农林废弃物实现华丽“变身”

策划/本刊编辑部 文/本刊记者 樊 洁

农林废弃物主要包括稻壳、秸秆、边角料、薪柴、树皮、卷皮、花生壳、食用菌基质、刨花等，是一种重要的生物质资源和可再生资源。如今，农林废弃物资源化利用是能源研究领域和生态环境保护领域的热点之一。农林废弃物的资源化利用，可减少化石燃料的使用，增加可再生能源的利用率，有利于社会的可持续发展。同时，可以提高农业和林业领域劳动者的收入，对解决农业农村问题具有积极的经济意义和社会意义。秸秆、稻草、玉米秆、树枝，这些长期以来被农村就地焚烧处理的农林废弃物，如今成了制作新型材料的原材料，从“垃圾”变为“宝贝”。航空燃料、3D 打印原料、垒土、乙醇汽油等高科技材料都可以由农林废弃物制作而成。

我国农林废弃物可利用资源丰富

农林废弃物中含有多种可用的物质，其中的纤维素和半纤维素是两个重要的物质。纤维素是木质生物质的重要组成部分，是地球上最丰富的可再生资源。

农林废弃物有广义和狭义两方面的概念。

广义上是指来自生产和生活过程中被丢弃不再具有原使用价值的农林废弃物，他们以固体和半固体的形式存在。主要包括大量产生的农村的秸秆、果树枝条、杂草、树叶等，还有生活垃圾以及新的由于城乡建设产生的园林废弃物等，所以这些废弃物的种类和数量非常大。

狭义上主要指秸秆、生活垃圾、尾菜等，这些废弃物的产生量非常大，不合理处理就会对环境产生重大污染，比如园林剪枝的木质纤维素含量高、硬度大，需要特殊处理设备进行粉碎和筛分处理。

我国作为一个农林大国，农业耕地、林业林地宜林地总面积约6.67亿hm2。生物质能源化利用的发展潜力是巨大的。研究统计显示，我国农林废弃物资源丰富，每年可达到7 亿多t，其中约3.5 亿t 可用作能源用途，相当于1.8 亿t 标准煤，发展潜力巨大。

随着我国农业生产规模的不断扩大，我国已成为世界上最大的农林废弃物生产国之一，农林废弃物资源化利用已成为城市和农村环境保护和治理的重要环节。来自2018 中国农林废弃物综合利用产业化研讨会上的数据显示，全国每年生成畜禽粪污38亿t，产生秸秆近10亿t，每年森林采伐、木材加工等林业废弃物约1.4亿t，林木修枝等产生的林业废弃物1亿t，这些资源的可利用率在50%以上，是发展生物质能源的重要资源。

农林废弃物如何实现变废为宝

合成高密度航空燃料

随着现代航空业的快速发展，巨大的碳排放量、成本问题成为我们不得不面对的软肋。随着国际社会对可持续发展以及二氧化碳减排问题的日益关注，发展新型、清洁、可再生的生物质航空燃料已成为能源领域的重点议题。另外，随着科技发展，采用廉价易得、不可食用的原始生物质原料合成可再生航空生物燃料成为了一个可行性方案，这个方案的实行可以使航空生物燃料的成本问题得到解决。

纤维素作为农林废弃物的主要成分之一，可通过水稻、小麦、玉米、棉花等农作物秸秆以及木屑、落叶、树皮等林业废弃物通过简单的化学处理获得，是构成植物细胞壁的一种廉价、可再生且非常丰富的聚合物。虽然以纤维素为原料合成航空煤油链烷烃（如支链辛烷、十二烷、十六烷）在国际上已有报告，但迄今为止，这些工作主要集中在以纤维素为原料合成普通航空煤油方面，在高密度航空煤油领域却鲜有进展。因此，发展高度集成的方法，在温和条件下合成生物燃料显得尤为重要。

