农业固体废物资源化技术——秸秆综合利用
学生 班级 学号 教师
张慧 环境工程 2085229007
张宇峰
目录
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前言........................................................................................................................................... 3 秸秆综合利用途径 ................................................................................................................... 4 2.1 秸秆饲料利用技术 ....................................................................................................... 4 2.2 秸秆能源利用技术 ....................................................................................................... 5
2.2.1 沼气发酵技术 ................................................................................................... 5 2.2.2 秸秆发电技术 ................................................................................................... 6 2.3 秸秆工业原料利用技术 ............................................................................................... 7
2.3.1 生产有机产品 ................................................................................................... 7 2.3.2 改性秸秆吸附材料 ........................................................................................... 7
3 国外秸秆利用情况 ................................................................................................................... 8 4 总结........................................................................................................................................... 8 参考文献........................................................................................................................................... 9
农业固体废物资源化技术——秸秆综合利用
摘要：农作物秸秆是当今世界上仅次于石油、天然气和煤炭的第四大能源，因此秸秆的综合利用越来越得到人们的关注。秸秆的综合利用技术主要有秸秆饲料利用技术，能源利用技术，包括沼气发酵技术和秸秆发电技术，秸秆工业原料利用技术，包括产乙醇和制作改性吸附材料等。
关键词：秸秆综合利用；能源利用技术；饲料利用技术；工业原料技术
1 前言
随着我国经济的发展和农民生活水平的提高，农村的生产、生活方式也发生了巨大变化，科技农业和农村企业成为农村经济的两大支柱，随之而来的就是农村固废的种类增多，污染程度加深和处理难度增大等问题。农村环境迅速遭到严重破坏，阻碍了农村经济的进一步发展。
我国是农业大国，拥有极其丰富的生物质资源，农林剩余物年产出实物量为20.29亿t，主要有农作物秸秆、林业剩余物、畜禽粪便、能源作物[1]。农作物秸秆是当今世界上仅次于石油、天然气和煤炭的第四大能源。我国每年产生的秸秆含有大量的氮、钾、磷元素，这些元素的总量相当于全国每年化肥用量的1/4[2]。合理利用秸秆，有利于工业、农业发展，但是大量秸秆被露天焚烧会产生大量气体及气溶胶组分，不仅造成了资源浪费，破坏土壤肥力，还会带来严重的大气污染。因此，如何将秸秆转化为可为我们利用的资源，已得到人们的日益关注。表1-1列出了我国主要农作物秸秆营养成分质量分数。
