秸秆资源高值化利用探究--杨明岳

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老农民 发表于 2015-12-14 20:02:33 来自手机 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 老农民 于 2015-12-14 20:05 编辑

摘要  通过以直接将秸秆资源投入工业生产与以秸秆资源作为循环农业的基物这两种模式以及细分的8种方法,即秸秆发酵生产乙醇,秸秆热解生产生物油,秸秆发酵生产饲料肥料以及秸秆养殖与能源循环型农业模式、秸秆制炭循环型农业模式、秸秆沼气循环型农业模式、秸秆食用菌循环型农业模式和秸秆生物反应堆循环型农业模式的构建,为高值化利用秸秆资源做一些方式上的归纳。
关键词   秸秆资源 高值化 循环农业 利用


我国是一个农业大国,每年生产秸秆约7亿多吨。近年来,由于农村生活能源结构发生了较大的调整,秸秆正由传统的燃料逐步转变成为一种无用的物质,同时,由于秸秆作为有机肥料的效用被化肥所取代,作为牲口的饲料被农业机械所取代,作为传统的建筑材料被现代建筑材料所取代,秸秆正作为传统意义上的燃料,肥料,饲料,建材被排除于农业生产的内部循环之外。
另一个方面,秸秆大量直接还田也是不现实的,因为占秸秆总量15%的秸秆根茬还田即能达到土壤有机质的平衡,大量的秸秆直接还田会造成秸秆腐烂不充分,未腐烂的秸秆未起到肥田作用,反而会影响作物的出苗率,由此,就地焚烧经济,省事,逐渐成为了大多数人的选择。
然而,秸秆的露天焚烧不仅浪费了宝贵的秸秆资源,也造成了严肃的环境问题和社会危害,据农业部调查显示,2009年全国废弃及焚烧秸秆资源的总量达到了2.12亿t,占当年秸秆资源可回收量的31.31%。[1]
秸秆焚烧污染问题的出现,表明了我国现有工业方式还无法将解决秸秆的出路问题,因此,将秸秆作为一种生产农用品的重要资源,研究其在循环农业以及可持续发展
工业中的转化功用,可为解决我国秸秆就地焚烧问题提供可行的技术支持。同时也对农业增效,农民增收以及地方经济发展带来巨大的推进作用。
以此,笔者对基于循环农业的秸秆高值化利用方式做出分析,归纳并讨论。
1  循环农业与秸秆资源高值化利用
1.1  循环农业的基本内涵  循环农业是国内学术界在资源与环境的约束背景下研究农业可持续发展而提出的一种理论,它是循环经济思想在农业领域的具体应用。目前,学术界关于循环农业没有统一的定义,但对循环农业基本内涵的理解大致相似。尹昌斌[2]等认为,循环农业是一种全新的理念和策略,其核心是运用可持续发展思想、循环经济理论与产业链延伸理念,通过农业技术创新,调整和优化农业生态系统内部结构及产业结构,最大程度地利用农业生物质能资源,利用生产中每一个物质及环节,倡导清洁生产和节约消费,严格控制外部有害物质的投入和农业废弃物的产生,最大程度地减轻环境污染和生态破坏,以实现农业生产各个环节的价值增值,实现生态的良性循环与农村建设的和谐发展。
1.2  秸秆资源高值化利用  秸秆资源的多级循环利用是秸秆资源高值化利用的一种重要模式,其特点是将秸秆资源作为一个重要的子系统引入到整个农业生产系统的循环路径当中,寻求秸秆资源的合理的环境友好的高效的利用方式。同时,以秸秆资源为工业生产原料,综合开发利用生物质能,目前,我国秸秆资源利用方式单一、产业链条短、经济效益差、产业化程度低,严重制约了秸秆综合利用水平的提高。因此,按照循环农业的理念,通过发展以秸秆资源多级循环利用为特征的循环型农业以及秸秆资源为底物的工业生产方式,从而增加秸秆资源的附加值,提高秸秆资源的利用率,将是未来我国秸秆资源高值化利用发展的重要方向。
