中国农业秸秆资源化技术及产业发展分析，本文主要内容关键词为：产业发展论文,秸秆论文,中国农业论文,资源论文,技术论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
文献引用：刘金鹏，鞠美庭，刘英华，等.中国农业秸秆资源化技术及产业发展分析[J].生态经济，2011(5)：136～141.
1 引言
农业自古就是一个国家的基础。改革开放以来，我国农业取得了巨大的发展，但提高粮食产量的同时也产生大量的农业秸秆类生物质固废。据统计，我国秸秆年产量达7亿多吨，其中，水稻、玉米和小麦这三大粮食作物的秸秆数量最多，分别为2.1亿吨、2.09亿吨和1.1亿吨[1]。
能源危机是制约我国经济发展的重要因素之一，我国每年都要进口大量的化石燃料，石油的对外依存度达到55%以上。开发生物质能可以在一定程度上缓解我国的能源危机：我国的秸秆产出量折合成标煤约为3.5亿吨，相当于7个神东煤田，全部利用可以减排8.5亿吨二氧化碳[2]，且秸秆含硫量仅为0.3%，是替代煤炭的上佳选择[3]；利用生物质制取乙醇、生物柴油等生物燃料也可以缓解我国燃料供应紧张的问题。对于畜牧业，饲料成本占总成本的70%以上，其中粮食饲料占常规饲料的90%以上，因此，随着人们对畜产品需求的不断增加，饲料缺口将不断加大，而全球粮食价格的上涨更是促使畜牧业成本再次升高。应用秸秆饲料化技术对秸秆进行处理，提高其营养价值，进而替代粮食饲料，降低饲料成本，改善人畜争粮的困局。“白色污染”横行无忌，据统计，我国每年仅农业用塑料薄膜的使用量就达150万吨，而且大部分残留于农田，破坏土壤结构，污染环境。随着可降解塑料及生物高分子材料的出现及快速应用，传统塑料产品必将被取代，“白色污染”将成为过去。
随着经济、科技的发展，环保意识的增强以及国家对“三农”问题的关注，农业秸秆固废——这些被“放错了地方的资源”，因其巨大的产量和再利用价值，已经成为人们关注的重点，生物质产业这一新兴产业的崛起必将为我国的经济发展和环境保护做出贡献。
2 我国农业秸秆固废的利用现状
以往，我国秸秆利用方式主要以秸秆饲料化、肥料化、燃料化为主，只有很少一部分用作化工原料及建材。其中，秸秆饲料化的利用方式主要有秸秆青贮、氨化、膨化以及微生物发酵处理；秸秆肥料化的利用方式主要有直接还田、堆肥还田、过腹还田以及制造有机复混肥；秸秆燃料化包括秸秆直燃、气化和秸秆发酵制取沼气等；利用秸秆生产的多元醇及糠醛是重要的化工原料，此外，秸秆还是很好的造纸和建材原料。但是，秸秆利用率低，综合利用技术水平有限，工艺及设备不成熟等问题是我国秸秆资源化过程中比较突出的问题。
由于受“重粮食生产，轻废物利用”的思想的束缚，以及缺乏技术支持和环境保护意识，我国农业秸秆固废的综合利用一直处于低效状态，且多以传统利用方式为主，如直接燃烧，堆肥等，更多的则是直接将其丢弃在田地中或就地焚烧，导致大量的“资源”浪费和严重的环境污染[4]。据统计，2005年，我国的农业秸秆固废利用率为30%左右[5]，而经过技术有效处理的更是少之又少。随着《可再生能源法》的颁布及其他相关政策的出台，我国农业秸秆固废利用率逐步提高，并且通过技术引进和加大自主研发力度，在对传统的秸秆饲料化、秸秆肥料化等技术进行强化的同时，秸秆燃烧发电、秸秆气化、秸秆建材和秸秆化工等秸秆利用技术逐步成熟，并已经投入产业化使用或已具备大规模投产的条件。此外，利用秸秆制取新型生物材料、化工原料，生物质制氢等技术也正在研发之中。到2007年，我国的农业秸秆固废综合利用率达到40%～50%，山东、安徽、江苏等农业大省利用率则更高[6]，表1[7～11]中列举了部分省市的秸秆利用情况。根据国家发改委和农业部发布的文件，到2015年，全国各地区要建立较完善的秸秆还田、收集、储运体系，基本形成布局合理、多元利用的秸秆还田和产业化综合利用格局，实现秸秆利用率超过80%[8]。
