0、 引言
农林剩余物就是指农业生产中留下的作物秸秆、叶子和皮壳等。作物秸秆是主要的剩余物,联合国环境规划署报道,世界上各种农作物秸秆每年可产约 20亿 t,我国每年农作物秸秆产量约 7 亿 t。2004 年秸秆产量 6. 48 亿 t,农产品加工剩余物 1. 5 亿 t。粮食作物秸秆是我国的主要作物秸秆类型,稻草、玉米秸、麦秸依然是我国产量最高的 3 大作物秸秆。其中,棉秆占到全国秸秆总产量的 6. 24%。秸秆是一种宝贵资源,李新乐发现收获树干树皮、加倍采伐剩余物处理的杉木林生长最好。王同朝等研究发现:机械化全程覆盖可将自然降水的保蓄率由传统耕作法的 25% ~ 35% 增至现在的 50% ~ 60% ,可提高土壤饱和导水率和蓄水能力。利用好林区剩余物不仅可节约木材,提高森林资源利用率,还可以增加企业经济效益,提供就业岗位,促进森林更新。大量秸秆剩余下来,不仅占用土地,影响新农村的形象建设,而且存在安全隐患,污染环境。宋湛谦介绍,我国生物质能资源丰富,农林剩余物每年产生20. 29 亿 t,可用生物质仅为 13. 24 亿 t。据统计,枝桠、伐根和枯立木等剩余物约占采伐量 35%,枝桠所占比重最大,且利用价值也较高。
改变传统生产模式,确立新观念,开发新技术,实现资源的综合性利用,加强秸秆饲料的研究;围绕秸秆能源化利用技术、秸秆化学品制造及应用技术、秸秆材料化技术、秸秆加工机械化技术综合开发研究。本文总结了国内外对农林剩余物的利用技术,概括介绍了国内生物质利用状况,并提出了展望。
1、 我国对农林剩余物的利用
我国的秸秆利用率约为 33%,对农林剩余物的利用主要是秸秆还田、直燃发电、发酵制取生物油等。近年来,我国对农林剩余物进行了深度研究,并取得一定的进展。木质剩余物复合材料不仅具有良好的耐候性、耐腐蚀性、耐疲劳性,而且还可以减少各向异性,提高体积和形状的稳定性。农作物剩余物与煤粉混合燃烧有利于降低炉渣量并提高冶炼金属质量。2011 年,吉林省成立秸秆综合利用联盟,企业同科研单位和高校联盟,开展技术研发、成果转化、生产协作、担保融资、市场网络建设等方面的系统工作。吉林省国能辽源生物发电有限公司每年可消耗生物质燃料 20 万 ~ 28 万 t 左右,生产电量 2亿 kW·h。吉林鼎基新能源开发有限公司对秸秆进行深开发,生产木糖醇、木质纸浆、酒精、可降解餐盒和生物质有机肥等,形成产业链。松原来禾化学有限公司能够生产优良特性的高纯度木质素和纤维素。
2、 秸秆还田
秸秆还田不仅节省土壤对碳、氮、磷、钾等元素的用量,还改善了土壤的理化性质,提高土壤的生产力;同时,还可减少了燃烧秸秆产生一氧化碳、二氧化碳等带来的污染环境的问题。资源的综合利用是任何产业有效发展的关键。面临耕地面积减少、土壤有机质下降、土壤结构板结、生产力降低和环境污染问题,有学者基于我国现状和循环农业概念,提出遵循减量化(Reduce)、再循环(Recycle)、再利用(Reuse)、可控制化(Regulating)的“4R”原则。农作物秸秆全球每年生产 20 亿 t,我国每年生产约 6 亿 t。张静等[30]通过田间随机区组设计试验,研究了玉米秸秆还田量对土质和小麦产量的影响。结果表明:在黄土高原灌溉地区,施加氮肥 138kg /hm2、秸秆还田量为9 000kg / hm2,能够增加土壤有机质,减少氮流失,提高土壤肥力,接茬冬小麦增产 7. 47% ;将粉碎后的棉秆作为肥料,可减少施肥量 20%。马永良等研究秸秆还田后,在 20cm 以上的土壤容重比不还田的容重下降,增加了孔隙度,并为作物生长提供了较好的土壤环境。