1.3  秸秆资源高值化利用的研究思路  根据中国农村的现状以及秸秆资源的生物特性,按照“适度规模,高值产品,服务三农”的指导原则,以将秸秆资源高效转化为生物油,生物有机肥料及饲料等高值化产品以及将秸秆资源作为农业多级循环的底物为主要方式,采用秸秆组分分离-纤维素酶解发酵与热化学转化的方法,解决秸秆资源在分子结构与微生物发酵过程,新型固态发酵过程以及秸秆资源循环农业产业链系统这三个方面的问题。
1.4  秸秆资源高值化利用的主要研究内容  秸秆生物量的全利用的有效途径是分层多级循环利用方式,这有助于解决秸秆资源单一组分利用所造成的资源浪费,易污染的问题,秸秆资源的分层多级循环利用方式主要依靠秸秆资源组分分离机制及其新方法的研究。纤维素的酶解是秸秆资源作为工业底物生产时的重要转化途径,所以纤维素酶解过程的分子结构变化研究以及纤维素酶分子结构功能的研究也是很重要的,主要包括氢键酶的研究,耐热纤维素酶类的研究等。
同时,对于以秸秆资源为底物的循环农业模式的过程探索也是必要的,可以就秸秆生物转化过程中设计的微生物菌种进行基因改造,以提高其与秸秆的亲和度,就纤维素高浓度发酵分离微生物油脂耦合过程的基础与工程学研究,解决高浓度纤维素发酵分离乙醇的有效机制,为改善秸秆资源能源循环农业模式以一些建议。
1.5  秸秆资源高值化利用的基本原则  发展基于循环农业的秸秆资源高值化利用主要坚持以下三个原则:(1)循环利用与资源化原则。秸秆资源本质上是农业生产过程的废弃物,按照循环农业的基本原理,可通过微生物发酵技术等手段变废为宝,使其重新回到农业生产产业过程中去,从而实现废弃物的资源化利用。(2)多级利用与产业链延伸原则。物质与能量的多级利用是提高农业生态系统能量及物质利用效率的有效途径,多级利用原则要求在利用秸秆资源的过程中,对秸秆资源及其相关废弃物实现多次利用,通过延长资源的使用周期来提高其使用效率,这需要通过延长产业链来实现。(3)产业化与价值增值原则。依照循环农业原理,秸秆资源的循环利用需要联合多个产业,通过将秸秆资源的利用过程由单独过程推广至各个产业进而实现循环模式的构建,即秸秆的储运,利用,生态养殖,无公害种植,加工等多个环节的有机衔接,推动秸秆资源产业化的构建,同时大幅提高秸秆资源的产业附加值,实现其高值化利用。
2   秸秆资源的高值化利用方式
2.1  作为生产原料的秸秆资源高值化利用方式  秸秆资源是一种广泛分布的,量特别大的农业废物,然而不恰当的利用和随意焚烧造成了资源的严重浪费,资源紧缺的现状推动了秸秆资源化利用的进程。
2.1.1  纤维素发酵生产乙醇  世界上已知的石油储量在大约三十年之内将被用尽,所以有必要开展新能源的研究与开发,太阳能是取之不尽,用之不竭的可再生能源,植物利用太阳能合成木质纤维素,是巨大的可再生资源。目前,我国以开展了乙醇燃料试点工程,旨在研究如何高效地产出燃料乙醇,我国是一个木材紧缺的农业大国,具有丰富的农业废弃物,仅农作物秸秆,皮壳一项,每年即可达7亿多吨,将这些废弃物高效转化为可利用的乙醇,对保护环境,开发新能源具有重要作用。目前我国主要运用的纤维素发酵技术为(1)分步水解糖化发酵;(2)直接转化法;(3)同步糖化发酵;(4)固定化细胞发酵;(5)酶膜反应器等。以上发酵技术都存在着或多或少的问题,因此,杨森[3]等设计了一种新型工艺,通过固相酶解来提高底物浓度,最终提高酶解产物与发酵产物的浓度,减轻后续分离过程的困难,同时在新工艺中通过膜技术将酶解和发酵耦合为一个整体,这样可解决分布糖化发酵和同步糖化发酵存在的缺点,另外将分布糖化发酵,同步糖化发酵,固定化细胞发酵的优点结合在一起。
2.1.2  秸秆热解生产生物油   快速热解技术能够将生物质转变成便于储存运输,具有替代石油的潜力的液体燃料-生物油,干基收率为60~75%(质量比)。目前,国内外相继开发多种快速热解技术和工艺方法[4],比较成熟高效的热解方法有(1)生物质分级处理快速热解;(2)下行循环流化床快速热解脱灰处理。第一种方法通过蒸汽汽爆,固态发酵分级处理生物质,使得热解气产率降低,焦炭产量增加,热解油产量提高,同时还可使生物油热值提高,品质得到改善。后一种方法通过利用下行循环流体床,在一定温度范围内对秸秆进行快速热解提取液体产物,系统操作平稳且连续。