在注重秸秆综合利用率提高的同时，必须同时注意到我国农业秸秆固废资源化过程所存在的困难与问题：(1)技术水平有限，我国在生物质利用的很多方面未能掌握其核心技术，并且存在设备老化严重、维护费用高、后期服务不到位等问题，以及出现二次污染的可能性[10]，这是限制我国生物质资源利用水平和生物质产业发展的最大瓶颈；(2)政策引导不力，相比于发达国家，我国宏观性的生物质资源利用规划方案刚刚着手编制，因此导致资金投入有限，资金分配比例不合理，缺乏市场机制的引导，未能有效整合我国的科研力量等问题；(3)我国秸秆资源分布的地域特点，使得秸秆综合利用过程中存在收购、运输及保存困难等问题，成为生物质产业发展的不利因素。这些都是我们在以后的研究和生产中需要重点解决的问题。
3 生物质资源化技术分析
随着科技的进步和资源观念的转变，人类利用生物质的方法在不断的进化，从钻木取火到生物质发电，从茅草屋到秸秆建材，从传统堆肥到有机无机复混肥，对生物质资源的开发利用几乎涵盖了整个人类发展史。
我国农业秸秆固废数量大，种类多，如表2所示[12]，不同种类的秸秆成分和性质有一定的区别，但其元素组成和结构组成具有一定的相似性。元素c、h、o、n的总含量在75%以上[13]，由这些元素组成的纤维素、木质素以及淀粉等糖类有机物是秸秆的主要成分，其他成分还包括粗蛋白、粗脂肪以及钙、磷、钾等元素。在物理性质方面，秸秆的表面密度小、韧性大、抗拉、抗弯、抗冲击，且干燥的秸秆对热、电的绝缘性和声的吸收能力较好[14]。干燥的秸秆具有良好的可燃性，秸秆燃烧值约为标准煤的50%，即每2吨秸秆的热值就相当于1吨煤，且秸秆的平均含硫量只有0.38%，而煤的平均含硫量约达1%[3]。
3.1 秸秆饲料化技术
秸秆饲料在全世界的畜牧业发展中起到了重要的作用，但未经饲料化技术处理的秸秆营养含量低，适口性差，为牲畜提供的能量和营养有限，无法替代玉米大豆等粮食饲料。目前，使用较多有青贮、氨化、膨化、热喷、微生物发酵等秸秆处理方法[4,10,13,15]，尤其是经青贮法和微生物发酵法处理，能有效提高秸秆饲料的粗蛋白含量，降低粗纤维含量。如若经微生物发酵处理的秸秆饲料品质可以达到粮食饲料的标准，甚至更佳，这将是解决我国人畜争粮和畜牧业发展问题的最佳途径。
秸秆化学处理方法是使用化学物质对秸秆进行处理，破坏秸秆中的纤维木质素结构，提高秸秆的消化率和营养价值，包括碱化处理法，氨化处理法等。在欧洲一些发达国家，氨化处理法被广泛使用，秸秆捡拾、打捆、注氨、包装，实现了氨化处理的全机械化操作[10]。但化学法也有其自身的限制因素，如氮素流失严重、成本高、存在二次污染的风险等。
秸秆物理处理方法，包括传统的粉碎和切割，以及膨化技术和热喷技术等。其中，膨化和热喷技术可以改变秸秆的结构，有效地将纤维素与木质素分离，从而提高秸秆的消化率，并且便于运输和储存。但物理法未能提高秸秆的营养成分，且耗能大、设备要求高，生产成本高，因此，不易推广。
