农作物秸秆资源的利用现状探究(2)

　　秸秆固化成型是一种对秸秆进行成型处理的现代化技术，利用成型设备将松散的、不定型的农作物秸秆压制成高密度、具有一定形状的固体成型燃料。农作物秸秆经过成型处理，热效率相比于传统直燃方式提高了50: ~ 70:[9],可替代木材、原煤和燃气等燃料，节约了大量能源； 成型燃料在运输、贮藏和使用的方便性上也要优于秸秆传统直燃方式； 秸秆块易于实现产业化和规模化生产，在我国得到了广泛的应用。华旭（2005） 等人将粉碎后的秸秆与掺混物混合并压制成可取代煤做燃料的秸秆块[10].物料特性和加工工艺是影响秸秆成型的主要因素，为了保证秸秆的成型性，杨俊成（1997） 对开模压饼过程中秸秆的物料特性进行了研究[11].针对秸秆固化过程的工艺参数，段建（2010） 和侯振东（2013） 等人分别进行了优化[12 - 13].秸秆固化成型技术在黑龙江、河南两省应用广泛。
　　
　　秸秆与煤混合燃烧进行发电是一种现代化秸秆综合利用方式，该方法不但可以提高燃料的燃烧特性，节省燃煤的用量，提高生物质的利用率，还可以减少温室气体的排放，对减轻环境的污染有重要作用。研究表明： 当生物质占总燃料的能量比例低于20:（ 秸秆作为生物质燃料时，质量比例约低于30:） 时，不需要改变电厂的任何装置，利用现有的燃煤发电设备就可以实现生物质混燃发电[14].因此，混燃发电是一种低成本、低风险、高效率、清洁环保、操作性强的生物质能源利用方式，不但实现了秸秆的高效利用，还有效地缓解了秸秆的收集和存储压力，农民也因为秸秆的可回收利用而增加了收入。
　　
　　2. 1. 2秸秆气化
　　
　　秸秆气化是一种将固态原料转化为方便清洁气态能源的生物质能转化技术，按照气化方法分为热解气化和秸秆沼气两种。
　　
　　热解气化是以粉碎后的农作物秸秆为原料，在缺氧的环境下经过干燥、热解、燃烧和还原4个阶段，生成由一氧化碳、氢气和甲烷等混合而成的无烟、无尘、无污染的秸秆燃气，再经过净化、除尘、冷却、加压存储等操作，最后以储气罐或地下管网的形式输送到农户家中，作为炊事、采暖的燃料。秸秆气化后的燃烧效率 可 以 达 到35: ~ 45:,比 直 接 燃 烧 提 高 了2倍[15]; 同时，具有清洁、方便、廉价等优点，因此在农村较受欢迎。
　　
　　沼气是一种农村常用的燃料，沼气发酵是以人畜粪便与农作物秸秆等的混合物为底料，通过厌氧发酵生成沼气的技术。然而，该技术的农作物秸秆使用量较少，无法实现大量秸秆的有效利用。秸秆沼气技术以秸秆为基质，通过微生物发酵后制取沼气，按照微生物主导菌群的不同可将发酵过程分为水解阶段、发酵阶段、产氢产乙酸阶段和产甲烷4个阶段。秸秆沼气技术使秸秆资源作为发酵原料得以开发利用成为了现实，不但使大量秸秆变废为宝，也解决了沼气发酵原料不足的问题，副产的沼液和沼渣能够充当化肥。倪圣亚（2010） 培育出“沼气一号菌种，实现了秸秆沼气的产业化技术体系[16].石卫国（2006） 利用生物复合菌剂对秸秆进行预处理，提高了沼气的生产效率[17].陈广银（2016） 对秸秆床厌氧发酵产沼气系统进行了优化，提高了 产气 稳 定 性、产 气 量 和 甲 烷含量[18].秸秆沼气具有能耗低、无污染、经济和生态效益好的优点，但冬季的低温对沼气的生产效率与品质的影响还无法克服，应用还具有一定的局限性。秸秆气化技术的应用主要集中在山东、河南、江苏、河北、山西、北京及陕西等地[19].
　　
　　2. 1. 3秸秆液化
　　
　　生物质液化技术正作为一种高效的生物质综合利用方法逐渐被人们重视。它是通过物理、化学和生物的方法，在适当的温度、压力，以及溶解剂和催化剂的作用下，使木质生物质高分子结构（ 如木质素、纤维素或半纤维素等） 裂解为小分子液态产物（ 如醇类、可燃性油或其它带有特定官能团的化合物） 的一种化学反应，以实现农作物秸秆向液体燃料和化工原料的转变[20 - 21].生物质液化技术按照反应条件的不同可以分为生物质直接液化技术（ 高压液化技术） 和生物质裂解液化技术。
　　
　　通过秸秆液化技术生产的生物质燃料可以替代部分化石燃料，保证能源的配置更为合理，减少污染气体的排放，并且具有成本优势。我国在秸秆液化方面进行了深入的研究并取得了一定的进展。河南农业大学承担的河南省杰出人才创新基金项目”秸秆燃料乙醇生产中关键技术研究“在纤维素降解率和糖转化率上都取得了突破性进展[22].刘华敏（2010） 采用集总的方法对玉米秸秆在亚/超临界乙醇中进行液化的机理 进 行 了 试 验 研 究，得 到 玉 米 秸 秆 的 水 解 规律[23].刘欢（2015） 将超微粉碎技术运用于玉米秸秆液化过程中，有效提高了醇解液化率[24].
