秸秆生物质循环利用的现状分析

李 岩，王立中，王中华，袁 鹰

（泰州职业技术学院，江苏 泰州 225300）

作者简介：李岩（1986— ），男，河北邯郸人，讲师，博士；研究方向：生物质能源综合利用。

生物质是一种源于植物、动物和微生物等非化石能源的有机成分、气体或液体，作为一种可再生的清洁能源，以实物的形式存在，相比风能、太阳能和潮汐能等可再生能源，其具有可运输、可储存、分布广、贮藏量大和易获得等优势，常见的生物质主要源于陆生和水生生物、能源作物以及农业、林业、渔业、工业、动物粪便、城市废弃物等的残余物。在大力发展清洁能源以缓解全球气候变暖的趋势下，为了避免资源浪费、缓解能源短缺压力以及治理焚烧造成的环境污染，源于农业残余物的秸秆生物质循环再利用成为研究热点。

1 还田

1.1 粉碎翻压还田

粉碎翻压还田是将秸秆通过机械粉碎后直接翻压回土壤并与土壤充分融合的直接还田技术。秸秆分解速度快，其中的有机质和微量元素等可充分保留在土壤中。实施时，要将秸秆充分粉碎，粉碎长度应控制在10 cm内，粉碎有效率应控制在90.0%以上，然后将秸秆均匀铺撒在土壤表面，翻压时，应根据不同时节、不同土地情况选择适宜的翻压机械，将秸秆翻压至土壤深处20 cm以下。研究表明，该项技术可使土地增产10.0%左右[1]。相关人员还应注意，在还田之前，要对秸秆进行药剂消毒，减少秸秆和土壤中的病虫卵。由于秸秆翻压后土壤中的碳元素大增，且在秸秆与土壤充分融合的过程中会消耗大量氮元素，土壤内碳氮比失衡（以25∶1～30∶1为宜），要增施氮肥。另外，秸秆还田数量不可贪多，应因地制宜。

1.2 覆盖还田

秸秆覆盖还田是在作物播种后施足肥料的基础上，直接将粉碎后的秸秆铺撒在作物行间，利用天然的温度和降水环境就地沤制秸秆，达到培育土壤、减肥增效、节本增收、蓄水保墒、恢复地力、保护环境的目的。秸秆覆盖还田应注意选取合适的作物、适宜的覆盖时间、合理的覆盖量，与粉碎翻压还田一样，要注意防治病虫害。由于进入土壤的秸秆都要经微生物分解，也要注意控制碳氮比，及时增施尿素。与粉碎翻压还田相比，直接覆盖还田技术投入少、操作方便、简单易行、效果显著。为了更好地提高增产效果，班赢红[2]在研究小麦秸秆覆盖还田技术时发现，采取添加酵菌素、石灰等催腐措施，可提高增产效益和经济效益，具有推广施行的价值。此项技术在实际推行时也同样面临土地分散经营、部分农户思想认识不足等困难，要想大面积推广，仍需进一步加大宣传示范推广力度，完善技术体系，增加扶持政策。

1.3 堆沤还田

堆沤还田是将秸秆与动物粪便、微生物、催腐剂等混合堆积进行人工发酵，将其制成有机肥的一种还田技术。上述秸秆直接还田方法会导致土壤中的氮素减少，再加上土壤本身的氮素同样会流失到环境中，堆沤还田这种间接还田方式可以将秸秆本身含量丰富的氮元素施还到土壤中，还可同时补充镁、磷、钾、钙等微量元素，且不受秸秆本身干湿、季节与地点的限制，应用简单，省时省力，值得农业大力推广。

1.4 过腹还田

过腹还田就是将秸秆当作饲料喂养牛、羊等食草家畜，再将所得动物粪便加以处理成为有机肥还田，不仅可以增加土壤中的有机质含量，被家畜吸收的部分还可转化为奶、肉等营养物质，提高禽畜产品产量，对改善生态环境、降低农作物成本、促进生态可持续发展等都有重要意义。堆肥时，应注意维持适宜的碳氮比，若将氮匮乏的有机肥施入土地，会造成原有氮元素的流失，因此可在过腹还田的同时加施氮肥。赵凌霄等[3]的研究结果表明，秸秆过腹还田配施氮肥处理改善土壤理化性质的效果显著高于秸秆直接还田。从总体上看，过腹还田是培肥和增产的最优秸秆还田方式。

随着科研工作人员的深入研究，秸秆还田方式越来越多样化，增肥增产效果显著。但是，如果采用的方法不当，也会导致土地微生态环境失衡、土壤孔隙不适、秸秆带菌体无法杀灭，造成土壤病菌增加、农作物病害加重、粮食减产等。我国很多地区仍然采用一家一户分散小型农耕，大型统一机械化技术尚未普及，还田质量参差不齐且易造成环境污染，想要达到良好的循环利用效果，需采取合理的措施。只要找到适合我国国情的方式方法，在国家有关部门的号召和领导下，被广大农民接受、认可和配合，秸秆还田技术一定会在更大程度上促进作物增产。