秸秆青贮法是利用自然的乳酸菌或人工添加微生物在厌氧条件下对青绿秸秆进行发酵处理，使原来粗硬的秸秆变软熟化，秸秆经过青贮后，增加原料的营养价值和可消化率，并保持柔软多汁，气味酸香，是冬季等饲料紧缺季节的优良饲料。青贮法成本低，牲畜适口性较好，在农村得到广泛使用。
秸秆微生物发酵处理是近年来国内外的研究热点，研究的重点在于秸秆预处理工艺、筛选高效的纤维素降解菌和高蛋白质产量的微生物[12]。目前较为成熟的工艺有二步发酵法和混合菌种共发酵法，利用多元微生物体系对秸秆中的纤维素木质素进行降解，并利用纤维素降解产物，将其转化为蛋白质，从而有效地提高秸秆饲料中的营养成分[16]。以玉米秸秆为例，经微生物发酵后，粗蛋白含量可达20%左右，粗纤维利用率达到70%以上，达到精饲料的标准。
3.2 秸秆肥料化技术
秸秆肥料化中比较常见的做法有直接还田，焚烧还田，堆沤还田和过腹还田[4,10,13,15]。
直接还田是在机械化操作的基础上，在作物收获同时对秸秆进行粉碎，并铺撒在田地中，秸秆经翻埋后腐烂，从而达到增加土壤有机质的目的，使秸秆的养分保留在土壤中。但秸秆中的病虫卵等没有得到处理，容易引发病虫害。
秸秆焚烧后将得到的草木灰施加到田地中，草木灰中含有丰富的磷、钾、钙等无机盐，可以提高土壤的养分。但秸秆焚烧后，氮素流失严重，而且产生的环境污染较大，国家已经明确禁止露天焚烧秸秆。
过腹还田是对秸秆的二次利用，秸秆经过牲畜消化后，部分营养物质被吸收，将牲畜粪便施入土壤中，可以大量提高土壤有机质、腐殖质，并改变土壤的理化性质，起到改良土壤的作用。
传统的堆沤还田是将秸秆作为畜牧养殖场的铺料，经过清理后堆沤还田。目前使用较多的则是秸秆堆肥技术，需要一定的堆肥场地及机械，并选育高效的降解微生物。但堆肥过程中氮素损失较大，磷、钾等元素含量也不高，而且经济效益方面不如化肥，竞争力不强。可以引入其他的有效作用因子，如蚯蚓[17]，对秸秆堆肥技术进行改进：或在堆肥处理的基础上按照一定的氮磷钾比较加入各种无机物，如硫酸铵、硫酸钾、硝酸钾、磷酸二铵、硝酸铵等，从而集有机、无机和微生物肥料的优点为一体，达到农业资源循环利用的目的。
3.3 秸秆建材及化工
3.3.1 秸秆建材技术
利用稻草或麦草秸秆制作建筑板材，关键在于秸秆热压成型技术。我国在借鉴国外先进技术的同时，通过自主攻关，掌握了热压板材生产中的关键技术，改善制造工艺，提高设备稳定性，降低了制造成本[18]，并且秸秆板材的质量有了很大提高，具有质轻、强度高、剖面密度均匀、保温性能好等特点，经特殊处理后还可阻燃、防火、防虫。据统计，我国每年大约需要7 000亿块红砖，毁坏良田0.8万公顷[19]，若能充分利用各种轻质建材板等材料，便可起到保护我国的土壤资源的作用。此外，利用秸秆制造纸板、人造纤维板等也拓展了生物质资源化的版图，具有较好的市场前景。
3.3.2 秸秆化工应用技术
秸秆类生物质经不同工艺处理后，可得到各种基本有机化工原料和新型材料，如麦草经常压水解、溶剂萃取反应后制取糠醛，利用稻壳生产白炭黑、碳化硅陶瓷和氮化硅陶瓷，秸秆、稻壳经炭化后生产钢铁冶金行业金属液面的新型保温材料，棉秆皮、棉铃壳等含有酚式羟基化学成分制成聚合阳离子交换树脂吸收重金属等[15]。此外，秸秆纤维素也是造纸工业的重要原料。
3.4 生物质材料技术
