大健康农业之秸秆资源综合利用

一、背景概述
        我国秸秆数量大、种类多、分布广,每年秸秆产量近 7亿吨。秸秆中含有大量的有机质、氮磷钾和微量元素,豆科作物秸秆含氮较多,禾本科作物秸秆含钾较丰富,作物秸秆提供的养分约占中国有机肥总养分的13%~19%,是农业生产重要的有机肥源。长期以来,秸秆是我国农村居民主要生活燃料、大牲畜饲料和有机肥料,少部分作为工业原料和食用菌基料。近年来,随着农村劳动力转移、能源消费结构改善和各类替代原料的应用,加上秸秆综合利用成本高、经济性差、产业化程度低等原因,开始出现了地区性、季节性、结构性的秸秆过剩,特别是在粮食主产区和沿海经济发达的部分地区,违规焚烧现象屡禁不止,不仅浪费资源、污染环境,还严重威胁交通运输安全。

        农作物秸秆属于农业生态系统中一种十分宝贵的生物质能资源。农作物秸秆资源的综合利用对于促进农民增收、环境保护、资源节约以及农业经济可持续发展意义重大。

        从国外情况看,特别是在发达国家,通过科技进步与创新,为农作物秸秆的综合开发利用找到了多种用途,除传统的将秸秆粉碎还田作有机肥料外,还走出了秸秆饲料、秸秆汽化、秸秆发电、秸秆乙醇、秸秆建材等新路子,大大提高了秸秆的利用值和利用率,值得我们借鉴。从国内看,情况仍然不能令人乐观。秸秆还田要影响作物生长,秸秆焚烧污染大气环境,综合开发利用又面临着技术不成熟、投资比较大、效果比较差的窘境。农民急于焚烧,而政府急于封堵,二者就打起了游击战。实际上,秸秆综合开发的前景非常好,如果能创建以秸秆为原料的新型生态工业,实行种植业、养殖业、农副产品加工业、秸秆生态工业四业相结合的高级阶段生态农业的生产模式,则农用生物柴油燃料、寡糖植保素生物农药、秸秆有机肥、秸秆生物饲料等都是秸秆转化的产物,有望形成比传统“石油农业”劳动生产率更高、可持续发展的新型农业,这种前景十分诱人。在实践中,我国也有不少地方积极探索,创造性地采用了许多有益的经验和办法。如利用秸秆造纸;或者利用秸秆生产无甲醛系列秸板,广泛用作高档家具、高档包装、高档建筑材料以及高档音箱等基材,既能增加农民收入,还能出口增加外汇收入,使秸秆资源转化为经济优势;鼓励农民扩大养殖规模,使秸秆成为牛羊的粗饲料;可喜的是,一些地方已经利用秸秆汽化原理和技术,在农村推行秸秆沼气工程,这是十分有意义的事情。但是,由于秸秆利用的具体工艺还不完善,政策和资金投入不足,市场运作力度还很不够,秸秆加工设备以及相关加工设施有限,秸秆使用技术比较低下,秸秆综合利用的效率和效益有待提高,所以出现了当前的两难困境。

二、国家政策
        依据我国可持续发展战略,如何开发利用农作物秸秆资源,使之达到效用最大化是我国目前需要解决的问题。

        国家早在 2008 年就发布了《关于加快推进农作物秸秆综合利用的意见》,提出加快解决由于稻种废弃和违规焚烧带来的资源浪要和环境?染问题;

        2009年国家发展改革委、农业部关于印发编制秸秆综合利用规划的指导意见的通知,为加快推进秸秆综合利用,实现秸秆的资源化、商品化,促进资源节约、环境保护和农民增收;

        2009年3月,《NYT1701-2009农作物秸秆资源调查与评价技术规范》、《全国农作物秸秆资源调查与评价工作方案》;

        2011年11月,《“十二五”农作物秸秆综合利用实施方案》;

        2015年11月,《关于进一步加快推进农作物秸秆综合利用和焚烧工作的通知》;

        2016年5月,《开展环京津冀一体化屏障的重点区域农作物秸秆综合利用试点》;

        2016年8月,《关于推进农业废弃物资源化利用试点的方案》;

        2016年9月,《农此综合开发区域生态薄环农业项目指引(2017-2020年)》;

        2016年12月,《关于编制“十三五”秸秆综合利用实施方案的指导意见》;

        2017年5月,《2016年中央财政农作物秸秆综合利用试点补助资金绩效评价情况》;

        2017年5月,《东北地区秸秆处理行动方案》;

        2018年1月,《关于开展秸秆气化清洁能源利用工程建设的指导意见》;

        2018年2月,《2018-2020年农机购制补贴实施指导意见》;

        为了进一步加快农业物秸秆的资源化利用,进入“十三五”以来,国家发布了多项政策对秸秆综合利用进行规划、支持。如2018年10月,农业部在“东北地区秸秆处理行动现场交流暨成果展示会”提出:到2020年,全国秸秆综合利用率达到85%以上;东北地区秸?综合利用率达到80%以上,50 %重点县市秸秆综合利用率稳定在90%以上;露天焚烧现象显着减少;力争到2030年,全国建立完善的秸秆收储运用体系,形成布局合理、多元利用的秸秆综合利用产业化格局,基本实现全量利用。