中科院大连化物所李宁研究员和张涛院士团队发现了一条高度集成转化的新途径，利用农林废弃物合成出高密度航空燃料，相关研究工作发表在《焦耳》杂志上，该研究有望减少航空业造成的二氧化碳排放。

该团队首次报道了以纤维素为原料合成更加复杂的多环烷烃，而这些多环烷烃可以被用作高密度先进航空燃料。科研人员首先将纤维素通过氢解反应选择性地转化为2,5-己二酮。接着，科研人员采用固定床双床催化剂体系，在氢气气氛下，将小麦秸秆纤维素制备的2,5-己二酮一步转化为一种碳链长度为12和18的多环烷烃的混合物。该混合物具有凝固点低、密度高的优势，既可以作为现有高密度航空燃料的替代品，也可以作为添加剂改善其他航空燃料的效率。

该燃料不但将废弃的生物质变废为宝，而且比传统的航空燃料具有更高的密度，使用该燃料可以在不改变飞机油箱体积的前提下，有效地提高飞行器的航程和载荷，飞机能够比使用常规航空燃料飞得更远，运送得更多。这样就可以减少飞机航班数，以及在飞机起飞和降落过程中造成的二氧化碳排放。据了解，该工艺的商业化还需要3～5 年时间，目前最大的问题是纤维素氢解反应需要使用对环境和健康有害的二氯甲烷，下一步研究团队将探索使用对环境友好的有机溶剂替代二氯甲烷。

变身3D打印原料

3D打印是一项用处颇多的技术，也是一项花费颇多的技术。一台具有高精度打印功能的工业级激光烧结打印机，售价动辄就高达五六十万元到几百万元。怎么把3D打印机的价格降下来，一直是很多人研究和探讨的问题。

超高精度的工业零件、高科技和美学共存的微缩建筑、心脏动脉模型以及独特的造型工艺品等，这些都被展示在东北林业大学3D打印材料与技术研发中心的3D 打印展区内。令人震惊的是，这些物品的原料都是来源于农林废弃物，如秸秆、果壳和木材竹材废料。在不久的将来，由东北林大机电学院教授郭艳玲团队所研发的3D打印机将进入市场，把原本五十余万元的成本压缩至十多万元，大幅度降低了3D 打印机的门槛，越来越多的人将体验到高新科技为教育、医疗、工业等多个行业带来的优质改变。

郭艳玲团队通过混合一定量的农林废弃物和树脂材料，如秸秆、稻壳、木屑、果壳、竹粉等，通过科研攻关变废为宝，使3D打印原料有了新的突破。把这些农林废弃物再利用，成为“第四类”激光烧结耗材。产品加工的全过程低碳、节能、环保，这大大降低了3D 打印耗材成本，打印原料仅以80 元/kg 出售，远远低于目前市场上售价每kg五六百元的进口锦纶材料。这一项目得到了中国工程院院士李坚的高度评价，他将这种耗材命名为生物质多元复合3D打印耗材，并预测未来会在很多应用领域成为高分子材料替代耗材，有巨大的社会效益和市场潜力。

在过去的几年中，郭艳玲团队不断研发了三代3D 打印机，独立开发的软件系统，如工艺参数智能优选系统软件，将部分硬件的功能软件化，保证高度精准的同时，极大降低了成本。第三代桌式激光烧结3D打印机具有工业机的功能和桌面机的价格，由于打印零件不需支撑，打印精度高，可以打印结构特别复杂的制件，而且经过后期处理，其力学强度可与木材、聚合物、陶瓷等材料相媲美。

该设备在国内外仅有类似科研项目在研究，市场销售尚属空白。现在，郭艳玲团队的第三代3D打印机正在进行软件和机械的配合调试、工业造型设计，虽然它还没有真正投放市场，但不少企业已经闻风而动，伺机而动争取占得先机，这其中不乏美国企业在重点关注。第三代桌面型激光烧结3D打印机与工业级的同类产品一样，可以自由打印出任意复杂结构的物品，广泛应用于医疗、教育、工业铸造、艺术品制作多种领域。