在能源和环境的双重压力下，生物塑料已得到广泛认可。在生物质材料领域，国外起步较早，对生物降解高分子材料进行了广泛的研究，并已得到聚乳酸(PLA)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、聚己内酰胺(PCL)等生物塑料[20]。可降解生物质复合材料的开发，即通过共混、挤出、热压、注塑等工艺将天然纤维材料与EVA、PVA等可降解材料复合，进一步强化了生物质材料的性能，降低了生物质材料的生产成本[21]。2007年底，国家发改委发出通知，决定于2008-2009年组织实施《生物基材料高技术产业化专项》，旨在突破制约生物基材料产业发展的关键技术瓶颈，加速技术成果的产业化进程[22]。相信不久的将来，我国在生物质材料领域会有较大的突破。
3.5 生物质能转化技术
3.5.1 直燃发电技术
秸秆直燃发电、供热技术，在发达国家已经比较成熟，并且多以热电联产为主。秸秆直燃发电、供热中的技术难点有秸秆固化成型技术，直燃机组的稳定性及燃烧效率。我国对秸秆固化成型技术的研究开始于20世纪80年代，并取得了丰硕的成果。清华大学研发的生物质常温固化成型技术，通过独创的纤维碾切搭接技术，在常温下把粉碎后的生物质材料压缩成高密度成型燃料，能耗比国外同类产品降低50%，成型设备体积减小70%，综合生产成本降低60%以上[18]，从而解决秸秆的运输成本高和储存困难的问题。我国秸秆发电厂的直燃机组主要是引进丹麦BWE公司的产品，其研发生产的秸秆发电机组技术成熟，热效率高，已在世界多个国家投入运行[23]。目前，我国在设备制造及运行方面无法摆脱对国外企业的依赖，需要一定时间对该技术进行消化、吸收，进而开发出适应我国生物质特性的发电设备。
3.5.2 生物质气化技术
生物质气化技术主要包括固定床和流化床两种工艺形式[24]，输出产品为电力及燃气。生物质气化发电分为小型、中型、大型气化发电系统。小型气化发电系统主要采用固定床工艺，采用空气为气化剂，气流方式有上吸式、下吸式和平吸式，特点是设备结构简单、易于操作、可以实现多种生物质原料的热解气化。欧美等国在这一方面的技术比较成熟，但其市场需求有限，实际经济效益不高。中型气化发电系统一般采用流化床工艺，其气化反应速度快，可燃气得率高，可燃气中焦油含量较小，但出炉的可燃气中含有较多的灰分，结构复杂，设备投资较多，发电成本较高，因此应用较少。大型气化发电系统中应用的联合循环发电方式(IGCC)目前仍处于研发阶段，技术尚未成熟。此外，生物质经气化后，将得到的燃气输送至用户使用，这种气化利用方式在我国城镇中使用较多，但由于技术不成熟，焦油堵塞问题严重等导致气化站运行困难[25]。
3.5.3 生物质快速热解技术
生物质快速热解技术是在高温下，将生物质隔绝空气或在少量空气中加热很短的时间，然后迅速冷却，得到炭、热解油和混合可燃气[25～26]。目前，该技术仍处于试验阶段，但应用前景较为广阔。欧美国家在丰富的理论依托下，已经开始对设备和工艺进行研究，目的是降低成本，提高热解油的纯度[27]。
3.5.4 生物燃料
生物燃料的开发曾因石油资源的大量开采而被搁置，但也随着石油价格的飙升而再度兴起。生物燃料具有可再生性，对环境危害小，且资源丰富，生产潜力大，是应对能源危机的有效途径。生物燃料主要有沼气、乙醇、氢气和生物柴油。
沼气是通过厌氧发酵菌群在厌氧条件下对秸秆、动物粪便等有机质进行发酵得到的。我国为了解决农村能源问题，于20世纪70年代开始推广过沼气发酵技术，经过几十年的发展，我国的沼气发酵技术已经相当完善。目前我国已有超过1 300万个户用沼气池，并建设了很多大型沼气发酵工程[4]，并要求大型养殖场必须配套建设沼气发酵装置。