　　
　　2. 2秸秆饲料化
　　
　　秸秆储存着农作物中一半的有机物质，具有很高的营养价值，因此可以作为畜用饲料。我国适宜加工饲喂的秸秆量占秸秆总量的85. 67:[25],然而目前仅约有15:的秸秆经过加工处理，其余只是铡切至3 ~5cm长作为粗饲料饲喂牲畜[19].由于秸秆中富含不易被消化的纤维素、半纤维素和木质素等非淀粉类物质，因此这种粗制秸秆饲料质地粗硬、适口性差、牲畜采食量小、消化率低。单纯饲喂这种秸秆，无法满足牲畜生长需求，制约了畜牧业发展水平的提高。为了提高秸秆的营养价值和利用率，普遍采用物理、化学或微生物发酵等方法对秸秆进行处理。
　　
　　2. 2. 1物理处理法
　　
　　物理处理法主要包括粉碎软化法、拉丝揉搓法、块粒化法、蒸煮膨化法和热处理喷涂处理等，通过改变秸秆的物理性状以提高秸秆的适口性和采食量。辛丰（2012） 指出： 通过揉搓技术生产的反刍动物全混合日粮（TMR） 能够有效改善秸秆单喂时适口性差和消化率低的状况[26].物理方法没有改变秸秆的内部结构，无法提高其营养价值，而热喷、辐射或蒸煮等处理技术成本高，不易大面积推广应用，因此物理方法一般作为综合处理的预处理。
　　
　　2. 2. 2化学处理法
　　
　　化学处理方法是利用酸或碱等化学试剂破坏秸秆细胞壁中的致密结构，增大纤维素之间的空隙度，并产生一定量的乳酸，改善了秸秆的适口性，进而提高秸秆的消化率、营养价值和采食量。化学处理方法主要包括碱化处理、氨化处理和氧化处理。郑明霞（2012） 研究了碱化处理对玉米秸纤维素结构的影响，结果表明： 碱化处理能提高玉米秸秆纤维素的可及度和反应性，从而改善厌氧消化性能[27].余坤（2015）通过对比试验得出，秸秆经粉碎氨化后分解速率显着提高[28].碱化和氧化处理法虽然能够有效提高秸秆利用率，但是伴随着污染严重、生产成本高等问题。氨化处理材料来源广，操作简单安全，是目前常用的秸秆化学处理方法。
　　
　　2. 2. 3微生物发酵法
　　
　　物理和化学方法生产的秸秆饲料只适用于反刍动物，不适用于单胃动物，应用具有一定的局限性。微生物发酵法利用选育的微生物及分泌物对秸秆进行降解，降不可溶的高度聚合多糖降解为低分子的多糖或单糖，有效提高了消化率和采食量，拓展了饲喂的范围。青贮、发酵和酶解是目前常用的生物处理方法，也是政策鼓励推广的技术。刘晶晶（2014） 采用高温分解与乳酸菌分步的发酵方法有效提高了秸秆的分解率、采食量、消化率和营养价值[29].李彬采用纤维素酶对水稻秸秆进行酶解实验，确定了最佳工艺条件，有效提高酶解还原糖的产量和转化速率[30].生物方法处理秸秆效果好、污染小、成本低，但青贮和发酵需要较大的场地，同时菌种的选育、组合与影响因素难以把握，易受到杂菌的影响而引起饲料的腐败[29].
　　
　　2. 3秸秆肥料化
　　
　　农作物秸秆是一种具有高养分价值的肥料资源，秸秆的肥料化是通过秸秆还田实现的，秸秆还田后能够补充和平衡土壤中的养分，增加土壤有机质含量（0. 01: /年） ,提高土壤肥力，改善土壤团粒结构，进而达到减少化肥用量及增加产量（ 平均亩产增加10:以上） 的目的，是提高作物生产潜力的有效措施[19,31].秸秆还田按形式分为直接还田（ 高茬还田、粉碎还田、覆盖还田）、间接还田（ 堆沤还田、沼渣还田、过腹还田） 和秸秆生化腐熟还田（ 催腐堆肥、酵菌堆肥）3种。
　　
　　2. 3. 1直接还田
　　
　　秸秆还田是利用设备将秸秆粉碎并抛洒在田间后耕翻掩埋，或者将秸秆、残茬留在作物株间，让秸秆与土壤混合后渐渐腐烂，以达到蓄水保墒、增加地表积温及土壤肥力的目的。秸秆直接还田方便快捷、高效低耗，因此应用普遍。研究表明： 秸秆还田有效减少了地表径流、渗漏径流，对于缓解坡地养分流失和土壤侵蚀有重要作用[32].劳秀荣（2002） 以低肥力潮土为研究对象进行试验，结果表明： 秸秆还田能够提高土壤中速效氮、铁、锌、锰的含量，提高脲酶的活性，协调土壤水肥气热等生态条件，为作物生长创造良好的条件[33].
　　
　　2. 3. 2间接还田