玉米秸秆直接还田 - 小麦秸秆高留茬还田模式使其土壤保水相对较好,减弱了季节性干旱造成的影响,保障了农业生产,提高了作物产量。玉米秸秆连续翻压的土壤有机质比清茬平均年增加 0. 02% ~0. 039%,小麦、玉米秸秆还田后土壤微生物明显增加。许静等研究发现:坡耕地秸秆覆盖栽培秋马铃薯能减少土壤泥沙流失 57. 1% ~71. 4% ,能够抵御冬季的极端温度,还可以防止水分蒸发,提高保墒能力,增加土壤生物多样性。王海景等研究发现:
小麦秸秆休闲覆盖还田 3 ~ 9 年,土壤中的有机质含量增加0. 50 ~3. 05g/kg,全氮含量增加0. 02 ~0. 43g/kg,速效钾含量增加 13. 80 ~35. 80mg/kg,土壤容重降低 0. 03 ~0. 07g/cm3;同比小麦秸秆复播覆盖还田,有机质含量增加1. 07 ~3. 95g/kg,全氮含量增加0. 02 ~0. 049g / kg,速效钾含量增加 10. 60 ~ 36. 79mg / kg,土壤容重降低 0. 03 ~ 0. 04g/cm3。屈会娟等研究麦玉米秸秆还田对小麦的影响发现:小麦玉米秸秆连续全量还田小麦的小穗位结实粒数、小穗质量、小穗平均单粒质量均呈现二次曲线变化趋势,提高了小麦穗结实粒数和粒重。杨振兴等采用粉碎还田配秸秆腐熟剂对玉米增产效果显著,腐熟剂提高土壤中微生物数量、促进秸秆较快腐解,减轻和防止多量秸秆还田给作物生长带来的不利影响,同时可稳定提高土壤养分含量。王应等提出了适合于黄土高原地区推广农作物秸秆还田模式,通过玉米秸秆青贮、氨化、微贮、秸秆养畜过腹还田及秸秆覆盖还田、秸秆机械化直接还田等综合利用模式,进一步完善秸秆还田技术,得出了玉米秸秆深层覆盖还田技术适合本地区。
结果表明:秸秆还田 3 年比未还田每公顷增产玉米525kg,增产率7. 2% ;还田9 年比未还田每公顷增产 1215kg,增产率 16. 5% 。
秸秆经热解制成生物炭后在关中地区关中地区的石灰性土壤条件下比秸秆物理粉碎直接还田具有更加稳定的特性,不仅具有在缓解全球气候变化、减少温室气体的排放方面发挥积极作用的潜力,而且在增加土壤稳定性碳库,改善土壤有机质含量方面具有很大的潜力。
机械化秸秆还田影响着地上部作物的生长和发育,增加作物的有效光合面积,增加根条数、小麦的分蘖数等,进而影响作物的干物质积累与分配,最终影响到产量和经济效益。研究发现:过量的秸秆还田会造成土壤中 N、P 元素的过度富集,引起土壤富营养化;秸秆腐化会吸收水分,影响种子发芽。有研究表明,将生物质热解成生物炭加入到土壤中,可以增加有机质的含量,并且在气候变化方面增汇减排、改善土壤质量方面增效迅速且稳定。
3、 直燃发电
生物质能是世界上最丰富的可再生能源;但是其利用却非常有限,目前仅有 1% ~ 3% 的生物质能源被利用,占世界能源消耗总量的 15%。
3. 1 国外农林生物质发电现状