        2020年5月,《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》,第五章提出产生秸秆等农业固体废物的单位和其他生产经营者,应当采取回收利用和其他防止污染环境的措施。禁止在人口集中地区、机场周围、交通干线附近以及当地人民政府划定的其他区域露天焚烧秸秆。

三、秸秆资源综合利用

        1.秸秆还田增产。
        农田生态环境即作物生长环境,它包括农田小气候,土壤结构和水热状况,植物养分及其循环,杂草生长,植物病虫害等因素,生态环境之优劣直接影响作物生长。农作物秸秆还田是补充和平衡土壤养分,改良土壤的有效方法,是高产田建设的基本措施之一,秸秆还田后,平均每亩增产幅度在10%以上。
        秸秆还田方法包括:秸秆覆盖或粉碎直接还田;利用高温发酵原理进行秸秆堆沤还田;秸秆养畜,过腹还田;利用催腐剂快速腐熟秸秆还田,在秸秆中添加一定量的生物菌剂及适量的氮肥和水,再经高温堆沤,可使秸秆腐熟时间提早15~20天。实践证明,机械化粉碎秸秆还田是秸秆综合利用的主要技术措施和手段。

        2.秸秆饲料。
        含有水分和糖分较多的秸秆秸秆富含纤维素、木质素、半纤维素等非淀粉类大分子物质,是很好的饲料原料,尤其是玉米秸秆、小麦秸秆等。但作为粗饲料营养价值低,必须对其进行加工处理。处理方法有物理法、化学法和微生物发酵法。经过物理法和化学法处理的秸秆,其适口性和营养价值都大大改善,但仍不能为单胃动物所利用。秸秆只有经过微生物发酵,通过微生物代谢产生的特殊酶的降解作用,将其纤维素、木质素、半纤维素等大分子物质分解为低分子的单糖或低聚糖,才能提高营养价值,提高利用率、采食率、采食速度,增强口感性,增加采食量。
        秸秆饲料的主要加工技术主要包括:直接粉碎饲喂技术;青储饲料机械化技术;秸秆微生物发酵技术;秸秆高效生化蛋白全价饲料技术;秸秆氨化技术;秸秆热喷技术。

        3.建材原料。
        秸秆是高效长远的轻工、纺织和建材原料,既可以部分代替砖、木等材料,还可有效保护耕地和森林资源。秸秆墙板的保温性、装饰性和耐久性均属上乘,许多发达国家已把“秸秆板”当作木板和瓷砖的替代品广泛应用于建筑行业。此外,经过技术方法处理加工秸秆还可以制造人造丝和人造棉,生产糠醛、饴糖、酒和木糖醇,加工纤维板等等。

        4.秸秆能源
        生物质是仅次于煤炭、石油、天然气的第四大能源,在世界能源总消费量中占14%。我国每年农作物秸杆资源量约占生物质能资源量的近一半。农作物秸秆能源转化的主要方式是秸秆气化。除秸秆气化以外,秸秆还可以用来加工压块燃料、制取煤气。
        (1)固体生物质燃料。秸秆固化成型技术是采用稻草秸秆、麦秸秆、玉米秸秆等农业废弃物作为原材料,通过专用设备秸秆压块机经过粉碎处理、压缩处理等工艺,压制成一种可直接燃烧的固体生物质燃料。固化成型后的生物质颗粒燃料比重大、体积小,便于储存和运输,是优质固体燃料,其热值可达3200-4500大卡,具有易燃、灰分少、成本低等特点,可替代木柴、原煤等燃料,广泛应用于取暖、生活炉灶、工业锅炉、生物质发电厂等。
        (2)乙醇燃料。利用生物技术转化农业废弃物秸杆中的纤维素生成酒精,因其具有循环经济和低碳经济的特征,以及不与粮争地和变废为宝的特点,被认为具有良好的发展前景。燃料乙醇的使用,可减少原油的消耗,保护宝贵的不可再生资源,可以显著提高汽油的辛烷值,防止发动机爆震,减少运输设备的损耗,可以减少汽车尾气中C02、CO、S02等对环境的污染,尤其可大量减少臭氧排放量,保护地球大气环境。
        (3)可再生生物油。将木屑、稻壳、玉米秆和棉花秆等多种原料进行热解液化和再加工,可变废为宝,将它们转化为生物油,其中木屑产油率60%以上,秸秆产油率50%以上,生物油热值16~18兆焦/千克。
        (4)秸秆发电。秸秆发电,就是以农作物秸秆为主要燃料的一种发电方式,又分为秸秆气化发电和秸秆燃烧发电。秸秆气化发电是将秸秆在缺氧状态下燃烧,发生化学反应,生成高品位、易输送、利用效率高的气体,利用这些产生的气体再进行发电。但秸秆气化发电工艺过程复杂,难以适应大规模应用,主要用于较小规模的发电项目。秸秆直接燃烧发电是21世纪初期实现规模化应用唯一现实的途径。

