生物秸稈處理技術綜述

代亞平

（國家知識產權局專利局專利審查協作廣東中心，廣東 廣州 510000）

秸稈是農業生產的剩余物，秸稈的有機物質包括粗纖維和無氮浸出物。粗纖維是多聚糖，是一種復雜化合物，不溶于有機溶劑和水。無氮浸出物的主要成分是半纖維和聚糖醛酸，半纖維是碳水化合物。通過對秸稈的組成成分進行分析可知，秸稈主要是由復雜的碳水化合物，以及纖維素、半纖維素、木質素等構成。秸稈的營養成分受秸稈成熟度的影響，成熟度越高，其飼用價值越小；其飼用價值還與秸稈的種類和部位有關，如其葉比莖的飼用價值高，高粱秸的營養價值優于玉米秸，玉米秸的營養價值高于稻秸和麥秸。秸稈中的粗纖維難以被動物消化分解，木質素還會抑制微生物的活性，降低飼料中其他養分的消化率，木質素含量越高，秸稈的消化能和代謝能越低。秸稈中含有的 N、P、K、Mg、Ca、S 等元素是農作物生長所必須的營養元素，因此，秸稈也可以作為生物肥料，還田時可以補充營養元素，對改良土壤有著積極作用，用于農作物肥料時可以代替普通化學肥料，減少生產成本的同時，還能維護生產田地的肥力和生長環境。

生物秸稈涉及農業、農村和農民問題，也涉及環境保護、水土保持、資源利用以及土壤問題。正因為秸稈的價值功效，多年來，對秸稈利用的研究層出不窮。隨著社會的進步和發展，農業問題急需轉型，作為農業產物的秸稈，其處理與利用也面臨著巨大的挑戰。傳統的直接焚燒排放方式不但浪費資源而且污染環境，已經不能滿足當代社會的需求。因而一種環保且可持續的處理方法應運而生。關于秸稈的成分、利用價值、能源化利用的研究已經非常成熟，目前關于秸稈的利用還有利用秸稈參與一些環境修復和污染治理方面的研究，還有一些研究者研究秸稈的裝飾功效，將秸稈這一來源于自然的生物產物用于現代化裝飾理念中，從而提升了秸稈的應用價值。

農業生產后需要對秸稈進行處理，目前有多種針對生物秸稈的處理方法。早期對秸稈的處理方法有填埋、就地燃燒，該方法的優勢是操作簡便，但填埋方法占用大量土地，就地燃燒產生的廢氣直接排放污染大氣；在焚燒爐內焚燒秸稈，可以回收利用焚燒產生的熱量，但僅僅回收熱量性價比相對較低，且還需要配備專門的廢氣治理設備。隨后興起使秸稈轉廢為寶的方法，將秸稈作為資源加以利用，包括加工飼料、生物降解、氣化等，使秸稈生物降解后的產物可以作為肥料用于還田，可以在大棚種植中加以利用，而氣化秸稈產生的有機氣體可以作為化工原料，也可以制作清潔能源，產生較大的經濟價值。由于秸稈的特別成分，利用價值高，本文對多種利用方向進行介紹和總結，并對優劣進行比較，以及對相關方向的專利申請所涉及的技術進行介紹。

1 秸稈的處理方法

1.1 焚燒

秸稈具有可燃的特點，自古以來就作為燃料為人們日常生活所使用，因此，當生產和生活水平提高，新的燃料替代原始燃料時，農業生產中產生的過量秸稈便成為一種需要處理的廢料。早期，人們根據秸稈可燃的屬性通過就地燃燒的方式來處理，直接將秸稈堆放在田地，點燃秸稈燃燒。此種處理方式是最簡單的，可以迅速實現減容減量的目的，燃燒后的產物是灰燼，灰燼可以就地掩埋或堆放，成為土地的一部分，也避免了需要再次處理的麻煩。可焚燒的秸稈在經濟欠發達時期還作為農戶的柴薪，在很長一段時間內具有重要的作用和價值。