表 1-1 主要农作物秸秆营养成分质量分数（干重%）
秸秆种类 干物质 粗蛋白 稻草 麦秸 玉米秆 大豆秆 花生藤 蚕豆秆
85 85 94.4 85 90 8.7
4.8 4.4 5.7 5.7 12.2 2.9
粗脂肪 1.4 1.5 1.6 2.0 - 1.1
粗纤维 35.6 36.7 29.3 38.7 21.8 37.0
无氮浸出物
39.8 36.8 51.3 39.4 - 35.9
粗灰分 12.4 6.0 6.6 4.2 - 9.8
Ca 0.7 0.3 微量 1.0 2.8 -
P 0.6 0.1 微量 0.1 0.1 -
2 秸秆综合利用途径
我国秸秆利用技术主要有秸秆还田技术、秸秆能源利用技术、秸秆饲料利用技术以及用于工业原料（造纸、降解膜、建筑材料、塑料替代品等）等。不同秸秆的有机质成分基本相似，根据不同途径可选择适合的秸秆。一般而言，用作饲料和食用菌基料的秸秆要求粗蛋白、粗脂肪、无氮浸出物的含量要高，纤维素、木质素和灰分的含量要低；用作建筑材料和能原材料的秸秆要求纤维素、木质素的含量和热值高，对蛋白质、脂肪、无氮浸出物的含量低[3]。
2.1 秸秆饲料利用技术
在农作物完全成熟以后秸秆的营养价值很低，粗蛋白质、矿物质、维生素和可消化能等含量较低，适口性和消化性差，反刍动物对秸秆的采食量小，秸秆在反刍动物体内消化率低。但秸秆中含有70%的碳水化合物类，所以可以采取一些处理措施提高秸秆的营养价值。
秸秆用作饲料的加工方法及优缺点如下表2-1所示
表 2-1秸秆用作饲料的加工方法及优缺点
方法 物理方法
具体方法
粉碎软化、压块制粒、热喷
处理、挤压膨化 碱化处理、氧化剂处理、氨
优点 简单易行、容易推
广
提高采食量、消化
缺点
一般不能提高营养价
值
易造成化学物质的过
化学方法
化处理、复合化学处理 青贮、微贮、鸡粪调制、酒
生物方法
糟调制
提高营养价值
率
量，使用范围狭窄、
推广费较高 技术要求高，易造成
腐烂变质
余建军[4]采用物理法将玉米秸秆高温蒸煮预处理，以酶菌共降解秸秆的生物技术手段转化生产蛋白饲料。结果表明，通过生物转化可明显提高秸秆粗蛋白含量，超过了蛋白饲料中最低含20%粗蛋白量的要求。
王巍杰[5]采用白腐真菌降解玉米秸秆制备饲料，以降解纤维素酶活为考察指标，通过L93(4)正交试验确定玉米秸秆饲料发酵最佳工艺条件发酵时间72h、温度30℃、pH值8.5和固液比1：15。秸秆饲料中粗纤维还原糖含量增加13.77个百分点，粗蛋白含量增加3.98个百分点，粗纤维含量降低13.91个百分点。
露西亚[6]采用尿素氨化、常规青贮、外加植物乳酸菌等三种常规方法对稻草、玉米秸、甘蔗尾进行处理，比较其体外消化率，以确定这三种秸秆饲料最适宜的常规处理方式。试验结果显示，在添加5%玉米粉、5%麦麸、1%豆粕、0.5%尿素的基础上采用植物乳酸青贮处理的稻草、玉米秸、甘蔗尾的体外消化率最高。
2.2 秸秆能源利用技术
2.2.1
沼气发酵技术
秸秆发酵制沼就是将麦秸、稻草等秸秆和人畜粪便等在厌氧条件下，经过多种微生物的作用，降解成简单而稳定的物质和以CH4为主要成分的沼气。秸秆等农业废弃物经沼气发酵后，有机质消耗了50%，氮、磷、钾可保留90%，病虫源明显下降。秸秆生产沼气，一般有两种途径：一是直接进沼气池；二是秸秆作牲畜饲料，牲畜的粪便入沼气池。沼液不仅营养丰富，还具有杀菌作用。沼渣中含有10%~15%的粗蛋白、45%作用的矿物质，不仅是优质肥料，还可以用于培育蘑菇、木耳等。
联户秸秆沼气工程的工艺类型为能源生态型，即通过厌氧发酵后的沼液以农村的农田、鱼塘、植物塘等为依托，作为农作物的有机液体肥料的工程，以生产沼气、环境保护和沼肥生产为目的，冬季通过自身产生的沼气以及太阳照射加温方式，保持中温发酵，其主要原料来源为农作物秸秆，辅料为少量人畜粪便或者少量尿素，投料方式为连续投料。秸秆沼气技术的主要工艺流程如图2-1。
图 2-1沼气发酵基本工艺流程
秸秆在投入发酵池之前，一般需要进行除杂、切碎、堆沤等处理。在联户秸秆沼气工程中，原料的预处理只需要粉碎、添加沼液或者复合菌剂并进行池外堆沤即可。
沼气生产时，沼气在发酵产气过程中需要完全的隔绝氧气，故沼气发酵也称厌氧发酵或厌氧消化。厌氧消化的类型，根据原料在消化器内的水力滞留期（HRT）、固体污泥滞留期(SRT)和微生物滞留期(MRT)相关性的不同，可分为常规型、污泥滞留型和附着膜型三种，
不同类型的适应不同的发酵原料[7]。
2.2.2 秸秆发电技术
秸秆发电方式主要有直燃发电、气化发电、混燃发电。秸秆气化发电通常采用内燃机或汽轮机的发电方式，规模一般小于5MW；秸秆直燃发电通常采用中压锅炉或高压锅炉，规模一般小于30MW；秸秆混燃发电大多由常规电厂改造而成，规模一般大于100MW[8]。
直接燃烧发电是指秸秆原料未经化学转变，直接在锅炉中燃烧，产生蒸汽，驱动蒸汽轮机，带动发电机发电。秸秆直燃发电系统包括秸秆的预处理、输送系统，锅炉系统，烟气净化系统、汽轮机系统和发电机系统。秸秆的预处理、输送系统包括秸秆的干燥、粉碎、打包，运输和储存等过程锅炉系统包括喂料系统、供风系统[9]。
