稻/麦秸秆资源化利用研究现状∗

王 健 吴义强 李贤军 左迎峰

（1.中南林业科技大学材料科学与工程学院，湖南 长沙 410004；2.农林生物质绿色加工技术国家地方联合工程研究中心，湖南 长沙 410004；3.湖南省农林工业勘察设计研究总院，湖南 长沙 410004）

2016 年我国可用耕地约1.07 亿hm2，占世界耕地面积的7%[1]，每年产生大量农作物秸秆。据联合国粮农组织（FAO）统计，2012 年全球秸秆总产量为50.81 亿t，其 中，秸 秆 产 量 超 过0.50 亿t的15 个 国 家（除中国外），其合计秸秆总产量为28.75 亿t，占全球的56.58%；中国秸秆总产量为9.40 亿t，占全球秸秆总产量的 18.50%[2]。本文对稻、麦秸秆的理化性能进行介绍，简要分析了国内外在秸秆传统应用、能源转化和工业生产方面的研究进展，旨在为我国秸秆综合利用管理提供理论支持。

1 稻/麦秸秆理化性质

稻、麦是草本植物。稻秆高50～100 cm，直径约为4 mm，秆壁厚约1 mm；麦秆则由节和节间组成，地上节间一般为4～6 个，节高度为29～97 cm，秆直径为2～4 mm，壁厚0.3～0.7 mm，茎杆表皮光滑坚实、润湿性差[3]。稻、麦秸秆均是一种含纤维素、半纤维素、木质素、灰分等物质的复杂天然复合物，二者有着诸多相似之处。以结构相对复杂的稻秆为例，其表皮扫描电镜和能谱如图1 所示，由图可见其外表皮上存在许多颗粒物，而内表皮相对平整。通过原子百分比可以初步判断外表皮颗粒物主要成分为含硅化合物[4]，这些物质可增强植物的机械强度，起到天然的“机械或物理屏障”作用[5]。

图1 稻秸秆外表皮（a）和内表皮（b）的电镜与能谱图Fig.1 SEM and EDS of the external surfaces (a) and inner surfaces (b) of rice straw

稻秸秆横截面的构造如图2 所示[6]，稻秸秆的叶鞘和茎秆在横截面上呈内外环状分布，其中叶鞘（图2b）是由表皮组织、薄壁组织和维管束构成的疏松结构；茎秆（图2c）则是由表皮组织、薄壁组织、维管束以及机械组织构成的规整结构。如Halvarsson等[7]所述，稻麦秸秆具有比木质更为复杂的微观结构，其细胞尺寸和类型多变，同时纤维更短、细胞壁更薄，这些都影响了秸秆中各种组分的占比，进而影响其相关应用。表1～3[8-10]分别显示了稻、麦秸秆的化学组份、元素成分以及纤维尺寸。

图2 稻秸秆横截面的构造Fig.2 Ultrastructure of rice straw in transverse section

表1 秸秆纤维的化学组份Tab. 1 Chemical composition of straw fibers/%

表2 稻、麦秸秆纤维成分分析Tab. 2 Elemental analysis of rice and wheat straw fibers

表3 稻、麦秸秆纤维尺寸Tab. 3 Dimensions of rice and wheat straw fibers

2 稻/麦秸秆传统利用方式

2.1 秸秆制备草木灰

草木灰是植物燃烧后的残余物，含有钾、钙、磷、硅、硫、镁、硼、锌等多种营养元素（其中钾、钙、磷占比较多），主要成分如表4 所示，是一种优质农家肥[11]。

表4 常见草木灰主要成分Tab. 4 Main components of common plant ash/%

在农林业中，草木灰可以促进种子发芽，促进生根，防止落叶，具有改善品质，抑制病虫害和提高果树抗旱性等作用[12]；此外，草木灰还被用于洗涤祛油和简易消毒剂的生产等[13]。然而以往我国农村草木灰的生产，主要依赖于厨房用火和田间焚烧，但这会导致严重的空气污染[14]。