2.1.3  秸秆转化生产饲料与肥料[5]  我国农业增产在发挥农业养分再循环的肥源潜力上有广阔前景,目前,农村秸秆资源普遍相对过剩,焚烧秸秆已成为较普遍的现象。然而,经过分拣进行堆肥可以实现资源化,减量化,无害化,据此,可以充分利用秸秆作为有机肥源,在微生物的作用下,生成生物肥料,通过生物肥料的施放来适当减少化肥的使用。目前一种比较好的方法是通过气爆秸秆固态发酵来培养出固氮,固钾,固磷的细菌,气爆过后的秸秆含有大量的糖类物质,更易于细菌生长。同时,秸秆也可以调制出青,黄贮饲料,因为其中含有大量的木质纤维,木质纤维经过一定的分解可以得到乳酸等产物,能够为畜牧业提供充足的饲料保证。
2.2  作为循环农业底物的高值化利用方式
秸秆资源不仅可以作为单独的生产原料投入到工业化生产中,同时也可以由秸秆资源为基物来构建起多种多样的循环农业模式。[6]
2.2.1  秸秆养殖与能源循环型农业模式 秸秆养殖与能源循环型农业模式的主要特征是将秸秆利用与畜牧养殖业、无公害种植、清洁能源生产结合起来,以秸秆作为饲料饲喂畜牧为起点,通过养殖废弃物的资源化利用延伸产业链条,实现秸秆养殖、生态种植与能源生产的相互耦合与和谐共生。这种模式多级循环利用的基本路径可简要表述如下:秸秆通过物理、化学或生物方法加工成饲料,用于畜牧养殖;畜牧粪便一方面可以通过厌氧发酵产生沼气,另一方面可以进入发酵车间生产生物有机肥;沼气用于发电或给周边居民供气,沼液作为沼肥用于粮食、蔬菜、花卉、水果等种植,沼渣用于饲养蚯蚓;沼气发电用于畜牧养殖的饲料加工或加工秸秆固体成型燃料,蚯蚓用于喂养鹅鸭等家禽,生产有机禽蛋;秸秆固体成型燃料一方面可通过与农户交互秸秆的方式,用于家庭取暖和炊事,另一方面可通过市场卖给工业企业或城市集中供暖用户。其多级循环利用的工艺流程可表示为
  秸秆一畜牧养殖一后续产业链一农田(园地)。
畜牧粪便后续产业链条的开发主要有4条。
产业链1: 沼气发电一秸秆固体成型燃料一农户炊事供暖(工业锅炉、 农产品烘干和集中供暖)一灰分一农田;
产业链2:沼液一粮、菜、花、果;
产业链3:沼渣一蚯蚓养殖一家禽(水产)养殖一有 机禽蛋(水产品),蚯蚓粪(塘泥)一粮、菜、花、果;
产业链4:畜牧粪便一复合菌发酵车间一生物有机肥—粮、菜、花、果。
2.2.2  秸秆制炭循环型农业模式 秸秆制炭循环型农业模式的主要特征是将秸秆利用与工业生产、农业种植与清洁能源生产结合起来,以秸秆热解为起点,通过对气、液、固等热解产品的后续开发来延伸产业链条,实现秸秆的资源化利用和价值增值。这种模式多级循环利用的基本路径可简要表述如下:秸秆通过热解气化可转化成固体的生物质炭、秸秆气和木醋液;生物质炭进一步加工成为栽培基质、肥料缓释剂和土壤修复剂用于农业生产,秸秆气可用于发电或给周边农户供气,木醋液可进一步加工成叶面肥或杀虫抗菌剂等农药用于农业生产。其多级循环利用的工艺流程可表示为秸秆一热解一秸秆气一农户供气(发电自用),木醋液一叶面微肥(农药)一粮、菜、花、果,生物质炭一碳基肥料(肥料缓释剂)一粮、菜、花、果。
2.2.3  秸秆沼气循环型农业模式  秸秆沼气循环型农业模式的主要特征是将秸秆利用与清洁能源生产、生态种植结合起来,以秸秆厌氧发酵产生沼气为起点,通过沼渣、沼液的综合 利用来延伸产业链条,实现经济效益和环境效益的统一。这种模式多级循环利用的基本路径可简要表述为:秸秆作为发酵原料通过厌氧发酵产生沼气;沼气用于农户供气或发电,沼液作为沼肥用于粮食、蔬菜、花卉、水果等种植,秸秆沼渣可用于基料培养蘑菇,菇渣返还农田(园地)。其多级循环利用的工艺流程可表示为秸秆一沼气一农户供气(发电),沼液一粮、菜、花、果,秸秆,沼渣一食用菌一菇渣一粮、菜、果。