变身为神奇的垒土

没有普通土壤，养在“魔法土”里的植物依然生机勃勃；冷冰冰的水泥墙穿上了美丽的绿植“外衣”，这件“外衣”四季常青，使人赏心悦目……这些超出人们日常认知的神奇景观都离不开让农林废弃物变身“魔法土”的“黑科技”——垒土技术。

在2018年11月召开的中国国际进口博览会上，主场馆的立体墙面竟然穿上了一层美丽的“绿衣”，人们在感受展览馆的生态美之余，也对这层神奇“绿衣”背后所运用的科技手段充满好奇。这层“绿衣”是湖南尚佳绿色环境有限公司董事长戚智勇结合进博会展览馆的设计结构，运用垒土技术，为主场馆所做的立体绿化景观提升。

垒土是湖南尚佳绿色环境有限公司生产的一种固化可塑成型活性纤维培养土。秸秆、棉花秆、咖啡壳等农林废弃物，经过戚智勇博士研发的多种特殊科学处理方法后，竟能“变废为宝”——变成神奇的垒土。垒土成品的外表看上去固化如砖，拿起来却十分轻巧。垒土重量特别轻，而且固体可塑成型，可以根据不同需求，变成各种形状，极大地方便了施工，避免了施工常见的二次污染。这种特性颠覆了大众对于种植和栽培的空间概念，使植物可以在垒土的帮助下，在被装饰物体的表面“竖着长”“倒着长”甚至“横着长”。垒土的寿命长达26 年，还可以回收再利用。

在几十米高的建筑外墙上运用垒土技术进行装饰后如何养护外墙上的植物呢？垒土产品使用滴灌技术，由系统自动控制，可以保持高空中植物的最低需水量，能起到节水的作用。而且垒土产品的保水透气性很强，即使在上百米的垒土高墙上浇水浇肥，也不会出现水土流失，同时还能使植物保持良好的生长状态。垒土经过高温消毒，不含任何杂质与菌类，用在建筑外表以及日常生活的各个方面，都不会对环境造成污染。

在垒土的帮助下，可以通过选择不同的植物品种，进行颜色的搭配、调整，做出各种不同的艺术造型，使建筑外表充满艺术感，而垒土产品的养护成本只有传统绿化种植方式的1/10左右。

在自然界生长的植物原本需要较大的空间，而运用垒土技术后，植物们能够在较小的空间中生长。这正是垒土的优势所在，运用垒土这种替代土壤进行农业种植，可使农业种植减少对土壤的依赖，从而改善环境污染。迄今为止，垒土技术除了运用于建筑外墙立体绿化景观提升，还成功应用于北京、上海、广州、宁波等地的大型市政绿化工程，促进了当地绿色环保事业的发展。除此之外，垒土还可以用于家庭园艺种植，美化居住环境。

戚智勇说：“由于大部分人都在城市里生活，未来我们将进入一个‘缺土时代’。我把垒土技术定位为这个‘缺土时代’的绿色种植‘芯片’，希望未来可以运用垒土技术，让更多的绿色重新回到人们的身边。”

为生物质发电提供“口粮”

生物质资源是当今世界上储量与煤炭、石油、天然气并肩的四大能源之一，也是唯一的一种零碳能源，但是长期以来并没有得到很好的开发利用。利用农林废弃物供热、发电是一个新兴产业，因其资源的可再生性、污染小、资源丰富等特点逐渐在国内兴起。我国作为农业大国，随处可见的秸秆、稻草、玉米秆、树枝等，这些长期以来被农村地区就地焚烧处理的农林废弃物，如今摇身一变，成了生物质发电锅炉的“口粮”。据悉，中国农林废弃物发电产业年处理量近9 000万t，年发电量已达500亿kW·h。随着国家政策的推广，完全可以把这些废弃物转变为生物质发电锅炉的专用燃料，让生物质发电锅炉“吃”下去的废弃物，变为“吐”出来的电能。