2.2 秸秆还田

孙伟红等[15-17]就秸秆还田对土壤肥力和作物生长影响问题进行研究，发现合理的还田对农田具有良好的生态效应。当前秸秆还田按处理方式可以分为间接还田和直接还田，间接还田主要包括堆沤还田（秸秆就地堆制，采用菌剂腐熟秸秆，制作有机肥料）、过腹还田[18]（秸秆作饲料，将动物消化吸收后的粪便施入土壤，此法最具生态性）、处理后残渣还田（以秸秆用于其他用途后的无害化残渣作为基肥还田）和就地焚烧。直接还田有很多优点, 如人工成本低，能有效增加土壤有机质和促进土壤生物活性，利于防止风蚀与水蚀以及改善土壤物理结构等[19]。但微生物在分解作物秸秆时，需要吸收一定的氮营养，造成与作物争氮，影响作物生长[20]。

2.3 秸秆作饲料

当前牛、羊、鸡等家畜多以粮食添加部分营养成分后作为饲料，但这些饲料不仅成本高、加工复杂，同时还会消耗大量粮食[21]。近年来随着农副产品的价格上涨，以粮食为主的饲料成本将进一步提高，开发非粮食类饲料已逐渐成为大趋势。以常用作饲料的秸秆为例，其营养成分如表5[22]所示。

表5 不同秸秆的营养成分Tab. 5 Nutritional components of diあerent straws /%

由表5 可知，秸秆中普遍粗纤维含量高，而粗蛋白、粗脂肪、糖类含量低，是一种不适合直接喂食的劣质饲料。因此对秸秆进行相关处理，使其中所含纤维素、半纤维素和木质素等降解和转化，以提高其营养价值是必然选择[23]。单洪涛[24-25]等经验证指出，秸秆处理能有效提高其饲料用价值。

3 稻/麦秸秆能源化利用

3.1 秸秆气化应用——气态生物燃料

沼气是有机质在厌氧条件下，经微生物发酵而生成的一种混合气体。有机质经水解、酸化后逐渐产生以甲烷（20%～80%）、二氧化碳（20%～40%）和氮气（0%～5%）等为主的混合物，其中主要成分甲烷是一种很好的清洁燃料，纯甲烷的发热量为34 000 kJ/m3，相当于0.7 kg无烟煤提供的热量[26]。

欧美等发达国家将屠宰场、肉类加工厂、城市污水及有机垃圾处理厂相结合形成工业化的沼气工程，同时还培育了专用于沼气生产的麦类植物作辅助原料[27]，这种工业化生产的沼气经纯化和压缩后可获得和天然气一样的压缩沼气[28]。这类沼气工程引入了现代化农场经营模式，具有人工少、效率高、机械化程度高、运行费用低等特点[29]。德国具有专门的沼气产业协会和技术服务性企业，可以促进沼气产业化的发展[30]。目前我国的沼气生产后自用、他用系统尚不配套，费钱费事，因而很多大中型养殖场对沼气利用的积极性不高[31-32]。

3.2 秸秆液化应用——液态生物燃料

随着土地资源的日益紧张，单纯的以粮食为原料的生物液体燃料技术发展前景并不乐观[33-35]。植物纤维素是地球上最丰富的可再生资源，Huber等[36]曾分析，每年纤维素类生物质生成量转化为生物燃料相当于340 亿～1 600 亿桶原油。

秸秆类木质纤维素经预处理后，再经水解使其成为木糖、葡萄糖等小分子物质[37]。水解所得糖类小分子物质再通过发酵、分离后即可获得乙醇，工艺流程一般分为四类：分步水解发酵(SHF)、同步糖化发酵(SSF)、同步糖化共发酵(SSCF)和同步多菌产酶水解发酵(SMEHF)[38]。其中SHF法研发最早，工艺也最成熟。2004 年，加拿大logen公司在渥太华采用SHF法建成了世界上第一座木质纤维素乙醇实验工厂，达到了年产燃料乙醇3 000 t，日处理麦秸秆40 t。SMEHF工艺则为清华大学、英国牛津大学和美国农业部农业利用研究中心等单位合作于近年研发，该法能显著降低纤维素乙醇成本。