生物质直燃发电产业在欧美等国发展很快,据统计,截至 2004 年,世界生物质发电装机已达 3 900 万kW,年发电量约 2 000 亿 kW·h,可替代 7 000 万 t 标准煤。瑞典和丹麦等欧洲国家已经把以生物质为燃料的小型热电联产作为主要的供热方式,并保持持续、稳定地增长。目前,向商业化推进的生物质能研究及应用减少了石油的消耗,不断增加工业产值。瑞典 2006 年提出到 2020 年告别石油的目标。丹麦的BWE 公司开发的生物质直燃发电技术处于世界先进水平,同时还被联合国列为重点推广项目。在美国,利用生物质发电已经成为大量工业生产用电的选择,2002 年具有 9 733W 发电能力的生物质,已经成为非水利发电站生产电能的唯一的、最大的来源,并已被美国用于现存配电系统的基本发电量。芬兰、德国和奥地利都在积极推行建立生物质直燃发电联产厂。
印度、巴西和东南亚等发展中国家也积极研发或者引进技术建设生物质直燃发电项目。
3. 2 我国生物质发电技术
生物质的分散性、季节性、高含水率和低能量密度使其收集、运输和存储成为规模化利用的难点。据统计,我国目前秸秆综合利用率达到 70. 6% 。其中,作为燃料使用(含秸秆新型能源化工利用)的仅占到 17. 8% 。
我国生物质直燃发电产业发展的主要技术问题是农林生物质燃烧锅炉及高效燃烧技术。生物质直燃技术可以有效解决农林剩余物堆放、燃烧带来的污染和安全问题。我国生物质发电中,蔗渣占主要地位,占总发电装机容量的 85% ;但是由于锅炉容量小,采用中压技术,所以效率较低。与风光发电相比,生物质发电不具有波动性和间歇性,更稳定、安全。张莉等利用林间剩余物直接燃烧来加热蒸汽炉内的水,产生蒸汽推动汽轮机转动进而带动发电机发电,并发现汽轮机转速与锅炉压力、充电电压与汽轮机转速、充电电流与汽轮机转速都呈线性关系。那贵森结合东北三省玉米种植面积情况,研究出建设 50MW(2 ×25MW)装机容量的玉米秸秆燃料发电厂,发电量达到 100 亿 kW·h,节约煤炭 400 万 t 多。另外,农作物剩余物中硫磷元素含量比化石燃料低,且秸秆中的含碳量约占 40% ,同煤粉一样具有燃料价值。与煤粉混合燃烧有利于降低炉渣量并提高冶炼金属质量。
4、 生产能源燃料
我国于 1998 年 5 月决定实施秸秆气化国家示范工程,解决农村用能问题,缓解农村环境污染。在农村的沼气池中加入秸秆、杂草等其他有机物质,提供少量的空气,控制反应条件,经过厌氧发酵后产生沼气也是秸秆气化的一个途径。杏艳等在研究小熊猫粪便产氢特性基础上,系统进行玉米秸秆发酵产生氢气试验发现,用 7. 5g/kg 微贮剂糖化水解秸秆最为有效,可溶性糖和乳酸含量分别达到 212mg/g - TS 和21mg / g - TS。
4. 1 生物柴油
热解技术可以获得固液气 3 种产物。王通洲研究玉米秸秆发现,热解温度在 525℃时,生物油产率达到 49% 。同时,对产物进行分析表明,生物油的主要成分为酚、酮、酯、醇、醛及有机酸类,可为化工产业提供提纯产品。姚建中等研究在 480℃ 左右的温度下热解玉米秸秆制备生物油,液体产率为 45% 。王树荣等研究稻秆和木屑热裂解制取生物油,通过流化床反应器发现:快速升温能有效缩短颗粒在低温阶段的停留时间而抑制炭的生成,有助于提高生物油的产率;低灰分含量的木屑比稻秆更适合于热裂解制取生物油,还可以通过等离子体加热手段进行热解。研究发现,秸秆快速热解液化制取生物油产率低于木屑等生物质。由于制取的生物油存在 pH 值低、对设备有腐蚀性的问题,所以需进一步降低生产成本和提高技术的适应性,才能够大规模生产提供配套设备和技术。
4. 2 燃料乙醇
