关键词：农作物秸秆；综合利用；资源化
作者简介:白立勇（1978-），硕士，主要从事发酵工程、资源利用的研究。
我国是一个农业大国，据粗略估计，每年约产农作物秸杆8亿吨[1]。秸秆是农作物的主要副产品，也是十分宝贵的生物资源，主要含纤维、木质素、淀粉、粗蛋白、酶等有机物，还含有氮、磷、钾等营养元素。秸秆除了作燃料外，可以作肥料，也可以作饲料，还可以作工业原料。而目前只有一小部分用于纺织、造纸、建筑和饲料，绝大部分农作物秸杆仍露天焚烧或作燃料用，造成资源浪费，污染环境。
20世纪70年代后，世界能源危机的出现使人们开始将目光投向对可再生的生物能的开发利用上，并将研究开发的重点放在农作物秸秆的开发利用上。目前农作物秸秆开发与利用的主要技术手段分别是农作物秸秆的微生物发酵技术，如沼气发酵、燃料酒精发酵、饲料发酵；农作物秸秆的热化学转换技术，如热解液化技术、气化技术、致密成型及制炭技术；化学转化技术如化学制浆造纸。
1 农作物秸秆利用基础
1.1 秸秆的结构基础
农作物秸杆主要是玉米秸、高粱杆、稻草、麦杆、葵花杆以及花生壳、瓜籽皮、玉米芯等，其细胞壁的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素，亦即天然纤维素原料的主要组成成分。秸秆之所以难以被开发利用，其原因在于细胞外存在由纤维素、半纤维素和木质素等构成的坚韧细胞壁。构成细胞壁的结构单位是微纤丝，微纤丝相互交织成网状构成细胞壁的基本构架，在纤维素的网络结构中交联着非纤维素的基质，这些分子包括半纤维素、木质素和果胶类物质。关于细胞壁各层的微纤丝结构，具有代表性的是Fengel所提出的木材细胞壁结构模型。Fengel[2]认为：直径为3nm的基元原纤维是最基本的形态结构单元，由16根（4×4）基元原纤维组成直径约为12nm的原纤维，再由4根（2×2）这样的原纤维组成一根比较粗的微纤丝，其直径约25nm。微纤丝相互缠绕构成了直径约为0.5nm，长度约为4um的大纤丝，以这种方式聚合而成的纤维素分子，其强度超过了同样粗细的钢丝。基元原纤维之间填充着半纤维素，而微纤丝周围包裹着木质素和半纤维素。纤维素、半纤维素和木质素相互交织，任何一类物质的降解必然受其它成分的制约，如木质素对纤维素酶和半纤维素酶降解天然纤维素原料中的碳水化合物有空间阻碍作用，致使许多纤维素分解菌不能侵袭完整的天然的纤维素原料。
1.2 秸秆成分的理化性质
纤维素的聚集体分为结晶区和无定形区结构，结晶区部分分子排列比较整齐、有规则，密度较大，为
纤维素链中每个葡萄糖基环上有3个活泼的羟基，这些羟基可以综合成分子和分子间的氢键，增强了纤维素分子链的完整性和刚性，使分子链紧密排列成高度有序的结晶区，增加
半纤维素既溶于碱（5%的Na2CO3溶液）又溶于酸（2%的HCl溶液）。由于半纤维素聚合度低，结晶结构无或少，因此，在酸性介质中比纤维素容易降解。
原本木质素是一种白色或接近无色的物质，我们看到的木质素的颜色是在分离、制备过程中形成的。木质素的相对密度大约在1.35-1.50 之间，非常坚硬，从而增加细胞壁的硬度，不溶于任何溶剂，但在分离木质素时因发生了缩合或降解而使性质改变，在酚羟基和羧基存在时，木质素能溶于浓的强碱溶液中。
2 农作物秸秆的利用技术
2.1 秸秆饲料化技术
作物秸秆可以直接用作食草动物的饲料，但适口性较差，采食量少。秸秆氨化处理后，粗蛋白由3-4% 提高到8% 左右，有机物的消化率提高10－35个百分点，并含有多种氨基酸，可以代替30%－40%的精饲料。因此，氨化秸秆喂羊、牛等，效果很好。秸秆也可以粉碎成草糠，作动物辅助饲料。秸秆氨化处理实际上是碱处理的一种形式，即NH3溶于水变成NH40H。通过氨化处理的秸秆，将不易溶解的木质素变成较易溶解的羟基木质素，使细胞间的镶嵌物质与细胞壁变得松散，利于纤维素酶和消化液渗透其内。大量研究结果表明：品位越差的秸秆，氨化处理的效果越显著。小麦秸秆氨化处理后，使有机物的消化率提高35%；玉米秸秆氨化处理后，使有机物的消化率提高25%。