液体酒精燃料技术是利用生物技术通过发酵手段等把生物质转化为乙醇的过程。目前，乙醇生产过程中主要原料为淀粉(主要是玉米)和糖蜜，但存在成本较高，且与人争粮、争地等问题，因此，我国开展了以甜高粱茎秆、木薯等非粮原料生产燃料乙醇的研发工作，并已具备规模化生产的能力。此外，以秸秆纤维素为原料制取燃料乙醇的技术也已经获得突破[28]。
氢气是目前最理想的燃料，因而许多国家对生物质制氢技术都很感兴趣，其主要方法是热化学处理，通过控制气化条件和催化剂的选择来制取氢气，但处理成本高是其发展的最大瓶颈。近年来，利用光合菌、藻类和发酵细菌的生物制氢技术也引起了人们的关注[29]，有望成为生物质制氢的另一条有效途径。
生物柴油是利用可再生的动物和植物油脂为原料与甲醇或乙醇等醇类物质进行酯交换反应制得。目前，生物柴油的生产方法主要有直接混合法、酯交换技术、超临界流体法、高温热裂解法和微乳液法[30]。生物柴油与矿物柴油相比，在燃烧效率、含硫量等方面具有一定优势(见表3[31])，既可以单独使用，也可以与矿物柴油以任意比例互溶(一般加入生物柴油比例2%～30%)，具有极好的发展前景。生物柴油技术在欧美及日本比较成熟，并已经形成产业化[32]。我国四川大学采用基因技术在控制油含量和碳链长度方面取得突破，生产的生物柴油符合欧洲3号标准[33]。但我国生物柴油的生产中仍有很多问题需要解决，如原料供应、工艺及设备不稳定等。
4 生物质产业的明天
生物质作为太阳能的产物，几乎遍布地球的每一个角落，包括动物、植物、微生物及其有机代谢产物。将生物质资源的利用分为两部分，能源和物质。能源：生物质所获取的太阳能虽然只占其总量的0.2%，却是人类能源消耗总量的40倍，巨大的潜力吸引了全世界的目光。物质：每年再生的生物质数量不计其数，根据其不同的组成成分和结构，采取不用的处理技术，可制成各种建工、化工材料以及饲料和肥料。
近年来，由于能源危机、经济危机的影响，我国正处在经济转型期，承受着巨大的发展压力。可以说有效地开发生物质资源，有针对性的利用生物质资源化技术，并将其形成产业化，将是解决我国的经济危机、能源危机的有效办法，据估计，经过未来几年的发展，我国的生物质产业产值将达到400亿元/年，而其发展潜力更是惊人。
“三农”问题和能源问题是关乎我国社会稳定、经济快速增长的两大焦点和难点问题。我国以及全世界大力发展生物质产业的初衷也是为了解决这些困扰人类的问题。美国于20世纪末开始大力发展生物质产业，之后，美国能源部和农业部提交了《美国生物质技术路线图》，并根据路线图，制定了很多发展规划，如用生物燃油代替传统燃油消耗量的10%，为农民增收200亿美元/年等。此外，巴西制定了“酒精能源技术”，日本制定了“阳光技术”，以及印度的“绿色能源工程”。为了深化可持续发展，推行循环经济和低碳经济，我国也积极地加入到生物质发开的世界团队中，提出“农林生物质工程”的发展计划，并颁布《可再生能源法》、《秸秆综合利用规划》等法律和政策，以鼓励和刺激生物质资源化技术和产业的发展。
目前，国际生物质资源开发的主要方向是能源和生物质材料的开发。我们应立足于我国的具体国情，选择最适当的资源化利用方式，合理规划，合理布局，充分利用我国庞大的秸秆资源。
4.1 秸秆饲料产业
