硅酸鹽類和氧化鎂類膠黏劑應用最為廣泛，中南林業科技大學的吳義強教授、李新功教授團隊就以這兩種無機膠制備秸稈板進行了大量研究，產品被廣泛應用于家居、建材和裝飾等領域。

4.3 秸稈建筑用材

秸稈在建筑方面的應用主要分為兩類，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、對環境無消極影響。但繁瑣的墻體養護在一定程度上影響了其推廣和使用。另一類應用則是將秸稈碎料用作填料，與無機膠凝材料混合制備復合材料。Nazerian等[49]將Portland水泥與秸稈混合，發現Portland水泥的強堿性會逐漸溶解和礦化植物纖維，使其強度降低。中南林業科技大學的吳義強、左迎峰團隊則使用堿性的鎂水泥復合秸稈碎料制備出了性能優異的無機秸稈板和墻體用秸稈/鎂系發泡材料[50-52]。

5 結語

為推動秸稈資源綜合高效利用與產業化發展，今后需要進一步提高秸稈收集和利用水平，拓寬秸稈利用渠道，力爭早日實現秸稈綠色循環利用目標。可著重在以下幾個方面進行研究：1）提高秸稈收集、儲存和運輸能力，降低秸稈生產周期對生產利用的負面影響；2）改進、優化秸稈能源方面的應用，提高秸稈-能源轉化效率，降低應用成本；3）提高秸稈在工業生產制品中的用量，隨著城鎮化的推進，秸稈建材應用具有較好的市場前景；4）繼續開拓新型、高效的秸稈利用形式。