但是燃燒秸稈產生的煙氣攜帶大量的煙霧顆粒及未充分燃燒產生的氣體，形成聚集性的污染源，不但嚴重污染環境，而且降低空氣能見度，妨害交通安全，同時，大量燃燒產生火源也具有火災的隱患。因此，總體來說，焚燒秸稈弊大于利，且沒有實現資源的合理利用，不符合可持續發展的理念和要求。但是基于其便于處理的優勢，目前針對焚燒這一方法衍生出多種解決途徑，比如目前關于焚燒的發明專利申請集中在關于焚燒裝置的改進，對焚燒后產生的廢氣進行處理后排放，將焚燒產生的熱量進行進一步利用等。比如發明專利“申請一種移動式一體化生物質秸稈綜合利用裝置”[1]改進焚燒裝置的結構，一方面提高裝置使用的便利性，一方面將排出的煙氣通過煙氣凈化系統，產生的蒸汽用于發電，降低了秸稈處理的成本，且解決了廢氣污染的問題；“一種移動式秸稈資源化焚燒處理系統”[2]將秸稈收拾結構和秸稈焚燒結構統一為整體，收拾結構與生物質鍋爐進料口連接，生物質鍋爐上端出口與尾氣處理系統連接，實現自動化進料和排渣，就地焚燒秸稈，煙氣達標排放，灰渣直接還田，充分實現了秸稈的資源化處理。

1.2 肥料

生物秸稈中含有大量的有機質、N、P、K和微量元素，根據成分分析可知，其與環境的相容性是非常高的，且這些成分也是植物生長所必須的，因此，秸稈可以作為農業生產的有機肥源加以利用。利用秸稈還田可以提高土壤的有機質含量，改善土壤板結，增強土壤的松散度，增加透水性、透氣性和蓄水性能。秸稈作為原料生產的生物肥料，肥效更高，與土壤的結合性更好，可以減少化肥的使用量，也可以改善使用化肥對土壤的不利影響，對環境更加友好。秸稈作為肥料，對促進土地的循環利用具有積極作用，可以提高土地的可持續利用能力。

秸稈還田一般采取直接還田的方法，可以將整株直接拋棄在田地，也可以粉碎加工后施加在田間。也有將秸稈堆肥腐熟，利用微生物的作用產生有機肥熟料，且將其與畜禽糞便等混合后加工成有機肥，腐熟加工后的有機肥具有更優質的肥力，品質更好，可以用于專門食物糧作的栽培，大大提升產量并改善蔬果的品質，被用作大規模集中農業中，且可以充分利用秸稈和糞便各自的優劣實現更好地還田，特別是在北方地區，利用秸稈還田的面積逐年擴大。現有的發明專利申請“一種秸稈還田的耕作方法”[3]即公開用于作物秸稈還田，通過在作物耕地輪流依序挖1 m寬深溝深埋秸稈混合糞便發酵7年充分腐熟為腐殖質后挖出，7年一個循環，操作簡單，不占用場地，且解決了糞便攜帶蟲卵的問題。常見的還有用于食用菌的栽培，操作方便，還能為農民增收提供途徑。

直接利用秸稈還田是相對比較傳統的利用方式，而將秸稈腐熟加工成有機肥熟料是更加符合現代要求的方式，且隨著經濟社會的發展，大棚種植和綠色種植的大規模發展，對于此種有機肥熟料的需求凸顯，其已經發展成為一種規模化的處理方式。

秸稈生物降解是一項提高秸稈還田肥力的有效方法。選擇可以降解秸稈中纖維素、半纖維素、木質素、蛋白質等成分的細菌、真菌，將有機大分子進行部分或完全分解，可以進一步提高農產品的品質和產量，是綠色工程的一部分，而且可以實現農業的可持續發展，為農業調整產業結構提供思路。最近的發明專利申請集中在對降解條件的控制以分解為目標有機物方面。

1.3 加工飼料

農作物秸稈具有一定的植物營養價值，可直接飼養動物，秸稈作為動物飼料是一種古老且傳統的喂養食料。可以直接將秸稈喂養動物，也可以切段后喂養。然而，一些秸稈老化后不利于動物咀嚼，一些秸稈粗纖維不利于消化，這些弊端均影響了秸稈的可食用性和吸收性，因此，需要對秸稈進行處理，以便提高秸稈的營養價值，以符合現代飼養的需求。

在新式動物規模飼養中，通常將秸稈進行再加工以提高飼料的營養，常用的方法有青貯、黃化、氨化及糖化，可以實現規模化生產加工。加工腐熟過的秸稈原料具有熟香味，可以促進動物食欲，提高動物的采食，利于動物的生長，對大規模養殖具有重大意義。不但實現傳統的廢物利用，而且實現秸稈的商品化和市場化，為新農業注入活力。發明專利申請“一種秸稈厭氧發酵飼料包及其制作方法”[4]，通過將粉碎后的秸稈裝入可密封的包裝袋，秸稈在封閉的包裝袋內厭氧發酵成飼料以便于養殖，此種處理降低了操作難度，且實現秸稈到飼料的簡易轉變。類似此種對秸稈進行處理后再喂養的處理工藝層出不窮，大都集中在提高秸稈營養的吸收、促進動物食用量上，也有一些集中在如何延長飼料的保存周期方面。