秸秆青贮主要是利用玉米、豆类、甘薯等优质秸秆进行青贮。通过青贮，既保存秸秆原有的品质、增加醇香味、增强适口性，而且保存时间较长，可把夏秋的青绿饲料保存到冬季利用，特别对促进幼畜生长发育增加母畜产奶量效果好，已逐步成为反刍动物的重要饲料。
微生物发酵秸秆饲料是利用高活性微生物菌剂，放入密封的容器(如水泥窖、土窖等)中贮藏，经过一定的厌氧发酵过程，将秸秆饲料的某些成分进一步合成为营养价值较高或适口性较好的物质，使秸秆变成质地松软、湿润蓬松、酸香适口的粗饲料，是解决人畜争粮矛盾的有效途径之一。
目前秸秆经微生物发酵转化生产蛋白质饲料或单细胞蛋白（SCP）有一定进展。陈庆森等[3]以秸秆为原料，利用多菌种混合发酵，经测定发酵液中玉米秸秆的纤维素利用率达70%，粗蛋白得率在23% 以上，大大提高了玉米秸秆的营养值，同时对替代饲用粮生产蛋白富集饲料提供了很好的基料。杨学震[4]用发酵法将玉米秸秆生物转化为蛋白饲料，将秸秆中原6.7%的蛋白含量提高到14.7%，同时使纤维素含量降低38.0%，半纤维素含量降低21.2%。
2.2 秸秆能源化技术
秸秆的能源密度为13-15MJ/Kg，作为农村主要的生活燃料，其能源化用量占农村生活用能的30%- 35%。现行主要的秸秆能源化利用技术有秸秆直燃、供热技术、秸秆气化集中供气技术、秸秆发酵制沼技术、秸秆发酵生产燃料酒精技术、秸秆压块成型及炭化技术等。
秸秆直燃供热作为传统的能量转换方式，直接燃烧具有经济方便、成本低廉、易于推广的特点，可在秸秆主产区为中小型企业、政府机关、中小学校和相对比较集中的乡镇居民提供生产、生活热水和用于冬季采暖。目前，英国、荷兰、丹麦等国家已采用大型秸秆锅炉用于供暖、发电或热电联产。我国秸秆直燃供热技术起步较晚，适合我国农村特点的、运行费用低于燃煤锅炉的小型秸秆直燃锅炉的研究正加紧进行。
秸秆气化是高品位利用秸秆资源的一种生物能转化方式。经适当粉碎后，秸秆在气化装置内不完全燃烧即可获得理论热值为5724 KJ/m3的燃气，其典型成分为：CO 20%，H2 15%，CH4 2%，CO 2 12%，O2 1.5%，N2 49.5%。燃气经降温、多级除尘和除焦油等净化和浓缩工艺后，由罗茨风机加压送至储气柜，然后直接用管道供用户使用。秸秆气化集中输供系统通常由秸秆原料处理装置、气化机组、燃气输配系统、燃气管网和用户燃气系统等五部分组成，供气半径一般在１公里之内，可供百余户农民用气。秸秆气化经济方便、干净卫生、在小康村镇建设中广受欢迎。但大规模推行秸秆制气还需解决气化系统投资偏高，燃气热值偏低，以及燃气中氮气与焦油含量偏高等问题。
秸秆发酵制沼气技术历史悠久，是多种微生物在厌氧条件下，将秸秆降解成沼气，并副产沼液和沼渣的过程。沼气含有50%-70%的甲烷，是高品位的清洁燃料，它可在稍高于常压的状态下，通过PVC管道供应农家，用于炊事、照明、果品保鲜等，或加工成动力燃料和甲醇等做双料发动机燃料。秸秆可直接投入沼气池，也常用做牲畜饲料，转化成粪便进入沼气池，池中秸秆、人畜粪便、和水的配比一般为1:1:8，在产沼过程中，需定期投入发酵基质及清理沼渣。实践表明：一个3-5口人的家庭，建一口8-10m3的沼气池，年产300-500 m3的沼气，可满足一日三餐和晚间的照明用能。因此，秸秆制沼不仅可优化农村能源结构，节约不可再生能源的消耗，还具有良好的经济、环境和生态效益。