四、技术介绍
        在政策的驱使下,对秸秆资源的综合利用技术得到了有效发展。目前秸秆资源利用技术主要有以下方面:稻壳水泥混凝土、废旧聚乙烯和植物秸秆粉再生板材及其生产工艺、高强轻质稻壳灰保温砖及其制法、户用秸秆气化炉燃气灶、化学秸秆固体燃料、秸秆处理的方法及其设备、秸秆高效全价生物饲料生产方法、秸秆立体栽培草腐类食用菌高产新技术、秸秆利用的方法与装置、秸秆煤气发生炉、秸秆气化燃烧炊事水暖炉、秸秆人造板、秸秆饲料氨化装置、秸秆饲料稀酶速效转化剂及其制备方法、秸秆饲料造粒机、秸秆碎丝水泥中空隔墙条板及其制备方法、节粮型秸秆生物饲料添加剂制造及其使用方法、苛化煮解稻壳灰制备的高活性炭及其制备方法、空心稻草板及其制法、利用稻壳或木屑制造木炭的方法、利用农作物秸秆栽培食用菌的方法、秸秆压块燃料或秸秆压块饲草、秸秆生物柴油、秸秆手工艺术品等。

        1.以木质纤维素的糠醛渣为原料制备环保型生物板材的方法。该方法以木质纤维素水解制糠醛反应工艺中残余的糠醛渣为原料,经过浸泡、磨解、热压等过程制造无甲醛环保型生物板材。该生物板材性能指标已达到或超过GB/T 11718-2009、GB/T 21723-2008的要求,该板材的密度为0.3-1.7g/cm3,弹性模量为14.57-37.22MPa,塑性模量为2859-6099MPa。该方法可以将木质纤维素制糠醛工艺中的废弃物变废为宝,板材的性能指标可比拟现有板材而且其不含甲醛、防潮,生产工艺简单又解决了木质纤维素制糠醛工艺中废弃物的环境污染问题且经济性较好。

        2.一种由木质纤维素水解渣制备二氧化硅的工艺方法。该方法通过用稀酸处理富含有硅农业废弃物,制备木质纤维素水解渣,通过溶剂去除有毒金属杂质和氧化处理,在较低焙烧温度下,采用焙烧法制备粒径在5-10μm的高纯度、高白度、高比表面积的无定形二氧化硅产品,实现农作物废弃物木质纤维素资源的高效安全利用。本方法所用原料可以用于一切农作物废弃物,在中国易得,成本较低,可视为一种可再生农业废弃资源循环利用。

        3.一种秸秆与污泥协同处理的装置及其方法。将农作物秸秆引入污泥处理领域,将秸秆热解炭用于污泥脱水调质,能够提高脱水效率,调控污泥活性炭孔隙和表面官能团,固化重金属,从而极大地提高了改性污泥生物炭的性能指标,显著降低污泥和秸秆的处理成本,增强市场竞争力。

        4.基于生物质秸秆的禽畜病死无害化处理装置及处理方法。通过在炉体内进行三段式反应,每段反应的温度和时间均有所不同,可以充分的将秸秆中的木质素进行分解,也能充分的对禽畜尸体进行灭活杀菌处理,并且反应过程中是利用秸秆发酵产生的热量,对能源的消耗非常少,同时,反应后的废料还能作为农业化肥来再次使用。

        5.农牧废弃物无害化高效堆肥品质在线智能监测系统。本系统用于对农牧废弃物无害化高效堆肥品质在线智能监测,通过参数获取单元采集堆肥内的参数信息,采集的参数信息经数据传输单元对数据进行传输,实现远程数据的采集,将采集的数据与腐熟程度判别数据库进行检定,可判断堆肥腐熟程度指标,并通过信息决策单元为腐熟度提供可靠的判断结果且提供可靠的信息决策,具有实时性好,便于对堆肥品质进行实时在线监测,且大大提高堆肥的转化速率和效率。

        6.一种农林废弃物的预处理方法。在农林废弃物预处理过程中采用两步法,首先在较温和的条件下利用酸性催化剂与有机溶剂的体系脱除木质素和半纤维素,而后采用酸液水解残渣中残留的半纤维素,经两步预处理后纤维素的酶解效率显著提高,可得到收率较高的葡萄糖和能够被接收的木糖收率。

        7.一种基于农业废弃物的复合材料及其制备方法和应用。通过制得含有农业废弃物、纤维素、溶剂的混合溶液,再将所述混合溶液在凝固浴中沉淀再生,得到所述基于农业废弃物的复合材料。本技术通过引入少量纤维素构建缠结网络来提高农业废弃物再生材料的成型性和力学强度,在不使用化学处理的前提下制得农业废弃物/纤维素复合材料,具有工艺简单、成本低、无污染的特点。所得的复合材料中保留了农业废弃物中的几乎所有组份,使得材料显示出多功能性,如良好的力学强度、防紫外性、抗氧化性、杀菌性和高雾度等,在绿色和功能化包装材料、环保胶带、纺织、生物医用、保温隔热等领域具有应用潜力。


文章分类: 大健康
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