气化发电是在气化炉中将秸秆原料气化，生成可燃气体，经过净化，供给内燃机或小型燃气轮机，带动发电机发电。秸秆气化发电系统包括秸秆原料预处理系统、气化炉系统、燃气净化系统、燃气发电系统和废水处理系统。
秸秆混燃发电是指秸秆原料经过预处理，和化石燃料一起在锅炉中燃烧，产生蒸汽，驱动蒸汽轮机，带动发电机发电。秸秆原料在燃烧前需要经过物理化学转变，如打捆、制块、气化等。秸秆混燃发电系统包括秸秆的预处理、输送系统，锅炉系统，烟气净化系统、汽轮机系统和发电机系统[8]。
秸秆三种发电技术的对比：
秸秆直接燃烧发电技术适于现代化大农场或大型加工厂的废物处理对秸秆较分散，收集、运输成本较高之处不适合，在我国适合于人口稀少、秸秆之源丰富的平原地区；秸秆气化发电具有投资少，发电成本较低，灵活性好的特点。小型秸秆气化发电技术适合于对缺电、缺油的农村和偏远的山区，中型秸秆发电技术适合于农村、农场、林场的照明用电或工业用电，尤其适用于有加工剩余物的农林加工厂、粮食加工厂的自身供电。秸秆混燃发电是在现有煤电厂基础上改造而成，具有投资成本低、发电效率高的优点，适合于已有发电厂、秸秆资源丰富的平原地区。
2.3 秸秆工业原料利用技术
2.3.1
生产有机产品
通过对农作物秸秆进行各种处理，可将农作物秸秆作为原料生产乙醇，具体工艺流程如图2-2。
预处理 秸秆 纤维素、半纤维素 酸或酶水解 单糖、五碳糖、六碳糖 发酵、蒸馏 酒精 图 2-2 农作物秸秆之酒精工艺流程图
预处理主要是为了溶解和分离秸秆中纤维素、半纤维素、木质素和其他可溶性物质。预处理的方法主要有蒸馏爆破法、酸预处理法、碱预处理方法等。
预处理后需要进行水解，目的是破坏秸秆中纤维素和半纤维素中的氢键，将其降解成可发酵性糖。酸水解是利用无机酸进行催化使纤维素转化为单糖，催化剂的成本较低。但浓酸水解过程中会产生一些对微生物发酵过程有抑制作用的有机酸、酚类和醛类化合物等副产物。酶水解是利用纤维素酶将纤维素水解成单糖的过程。
发酵即纤维素和半纤维素水解后得到的六碳糖和五碳糖在酵母等微生物的代谢下生成乙醇的过程。迄今为止科研人员已发现100多种生物，包括细菌、真菌、酵母菌等，能代谢五碳糖发酵生成醇[10]。勇强等[11]利用固定化树干毕赤酵母细胞利用葡萄糖、木糖发酵产酒精，结果表明，在pH为5.0～5.5时，细胞活性最强，在发酵前12h以利用葡萄糖为主，在12h后主要利用木糖发酵，总糖利用率达到96.6%。李素玉等[12]也筛选出了能同时发酵葡萄糖和木糖的菌株，菌株的酒精产率达到理论值的82.91%。
发酵完毕后，发酵醪液即可进行蒸馏，将蒸馏出的酒精在进行精馏，即可得到体积分数为95%的酒精，由于该酒精不符合有关食用酒精标准，所以生产出来的酒精一般直接用作燃料或添加到汽油中制成“汽油醇”。
2.3.2 改性秸秆吸附材料
稻草秸秆含有丰富的纤维素，纤维素是由D-吡喃葡萄糖酐以β-1,4苷键连接而成的线性半刚性天然高分子化合物，在其大分子链中每个葡萄糖基环上有2个仲羟基和1个伯羟基，它们为活泼的羟基。纤维素经预处理后，通过与氧化剂和其他试剂反应，可在羟基的位置上引入官能团，制成改性秸秆[13]。刘婷[14]等人将稻草秸秆通过高锰酸钾和乙二胺改性后，制
成对废水中Pb2+具有良好吸附效果的吸附剂。实验结果显示，改性稻草对废水中Pb2+的吸附去除率可达98.7%。任杰[15]对玉米秸秆进行炭化，制成炭黑，再经一系列改性制得氨氮吸附剂，改性秸秆炭黑对氨氮具有较好的吸附效果，对废水中氨氮的去除率达到90%。
3 国外秸秆利用情况
欧洲国家生秸秆资源利用技术成熟，落实，秸秆资源开发利用已成为重要的新型产业，对保障能源安全、增加就业机会、促进农业发展，以及确保能源与环境的协调发展等发挥着重要的作用。
年德国拥有80多家农作物秸秆和农林废弃物发电厂，其中发电量在5.0×103kW以上的有20多家。拉麦尔生物质发电国际有限公司为德国可再生能源开发公司，在风能、水利及农作物秸秆和农林废弃物项目领域有着丰富的开发和引导经验。主要提供农作物秸秆和农林废弃物固体燃料直燃发电技术。
丹麦在农作物秸秆和农林废弃物直燃发电方面成绩显著，对于农作物秸秆和农林废弃物资源的利用则倾向于直燃热电联供。近年来，丹麦新建设的热电联产项目都是以农作物秸秆和农林废弃物为燃料，同时，还将过去许多燃煤供热厂改为了燃烧农作物秸秆和农林废弃物的热电联产项目。
另外，国外的学者还对其他一些农业秸秆或农业废弃物如花生壳、苹果渣、锯末、椰子壳、松树皮等进行改性，制备成离子吸附剂，吸附去除工业废水中的阴离子、阳离子及去除水溶液中的离子型染料等，并取得了较好的效果[15]。
4 总结
我国是农业大国，作物秸秆产量极其丰富，充分发展秸秆的综合利用技术不仅能增加农民的收入，还能缓解日益严重的环境问题，解决能源缺乏问题。我国对秸秆综合利用的领域还有限，技术还不成熟，需要我国研究人员积极探索秸秆的利用潜力，更多的向国外学习先进的技术，将秸秆充分利用起来。
参考文献
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