1.4 氣化

秸稈作為燃料，早期用于生產沼氣，既可以集中生產，也可以到戶生產，技術成熟，有專門的配套設備，且操作實施簡單，從生產到使用過程也非常簡單。早些年提倡每家每戶建立沼氣池，實現自給自足，不但可以消耗秸稈，而且可以利用養殖廢棄物，但也存在一定弊端，家庭沼氣池的生產原料來源受限，供給量不足，容易出現在利用過程中突然燃氣中斷的現象，影響沼氣的可持續利用。

秸稈氣化是將秸稈粉碎加工后，在熱解氣化爐中將秸稈轉化為小分子化學產品的過程。最早的中國發明專利申請“秸稈利用的方法與裝置”[5]公開將秸稈熱分解氣化后，可生產活性炭、炭黑及電力，還可以生產其他化工產品，可以產生一氧化碳、二氧化碳、水、氫氣、氣化焦油。通過氣化的方法可以將大分子的有機物分解為低分子量的物質，可以控制氣化的溫度、壓力等條件，根據實際需求分解成不同的成分，特別是分解成可以供后續化工制備利用的小分子有機物，也即是將秸稈氣化后可以生產化工原料氣，將難以有效利用的廢棄物轉化為可以加工利用的化工成分，大大增加了化工原料的來源，且變廢為寶，擴大了生物廢棄物的用途，為農業的進一步擴展和農民的增收提供了途徑。秸稈氣化是一種非常有價值的處理方法，可以通過控制氣化的條件，比如溫度、壓力、水分含量等參數來控制產物的種類，結合實際需求通過氣化產生不同的氣體，且這些氣體作為中間產物，可以進一步投入到化工產品的生產工藝中，為化學工藝供給原料，可以實現零排放，使得秸稈的價值得到最大化利用。

1.5 其他利用

由于秸稈生物質含量高，可回收再利用價值高，針對秸稈的利用研究廣泛。

作為造紙原料。早期造紙技術中需要用到大量的樹木，隨著對秸稈纖維成分的研究，將秸稈補充到造紙工藝中已經是一項成熟且傳統的技術。

制作生物炭用于環境修復。如發明專利申請“一種改性生物炭及其修復土壤重金屬污染的方法”[6]，研究了玉米秸稈的炭化和用于修復環境的方案，首先將秸稈炭化，且通入二氧化碳氣體改性得到改性后的生物炭，將其研磨得到改性生物炭粉，利用該粉末吸附污染土壤中的重金屬，試驗證明改性生物炭具有極強的污染物吸附能力。“一種秸稈生物炭制作的礦山修復專用花缽制備方法”[7]也是先將秸稈粉碎后制成生物炭，然后用于修復礦山，實現很好的廢物利用，且保護了環境。

用于美學裝飾。隨著現代設計理念回歸自然的樸素思想，秸稈作為一種可利用的生物質具有一定的造型，因此將秸稈藝術化利用已經為廣大美學設計者充分采納。隨著秸稈的美學價值被挖掘，其在文化鄉建、產業鄉建、藝術鄉建中的創新利用已經日趨廣泛。例如利用秸稈纖維為原料加工纖維密度板、飾品等產品，用秸稈作為室內墻體裝飾的工藝造型等均是利用了秸稈的美學價值。

利用秸稈作為包裝材料、建材均是對秸稈價值的充分開發和挖掘。

2 結束語

關于秸稈的處理方法很多，包括焚燒、生物利用、轉化后用于環境修復等，各種方法均具有其相應的優勢和劣勢。焚燒的劣勢在于沒有充分挖掘秸稈的利用價值，浪費資源，但優勢在于可以批量處理，能即時實現大規模的減量。生物利用的優勢在于充分利用秸稈的有機物，為動物提供所需的有機質和微量元素，為植物生長提供所需的能量，且為土地提供更加綠色的肥料。轉化后用于環境修復充分利用秸稈的可炭化性，產生的生物炭吸附性能好，具有較好的環境修復功能。目前也有一些研究關注秸稈的美學功能，利用其來源于自然，與追求自然美的美學價值相一致的優勢，擴大秸稈的利用價值。