对于农林废弃物的资源化利用，我国虽然在起跑线上落后，但是现在国家给予了前所未有的重视，相关政策纷纷出台。生物质供热和发电正在成为国家鼓励推广的清洁能源选项。综合来看，农林废弃物有望成为清洁供暖的“生力军”，市场潜力巨大。

国家能源局发布的《生物质能发展“十三五”规划》明确提出了生物质能发展目标。其中，“十三五”期间生物质发电的利用规模达到1 500万kW，年产量达到900亿kW·h，替代化石能源2 600万t/年；生物天然气的年产量目标为80 亿m3，替代化石能源960万t/年；生物质成型燃料和生物液体燃料的利用规模分别达到3 000万t和600万t，分别替代化石能源1 500万t/年和680万t/年。

随着国内大力鼓励和支持发展可再生能源，生物质能发电投资热情迅速高涨，各类农林废弃物发电项目纷纷启动建设。中国生物质能发电技术产业呈现出全面加速的发展态势。截止到2017年底，全国生物质发电并网装机容量1 476万kW（不含自备电厂），同比增长21.6%，2018 年达到1 781 万kW，2019年第一季度累计装机达到1 878万kW，同比增长19.2%，继续保持稳步增长势头。

2018年，中国生物质新增装机容量为305万kW，2019年一季度，中国生物质发电新增装机97万kW。2018 年可再生能源发电量达1.87 万亿kW·h，其中生物质发电906亿kW·h，同比增长14.0%。2019年一季度，中国生物质发电量为245 亿kW·h，同比增长16.7%。

近年来中国生物质发电投资规模持续增长，虽然增速较2010年前后的30%有所放缓，但增势依然十分明显。据统计，2017年生物质发电投资规模已达到1 328亿元，同比增长11.5%。2018年的投资规模或在1 400亿元左右，仍然保持增长。

通过对农林废弃物的再利用，不仅田间地垄整齐了，大秋作物管理方便了，最重要的是，农村的环境变美了，农民的收入增加了。国家林业和草原局局长张建龙表示，要大力发展农林生物质能源，维护国家能源安全。必须把发展生物质能源作为重要战略，把农林废弃物转化为生物质油是其中的重要内容，能够使生物质组成中的纤维素、半纤维素和木质素得到增值增效利用。

化身车用乙醇汽油

秸秆的处理一直是全世界的难题。中国每年产生的秸秆总量就超过了10亿t，由于采集分散、运输成本高、加工效能低等原因，能高效利用的秸秆资源不足10%。剩下的不少被原地焚烧，化身雾霾，严重污染空气，也造成了资源的浪费。但是，随着化工技术的推进，秸秆产出也开始向高端产品迈进，燃料乙醇就是其中之一。

燃料乙醇指以生物物质为原料通过生物发酵等途径获得的可作为燃料用的乙醇。燃料乙醇经变性后与汽油按一定比例混合可制车用乙醇汽油。燃料乙醇生产技术主要有第一代和第二代两种。第一代燃料乙醇技术是以糖质和淀粉质作物为原料生产乙醇。第二代燃料乙醇技术是以木质纤维素质为原料生产乙醇。

在我国燃料乙醇的发展进程中，其原料变化是重要特点，早期生产燃料乙醇的主要原料是陈化粮和木薯、甜高粱、地瓜等淀粉质或糖质非粮作物，相对而言，这些原料的价格较高。随着木质纤维素提取技术的提高，今后研发的重点主要集中在以木质纤维素为原料的第二代燃料乙醇技术。由此，价格低廉的秸秆等生物质成为制取燃料乙醇的重要原料。

中国科学院大连化学物理研究所在生物质催化转化研究方面取得了新进展，他们通过新研发的多功能催化剂，首次将纤维素“一锅”高效转化为乙醇。相关研究成果日前发表在《焦耳》上。