3.3 秸秆直燃混燃应用——固态生物燃料

秸秆（含水率15%左右）的平均热值为14 226 kJ/kg，比薪柴平均热值低15%，相当于标准煤热值的48.57%，即2 kg秸秆约折合1 kg标准煤[39-40]。李庆凯等[41]研究发现，利用秸秆制作生物质煤替代小锅炉燃煤，既可以充分利用资源，还能减少锅炉烟尘和二氧化硫排放，具有良好的环境效益和经济效益。然而传统锅炉是按煤炭特点设计，使用未经处理的秸秆时，秸秆中的钾、钠、硅及氯离子等在高温时熔融结渣，堵塞炉膛烟道，影响热效率和设备使用寿命，因此需要使用特制设备。王长成等[42]制备的生物质煤（掺煤粉）能使原煤块的排烟、硫、氮氧化物分别由2.34 g/kg、0.5 g/kg、227 ppm/Nm3(6% O2)降低到0.09 g/kg、1.8 g/kg、175 ppm/Nm3。

芬兰在1970 年开发了生物质混燃的流化床锅炉技术；丹麦Energy2 电厂年消耗4 万t秸秆，全年工作5 000 h，发电4 900 万kW·h，产热360 TJ，能效在30%左右；瑞典的Umea Energy垃圾热电厂的直燃能效也能达到30%；丹麦、奥地利等欧洲国家已陆续研制出生物质与煤混燃发电的锅炉。

4 稻/麦秸秆工业制造应用

4.1 秸秆造纸

我国是全球纸和纸板生产消费第一大国，同时也是世界上最大草浆生产国，世界非木材纸浆的 75%以上产自我国，其中草类非木材原料主要为芦苇、芒秆、竹子、甘蔗渣、秸秆（麦秸、稻草）、麻、棉等[43]。近年来我国在秸秆造纸等研究方面投入巨大，并取得了显著成果。但如何加强相关机械研究与应用，提高制浆废液处理技术仍然是研究重点。

4.2 秸秆人造板制备

秸秆作为原料生产人造板，通常需要借助胶黏剂和一定的工艺，其中胶黏剂直接决定着板材的性能，是秸秆板制造的核心[44-45]。常用胶黏剂包括有机胶黏剂（如脲醛树脂、酚醛树脂、异氰酸酯、三聚氰胺及一些改性生物胶黏剂等）和无机胶黏剂[46-47（如硅酸盐类胶黏剂、磷酸盐类胶黏剂、硫酸盐类胶黏剂、氧化镁类胶黏剂等）。在有机胶黏剂中，异氰酸酯使用最为广泛，用其制得的板材耐水、耐候性能优良，热压时间短，胶黏剂用量低，不含游离甲醛，是一种环保型高效胶黏剂，但异氰酸酯价格较高，应用受到一定限制。在无机胶黏剂中，硅酸盐类和氧化镁类胶黏剂应用最为广泛，中南林业科技大学的吴义强教授、李新功教授团队就以这两种无机胶制备秸秆板进行了大量研究，产品被广泛应用于家居、建材和装饰等领域。

4.3 秸秆建筑用材

秸秆在建筑方面的应用主要分为两类，一类是以秸秆为主体的建筑材料，主要包括秸秆草砖和秸秆板。秸秆草砖是将麦(稻)草秸秆通过机械压力捆扎而成[48]，主要用于建筑非承重部分，其保温效果好、耗能低、对环境无消极影响。但繁琐的墙体养护在一定程度上影响了其推广和使用。另一类应用则是将秸秆碎料用作填料，与无机胶凝材料混合制备复合材料。Nazerian等[49]将Portland水泥与秸秆混合，发现Portland水泥的强碱性会逐渐溶解和矿化植物纤维，使其强度降低。中南林业科技大学的吴义强、左迎峰团队则使用碱性的镁水泥复合秸秆碎料制备出了性能优异的无机秸秆板和墙体用秸秆/镁系发泡材料[50-52]。

5 结语

为推动秸秆资源综合高效利用与产业化发展，今后需要进一步提高秸秆收集和利用水平，拓宽秸秆利用渠道，力争早日实现秸秆绿色循环利用目标。可着重在以下几个方面进行研究：1）提高秸秆收集、储存和运输能力，降低秸秆生产周期对生产利用的负面影响；2）改进、优化秸秆能源方面的应用，提高秸秆-能源转化效率，降低应用成本；3）提高秸秆在工业生产制品中的用量，随着城镇化的推进，秸秆建材应用具有较好的市场前景；4）继续开拓新型、高效的秸秆利用形式。