秸秆发酵生产燃料酒精技术是以秸秆纤维素为原料制备乙醇的研究，早在100多年前就开始了。这一过程包括三个阶段：第一，通过物理的、化学的或酶技术将纤维素聚合物降解为单糖；第二，微生物将糖转化为乙醇；第三，通过蒸馏回收乙醇。其中，第一阶段最为重要。早期的研究主要是采用蒸汽爆破法和浓酸法水解糖化纤维素成葡萄糖。蒸汽爆破法是用蒸汽将原料加热至200-240℃[5]。维持30S～20min高温高压造成木质素的软化，然后迅速使原料减压。造成纤维素晶体和纤维束的爆裂，使木质素和纤维素分离。稀酸水解一般采用稀硫酸（0.5%～0.2%），可在较温和条件下进行，水解一般分二个阶段，第一阶段为低温操作，从半纤维素获得最大糖产量。第二阶段采用高温操作，使纤维素水解为六碳糖，糖的转化率一般为50%左右。稀酸水解容易产生大量副产物，浓酸法耗酸量大，对设备腐蚀性大，能耗高。20世纪60年代人们认识到可以从纤维素获得葡萄糖来补充人类食物的来源，这样就加速了纤维素酶的研究。1979年，遗传育种技术[6]用于提高纤维素酶产量，使纤维素酶的发酵活力较原始出发菌株提高了20多倍。从现有的水平来看，采用温和的酶水解技术可能更为合适，酶水解是生化反应，与酸水解相比，它可在常压下进行。这样减少了能量的消耗，并且由于酶具有较高选择性，可形成单一产物，产率较高（>95%）。
2.3 秸秆肥料化技术
目前秸秆肥料的利用技术有秸秆直接还田和秸秆堆沤还田。秸秆直接还田有翻压还田和覆盖还田两种形式。翻压还田指作物收获后，将秸秆粉碎或留高茬直接翻压土中。覆盖还田是将秸秆覆盖于田间地表或作物株行之间，或是残茬覆盖，即当农作物收获时，留高茬还田，采取免耕翻覆盖。秸秆堆沤还田是将秸秆用铡草机切碎堆起来或投入坑中，灌入水，然后用土封起来沤制秸秆[7]。目前，通过选育出分解纤维素的优良微生物菌种或加快秸秆腐熟的化学制剂，解决了传统堆沤形式劳动强度大、堆沤时间长、污染环境等问题。用秸秆与畜禽粪积制堆肥，粪与草隔层堆积、压实。这样可以促进熟化，提高肥效。
2.4 秸秆其它应用技术
秸秆除了以上用途之外，还可以利用秸秆发电，造纸，生产可降解的包装材料，制作人造板等。目前我国造纸制浆原料中，1/3 来源于秸秆，其制浆具有成本低廉、成纸平滑度好，容易施胶等优点。用麦秸、稻草、玉米秸、苇秆、棉花秆等生产出的可降解型包装材料，如瓦楞纸芯、保鲜膜、一次性餐具、果蔬内包装衬垫等，具有安全卫生、体小质轻、无毒、无臭、通气性好等特点，同时又有一定的柔韧性和强度，制造成本与发泡塑料相当，而大大低于纸制品和木制品，在自然环境中，一个月左右即可全部降解成有机肥。
3 展望
目前秸秆的综合利用技术，正从早期的直接或堆沤还田、烧火做饭取暖、加工粗饲料，向着快速腐熟堆肥、气化集中供气、优质生物煤、高蛋白饲料和易降解包装材料、有价工业原料及高附加值工艺品等方向发展。从农业生态系统能量转化的角度来分析，单纯采用某一种利用方式，秸秆能量转化率和利用率会受到限制。因此，根据各类秸秆的组成特点，因地制宜，把其中几种方法有机地组合起来，形成一种多层次、多途径综合利用的方式，从而实现秸秆利用的资源化、高效化和产业化是未来生态农业发展的必然趋势。
参考文献
[1]邢廷铣.农作物秸秆饲料的加工和利用.北京:金盾出版社,2000.
[2]陈洪章.纤维素生物技术[M].北京:化学工业出版社,2005,12.
[3]陈庆森,刘剑红,潘建阳,等.利用多菌种混合发酵转化玉米秸秆的研究[J].生物技术,1999,9(4):15-19.
[4] Yang X X,Chen H Z,Gao H L.Bioconversion of corn straw by coupling ensiling
[5]陈洪章,陈继贞,刘健,等.麦草蒸汽爆碎处理的研究[J].纤维素科学与技术,1999,7(2):60-67.
[6]欧阳平凯,韩祖国.木质纤维素物质水解新技术及应用[J].化工进展,1992,1:42-45.
[7]秦光蔚,周祥.秸秆综合利用技术[Ｍ].南京:江苏科学技术出版社,2001.