随着化石燃料的逐渐枯竭,生物质生产乙醇成为热点,发展秸秆制备燃料乙醇成为主流。燃料乙醇可添加到汽油、柴油中,减少有害物质的排放,还可以提高辛烷值。美国是全球生产乙醇最多的国家,美国的NREL 过程采用玉米秸秆为原料,每升成本可降低至0. 248 美元。由生物质发酵生产乙醇,到产物燃烧生成 CO2和 H2O,再经植物固定,形成了碳的闭合循环,可缓解全球温室效应。长春大成集团经过 3 年多自主研制出高新技术,采用用玉米秸秆和非粮植物生产化工醇,2t 玉米秸秆可生产 1t 多糖,可作为制造化工醇的原料。邓辉以棉花秸秆为原料,研究了棉花秸秆水解发酵转化乙醇的工艺,考察了酸碱、微波预处理和诱变菌株对棉杆的水解和转化的效率。结果表明:碱/微波预处理可以明显缩短预处理时间,除去秸秆中更多的木质素和半纤维素,从而提高预处理后棉花秸秆酶水解的初速度,且秸秆酶水解的还原糖得率基本保持不变。张应龙研究发现:通过热冲击等诱变手段筛选得到的酵母 X,使发酵得到的乙醇产量提高 15. 44% ,葡萄糖转化率提高 11. 30% 。
目前,国内农业废弃物资源转化方面主要集中在热解气化和超临界萃取方面。生物燃料可通过将生物质气化、液化或者热解得到。于树峰液化花生壳得出重油高产率的条件,以水作为溶剂,给料比为10g 原料 /100mL 水,反应温度 320 ~ 340℃ ,反应时间10min,添加 1/30(催化剂/原料,W/W)的 K2CO3产率可达到 21% ~ 28% 。司阳等利用克雷伯氏菌(Klebsiella oxytoca ZU - 03) 发酵玉米秸秆水解液生产 2,3 - 丁二醇,玉米秸秆水解液总糖浓度 80g/L,pH值控制在 6. 0,在 30℃下发酵 64h,总糖利用率达到了99. 36%,2,3 - 丁二醇的产率为 0. 468g / g。黄秀梅等使用活性炭和 Ca(OH)2脱去玉米秸秆水解液的毒性,发酵产丁二酸产量达到 66. 23g/L,比未经脱毒时提高 24. 81g/L。
5、 堆肥处理
农作物秸秆露天焚烧带来污染空气环境、引发火灾或交通事故、破坏土壤机构等问题,堆肥化是解决剩余物的一条有效途径。秸秆肥能够增加土壤有机质,提高肥力,增强作物抗病能力,提高产量和经济收入。刘凯等研究牛粪与玉米秸秆的不同配比对高温堆肥的影响,结果发现:牛粪与玉米秸秆的配比为3:
7 时,两天达到 55℃ ,高温持续时间为 16 天,快速腐熟,并且堆体无恶臭,各项指标均达到堆肥质量标准。李玉红等研究发现:牛粪与玉米秸秆的配比为 4:6 时,最高温度达到 71℃,升温快,效果最佳。李家祥以鸡粪和玉米秸秆为堆肥原材料,通过调节含水率、通风量、C/N 比等,对堆肥产品的品质进行评价,结果表明:调节鸡粪和玉米秸秆混合堆肥的初始C / N 比值为 30 时,更有利于堆肥的进行,而反应器堆肥优于露天堆肥。
6、制备吸附剂
对秸秆和林业剩余物的附加值利用是拓宽生物质应用领域的基础,可利用剩余物改性吸收重金属、制作水泥刨花板及作为菌类营养基等。例如,利用农业废弃物如小麦秸秆、甘蔗渣、花生壳、锯末等改性制备吸附剂吸收废水中的重金属元素。刘江国等采用改性玉米秸秆对含有 Cu2 +废水进行吸附处理,结果表明:质量浓度≤50mg/L 的 Cu2 +废水,秸秆投加量 0. 3g(质量浓度 6g/L),吸附平衡时间35min,对 Cu2 +的吸附率约 97. 2% ,吸附量约10mg/g。