近年来，随着人民对肉、蛋、奶等畜牧业产品需求量的激增，我国畜牧业飞速发展，但付出的代价就是植被破坏严重、生态环境恶化及“人畜争粮”问题的加剧，改变传统放牧养殖方式、减少饲料成本和缺口已经迫在眉睫。我国人畜争粮的问题严重，因此能够作为饲料的粮食有限，需要大量进口玉米、鱼骨粉等精饲料，我国2010年玉米饲料缺口为2 301万吨，2020年预计将要进口5 000多万吨，而2010年我国鱼粉的进口量达到全球进口量的33%以上，且其价格又受到国际粮食价格走高的影响不断上涨。这样就导致畜牧养殖业的成本大大增加，从而限制了畜牧业的发展。
秸秆直接作为饲料品质不佳，但经过微生物发酵等技术处理后蛋白含量高，适口性较好。加之我国秸秆资源丰富，且饲料化技术比较成熟，因此，将两者有机结合就是解决我国畜牧业饲料短缺、生产成本高的最有效的途径。我国畜牧业巨大的饲料需求则是推动秸秆饲料产业发展的最大动力。
4.2 生物质能源产业
随着石油资源的逐渐枯竭，生物质能将成为21世纪极其重要的能源资源，大力开发生物质能已经被列入世界各国的战略发展规划。《可再生能源法》及其相应的配套政策是我国加速开发生物质能源的重要标志。这些文件对我国生物质能产业的发展提供了最有力的支持，为产业发展制定了详细的发展规划，不仅有总量目标，见表4[33]，还涉及各类资源化技术的研发和应用。
4.2.1 秸秆发电产业
生物质燃烧发电在发达国家已经投入运行，并且效果良好。国能生物发电有限公司投资建设的山东省单县生物质能发电工程于2007年11月16日正式投产，效果良好，为周边地区的秸秆综合利用提供了有效地途径，为我国生物质发电产业迈出了第一步。在鼓励生物质发电产业发展的同时，必须要对生物质发电产业的发展进行精密规划，严格审批，从而合理利用周边地区生物质资源，不能盲目投资建设，导致恶性竞争的出现。此外，我国尚未掌握生物质发电的核心技术，发电锅炉等只能从国外引进，限制了我国生物质发电产业的发展[34]。
4.2.2 生物燃料
我国生产燃料乙醇的技术已经比较成熟，但由于大规模的燃料乙醇项目需要大量的能源作物，为了避免人车争粮及粮食价格上涨等不良社会影响的出现，要合理规划土地资源的利用，在保证不减少粮食产量的前提下，大量种植非粮作物，保证乙醇生产的原料供应。
氢气是最理想的能源，但传统工艺能耗过高，生物质产氢等新技术尚在研发阶段。因此，制氢产业虽然具有很好发展前景，但仍需要加快研发速度。
目前，我国生物柴油的生产水平还远不及发达国家，但能源危机和生物柴油优异的性能是驱动我国生物柴油产业快速发展的主要动力。通过技术攻关，完善其产业链，尤其是原材料供应环节，我国生物柴油产业的发展空间将会非常广阔[31]。
4.3 生物质材料
地膜和其他塑料产品的大量使用是造成我国“白色污染”严重的罪魁祸首，可降解生物质材料的出现为解决这一问题提供了新的途径。生物质材料在国际上被称为化学工业的第三次革命，它不仅可以解决石油基塑料不可降解所造成的白色污染，缓解环境压力，还能够为人类提供性能优越的新型材料[22]。作为新兴产业，我国与世界先进水平的差距不大，甚至在一些方面取得了显著的成果。发展生物质材料产业要做到技术研发与实际应用紧密结合，迅速提升我国生物质材料产业的核心竞争力，形成优势品牌，开拓国际市场。
4.4 生物质产业发展展望
生物质产业毫无疑问已发展成为21世纪的一种重要的经济形态。我国能源资源紧张、“三农”问题突出，这些问题都在催动生物质产业迅速发展。利用好我国丰富的生物质资源，对于推动农业产业结构调整，解决能源短缺问题有极大的帮助，从而实现可持续发展，推动我国的发展进程。
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