2.2.4  秸秆食用菌循环型农业模式  秸秆食用菌循环型农业模式的主要特征是将秸秆利用与食用菌栽培、养殖业、无公害种植业、清洁能源生产结合起来,以秸秆作为基料用于食用菌栽培为起点,通过菇渣的后续开发利用来延伸产业链条,提升秸秆食用菌产业的附加值,实现经济与生态的有机统一。这种模式多级循环利用的基本路径可以简要表述为:秸秆经过浸泡、消毒和发酵等处理后用作食用菌栽培的基料;秸秆生产食用菌后形成的菇渣可作为菌体蛋白饲料,用于饲养猪等家畜;菇渣也可作为优质的有机肥,在食用菌收完后,通过菌袋直接还田;菇渣还可作为沼气发酵的原料,用于产生沼气,沼气产生后的沼渣、沼液可进一步用于粮、菜、花、果等种植;此外,还可将菇渣用于繁殖蚯蚓,蚯蚓是畜禽和高档水产养殖的优质蛋白饲料,蚯蚓粪可作为有机肥返还农田。其多级循环利用的工艺流程可表示为秸秆一食用菌一菇渣一后续开发一农田(园地)。实践中,秸秆食用菌循环型模式菇渣后续开发主要有4 条产业链。
产业链1:秸秆一食用菌一菇渣一粮、菜、花、果;
产业链2:秸秆一食用菌一菇渣一沼气一农户供气(发电自 用),沼渣、沼液一粮、菜、花、果;
产业链3:秸秆一食用菌一菇渣一蚯蚓养殖一蛋白饲料,蚯蚓粪一粮、菜、花、果;
产业链4:秸秆一食用菌一菇渣一家畜养殖一粪便一粮、菜、花、果。
2.2.5  秸秆生物反应堆循环型农业模式 秸秆生物反应堆循环型农业模式的主要特征是通过生物菌剂作用将秸秆资源快速腐熟,用作农作物生长的高效肥料,实现农业生产的降本增效,推动秸秆资源利用的产业化。这种模式多级循环利用的基本路径可简单表述为:将秸秆放入内置式或外置式反应堆,加入微生物菌种、催化剂、净化剂进行好氧发酵,然后应用于蔬菜、水果和花卉等作物种植。其多级循环利用的工艺流程可以表示为秸秆一生物反应堆一农田(园地)。  
3  结论与讨论
秸秆的露天焚烧以及不合理的利用是对秸秆资源的严重浪费,秸秆资源的能源化,饲料化,基料化,肥料化是秸秆资源合理利用的四大途径,通过将秸秆资源作为生产原料投入到工业化生产当中,经由高新技术的使用进而实现秸秆资源的高值化利用,通过将秸秆资源作为基物投入到循环农业的构建中,通过产业链的延伸以及资源的循环多级利用来提高秸秆资源的附加值,从而实现秸秆资源的高值化利用,这两种方法都有助于解决目前我国出现的日益增多的秸秆资源无法被现有的农业,工业模式完全利用这一严肃问题。
日前,这两种模式都在被政府小范围地试点实践,为推动秸秆资源高值化利用在全国范围内的实行,笔者认为还有以下几点需要我们做到(1)政府需加大力度宣传并做好此类企业的相关扶持工作,一味的禁止焚烧秸秆却不宣讲解决办法只是治标而非治本的表现。(2)农民的意识需要提高,政府需要做好秸秆高值化利用所带来的经济增收的宣传工作。(3)相关企业需要开发新的技术,研究新的模式而非因循着旧的思路。
参考文献:
[1] 农业部科技教育司 全国农作物秸秆资源调查与评价报告
[2] 尹昌斌.唐华俊.周颖 循环农业内涵、发展途经与政策建议[期刊论文]-中国农业资源与区划 2006(01)
[3] 杨森,丁文勇,陈洪章 膜生物反应器在气爆稻草秸秆酶解中的应用研究  环境科学,2005
[4] Brigewater A V, Peacocke G V C. Renewable and Sustainable EnergyReviews.2000
[5] 王炜 崔春生  秸秆发酵生产饲料过程中的微生物多样性   
[6] 冯伟 张利群  基于循环农业的农作物秸秆资源化利用模式研究
[7]陈洪章  秸秆资源生态高值化理论与应用  
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