纤维素作为自然界最丰富的生物质资源，可大量来源于农林废弃物，其不可食用的特征使其成为理想的可再生碳资源用来生产燃料和化学品。纤维素乙醇是最重要的生物燃料之一,将其与汽油按照一定的比例混合，即可形成新一代清洁环保车用燃油，能降低汽车尾气如一氧化碳、碳氢化合物等污染物的排放。然而，目前利用生物发酵技术进行生产纤维素乙醇仍然面临各种技术及经济的挑战，探索非生物转化路线生产纤维素乙醇具有重要的意义。

中科院大连化物所王爱琴研究员、张涛院士团队一直致力于生物质中碳-碳键和碳-氧键选择性断裂制备重要小分子醇的研究，他们首创了纤维素氢解制乙二醇的催化转化反应，发现了含钨（W）化合物在催化纤维素碳-碳键选择性断裂反应中的独特作用，从而提出了纤维素可以经由先氧化酯化再加氢还原制备乙醇的二步法。该研究团队在前期工作的基础上新发展了一种新的多功能催化剂MoPtWOx，它可将纤维素氢解制乙二醇和乙二醇氢解制乙醇巧妙地耦合起来，实现了纤维素“一锅”直接高效制乙醇的过程，该反应的乙醇收率达到43.2%。同时,该催化剂还表现出了优异的稳定性和抗一氧化碳中毒性能，使其在未来的实际应用中具有较大的潜力。

以农林废弃物等木质纤维素原料制取乙醇燃料技术已开始进入年产万t级规模的中试阶段。未来我国燃料乙醇行业的重点是降低生产成本、减少政府补贴，为此，制定生物燃料乙醇生产过程的消耗控制规范及产品质量技术标准，是降本增效的有力手段。

2018年8月22日召开的国务院常务会议，确定生物燃料乙醇产业总体布局。会议决定有序扩大车用乙醇汽油推广使用，除黑龙江、吉林、辽宁等11个试点省份外，2019年在北京、天津、河北等15个省份推广。以秸秆类物质为原料生产燃料乙醇是未来发展的趋势，对国家粮食安全、能源战略、环境保护、农民增收等都有积极的意义。

转化为“生物炭”

生物炭是一种作为土壤改良剂的木炭，能帮助植物生长，可应用于农业用途以及碳收集及储存使用，有别于一般燃料中的传统木炭。

中国工程院院士、中国生物炭产业技术创新战略联盟理事长陈温福教授介绍生物炭的特性时说：“生物炭既可作为土壤改良剂、高品质能源，也可作为还原剂、肥料缓释载体及二氧化碳封存载体，有望广泛应用于固碳减排、水源净化、重金属吸附、肥料增效和土壤改良等，可在一定程度上为气候变化、环境污染和土壤功能退化等全球关注的热点问题提供解决方案。”

秸秆，用之为宝，弃之为害。数据显示，我国年产农林废弃物约14 亿t，其中玉米、水稻、小麦等大宗作物的秸秆高达7 亿t，其中仅有不到1/3 实现了还田，秸秆肥料化利用率不足20%，被焚烧或废弃的秸秆达20%以上。

农民之所以焚烧秸秆，主要还是因为没有找到更好的秸秆利用出路。近年来，用秸秆制作的生物炭在解决全球生态环境安全与农业可持续发展等方面的作用已获得普遍认可，被学术界誉为“黑色黄金”。

我国生物炭理论研究、产业化应用在国际上处于领先地位。关于生物炭的SCI 论文，我国研究人员发表的几乎占到50%，制炭设备、工艺流程也相当成熟，能够实现自循环、无污染生产。生物炭生产成本仅为国外同类产品的15%，生物炭基肥与复合肥生产成本大体相当，具备了大规模产业化基础。

若将我国每年30%的秸秆进行生物炭产业化利用，就能形成规模超过2 500亿元的生物炭基肥或土壤改良剂产业，可带动约10 万人就业，每年带动农民直接增收588亿元。