刘江国等同时对改性玉米秸秆对水体中四环素的吸附进行研究,结果表明:在吸附剂用量 0. 4g 时,对水体中四环素浓度为 50. 136mg /L 的吸附率可达93. 4% 。俞宁等利用棉秆皮和棉铃壳中含有的酚式羟基化学物质,吸附处理重金属废水,尤其对 Cu、Zn、Cd 的吸附能力较强。陈广琪研究发现:棉杆对各种水泥都有很强的阻凝作用,水泥刨花板具有防腐、防火、防潮等优点。徐秀伟等利用农业废弃物作为培养单片黑木耳的原料进行研究,结果发现:采用 40% 的玉米芯、15% 的稻草、30% 棉秆、14% 豆秸和1% 的石灰,如果控制好湿度、温度和光照,10 天即可出耳,且量多、色深,产出比达到 18. 59% 。
7、 结语
农林剩余物是一种宝贵的资源,但是利用率很低,技术没有广泛推广,粗放式是目前主要的利用方式。其综合利用技术落后,没有规模或规模小,多作为肥料、饲料和燃料,没有其他突破,粉碎还田和秸秆饲料依然占主导。对于秸秆,利用率低,秸秆还田、秸秆肥料技术没有广泛地推广和应用,缺乏秸秆转化技术,未曾培育优良的作物秸秆品种;林间木材利用空间小,因收集、运输困难,阻碍了林业剩余物的发展。
因此,应争取政府大力支持,还要同企业、科研院所及各高校联合起来,实现政策上引导鼓励、技术上支持、应用上稳定、市场上繁荣等一系列措施。
参考文献:
[1] 刘大钧. 生物技术[M]. 南京:江苏科学技术出版社,1992: 65 - 138.
[2] 毕学工,饶昌润,彭伟,等. 高炉混合喷吹农林剩余物的发展现状与前景[J]. 河南冶金,2012,20(3):1 -12.
[3] 毕于运,高春雨,王亚静,等. 中国秸秆资源数量估算[J].农业工程学报,2009,25(12):211 -217.
[4] 王德炉,喻理飞,熊康宁,等. 喀斯特石漠化综合治理效果的初步评价[J]. 山地农业生物学报,2005,24(3) :233 -238.
[5] 李新乐. 采伐剩余物处理对杉木生长的影响[J]. 林业勘察设计,2011(2):35 -38.
[6] 王同朝,聂胜委,黄晓书,等. 机械化秸秆全量还田的研究现状及应用前景[J]. 河南农业大学学报,2006,40(6):672 - 677.
[7] 梁井林. 积极探索玉米秸秆的高效利用[J]. 农机市场,2008(11):34 - 36.
[8] 宋湛谦. 农林剩余物化学资源化高值化利用技术[J]. 江苏科技信息,2008(12):1 -3.
[9] 王斌. 吉林举办首届玉米秸秆综合利用高层论坛[N]. 中国工业报,2011 -01 -05(B2).
[10] 吕学富,陈历兰. 林区剩余物的加工利用[J]. 黑龙江生态工程职业学院学报,2007,20(2):77,117.
[11] 樊涛,贾莉华,马志远. 伐区剩余物收集及运输工艺和装备的探讨[J]. 林业机械与木工设备,2007,35(8):45 -46.
[12] 马振英,王英,王健. 秸秆处理技术的发展与启示[J]. 中国资源综合利用,2007,25(7):33 -37.
[13] 郭强能. 作物秸秆综合开发利用的探索[J]. 国土与自然资源研究,1989(3):69 -71.
[14] 张荣成,李秀金. 作物秸秆能源转化技术进展[J]. 现代化工,2005,25(6): 14 -17.
[15] 刘亚南. 印度批准设立国家清洁能源基金[EB/OL].