变为一次性秸秆餐具

近年来，我国餐具市场前景一路看好，市场需求量巨大，已经成为万亿级规模产业。秸秆环保餐具、植物秸秆纤维纺织品等是秸秆综合利用领域中高附加值、高科技含量的应用，秸秆餐具成为未来环保餐具的发展趋势。中国是一次性餐具消费大国，目前，秸秆餐具在中国属于新兴环保项目，有着巨大的市场空间。

秸秆绿色环保餐具，也叫植物纤维环保餐具，主要原料是麦秆、稻草、稻壳、玉米秸秆、苇秆、蔗渣等天然再生性植物纤维，经消毒、粉碎等工艺模压成型的一种方便餐具容器，产品主要包括碗、杯、盘、碟、叉、勺和环保咖啡杯。产品原料均为天然植物，生产过程中自然高温消毒，制作过程无废液、无有害气体和废渣的污染，产品符合国家环保卫生要求。

制备氢气和原柴油

利用光能如太阳能、人造光源和生物质如秸秆、林木废弃物等的下游产品为原料，大连化物所王峰研究员团队制备出了柴油和氢气，开辟了生物质能、氢能共同利用的新模式，相关论文发表在《自然能源》上。

氢气是化学工业和面向未来的理想清洁能源，相关技术备受关注。在光催化产生氢的过程中，光生电子可以还原质子产生氢气，而光生空穴如果不与反应底物发生作用，有可能会氧化光催化剂自身，进而导致生产氢气效率低，出现光催化剂失活等现象。

针对这些问题，人们通常引入牺牲试剂来消耗光生空穴，进而提升制氢效率和光催化剂稳定性。但这一过程中不可避免地产生废物，所获得的氢能量甚至还不足以抵消生产牺牲试剂所需的能量。因此，发展一种既能生产氢气，又能够将生物质转化为有用的化学品或燃料的技术尤为重要。

秸秆、林木废弃物等生物质是自然界产量最大的可持续碳资源，它可替代石化资源给人们提供大量的生产生活用品。作为利用光能分解水生产氢气的替换方法，在可见光驱动下分解生物质原料，通常可以获得更高的光能利用率和产生氢气速率。

经过长期探索，中科院大化所研究团队在实验中利用可见光来驱动生物质下游产品即甲基呋喃类化合物，进而同时完成生产氢气和原柴油两种能源产品的过程。据悉，该反应在常温常压下进行即可获得组分非常丰富的原柴油，且脱除了原柴油中的氧，取得与目前市场上的柴油更接近的可再生高品质油品，其副产品为氢气。

研究组组长王峰研究员表示，这个过程中是利用光能和生物质制备氢气后，产生的生物质产物再经过进一步加工生成高品质柴油。

农林废弃物资源化利用大势所趋

我国农村地区农林废弃物产量大、种类多，增长迅速，不仅对河流、地下水等水资源造成严重污染，而且破坏农村空气环境，甚至威胁到村民的身体健康。但若是对这些废弃物通过相关设备加以有效处理和利用，不仅可以节约农业资源，提高资源利用率，还能减少对环境的污染，甚至可以带来经济效益，一举双得或多得，实现农村生态经济的良性循环。

今年中央1号文件提出，发展生态循环农业，推进畜禽粪污、秸秆、农膜等农业废弃物资源化利用。在生态农业深入人心的今天，广袤、富饶的黑土地，正向“绿色兴农”大步迈进。

农村废物的资源化利用的潜力和潜在效益巨大。目前，在我国农村生活垃圾资源化利用、生物质能源化利用、畜禽粪便资源化利用以及在秸秆、杏仁壳、椰子壳等农业废物分类资源化利用领域，已经有不少企业在耕耘、收获。随着政策引导和市场需求扩大，更多的投资者也开始在这一领域争相布局。

工业文明走到今天，已面临着资源减少、生态环境污染、全球气候变暖等各种危机，人类社会正在迎接一场以“新能源、新材料和生命科学”相结合的科技革命、产业革命，低碳经济模式下的生态文明社会建设已经开始。