2 制取沼气

利用沼气设备严格的厌氧环境和适宜的温度、水分、酸碱等条件，秸秆在微生物厌氧发酵作用下可产生一种可燃气体，转化为天然气、热能、电能等，实现节能减排的效果。现阶段，我国规模化秸秆发酵制取沼气已经有了很大的突破，但仍存在收集运输成本高、储存难度大、发酵过程中碳氮比易失衡、降解周期长、技术不成熟、沼气工程收支不平衡、政策不完善等问题，如在发酵前的预处理阶段，物理机械化破碎会消耗很多能量且不能有效提高沼气产量；化学碱处理后碱浓度过高会抑制发酵；生物乳酸菌处理时间较长且存在一定的局限性；高温蒸汽爆破技术要求高，难以推广；在发酵阶段，接种物的质量、数量、碳氮比和料液pH等均可对沼气产量造成影响。目前，科研工作人员也在积极研究，寻找解决上述问题的方法。李金怀等[4]的研究结果表明，当原料接种物比例为30.0%、碳氮比为20∶1～30∶1、pH为7.0时，沼气产量较为理想；乔玮等[5]研究发现，通入外源性H2可以实现沼气提纯。

总体上，我国秸秆制取沼气仍存在很多问题，单一优化某个环节可能对大规模沼气生产收效作用不明显，但该项目前景广阔，应考虑从整体出发，统筹运输、集中储存，学习国外的先进经验，引进技术和设备，形成大规模化秸秆沼气集成工程。

农作物秸秆制取沼气流程如图1所示。

图1 农作物秸秆制取沼气流程

3 生物质燃料

若将秸秆直接燃烧，不仅利用率低，还会造成环境污染。从提高资源利用率、保护环境的角度出发，如何将秸秆生物质转化为新型高效的生物质燃料成为当前研究的热点。目前，人们通常将秸秆通过气化、固态成型、制取沼气等途径转化为气、液、固态生物质燃料。

3.1 秸秆气化

秸秆气化可产生CO、H2、CH4等可燃气体，实现秸秆生物质的清洁高效利用，主要的气化工艺有热解气化、气化剂气化、超临界水气化等。其中，气化剂气化中的水蒸气气化是将秸秆生物质转化为高质量氢能的有效途径；空气-水蒸气混合气化综合了两者的优点，可以更好地提高燃气的热值。

3.2 固态成型

秸秆直燃发电曾是国家经济政策大力扶持的项目，但由于运输储存成本高且秸秆产出存在季节性差异，秸秆发电厂一直处于亏损状态，经济和社会效益两缺。

秸秆固态成型是将松散的秸秆收集后，经粉碎、挤压成易运输储存的形状，体积仅为原来的1/10，其中，棒状和颗粒状较为常见。秸秆固态成型并非想象中简单地粉碎后挤压成型，需要注意秸秆的湿度、粉碎颗粒大小、挤压密度等，不同的湿度、密度对其使用效率均会产生一定的影响，且不同作物的秸秆技术工艺略有不同。研究表明，秸秆生物质固态燃料燃烧后排放的烟尘浓度低，有害气体排放量比煤炭少，热效率可提高7.0%，节约能源约10.0%[6]。

此外，中国科学技术大学可再生洁净能源实验室将秸秆热解液化再加工后转化为生物油，转化率在50.0%以上。生物油可作为燃料直接在燃油锅炉和工业窑炉中燃烧使用，精制提炼后可作为车用燃料使用，替代柴油和重油，提供同样的热量，价格分别相当于柴油和重油现有价格的43.2%和63.1%。

从发展的角度看，秸秆生物质燃料可以减轻燃烧煤炭造成的环境污染，缓解能源短缺问题，且有助于国家秸秆禁燃政策的实施和推广，“以用促禁”。虽然现在生物质燃料的生产仍存在很多问题，但不可否认其具有广阔的应用前景。

4 培育食用菌

虽然秸秆再循环途径多样，但数据显示，仍有近1/5的秸秆资源未被充分利用。近年来，随着人们对膳食结构认知的成熟，食用菌行业快速发展，逐渐呈现出食用菌供不应求的现象，常见的食用菌栽培多用棉籽壳。我国作为农业大国，秸秆储量丰富，若将秸秆作为培养基发酵培育木耳、香菇等食用菌，不仅可以丰富秸秆的用途，满足人们的膳食需求，获得较高的经济效益，使用后的培养基还可作为优质有机肥还田，完善了秸秆高效循环利用途径。该项技术操作简单、周期短、经济效益高且污染小。由于菌种培育对气候环境的要求较高，培育食用菌需注意因地制宜，保证适用性。

现在我国利用秸秆培育食用菌的技术已处于领先水平，但代表性产业较少，这也意味着市场前景广阔。未来秸秆培养基培育食用菌的主要问题集中在筛选高产型、广温型和抗逆型菌种，优化秸秆培养基配方以及实现规模化生产3个方面。

5 发电

秸秆作物在生长时会吸收大气中的CO2，燃烧时释放的CO2再次被吸收，不会导致大气CO2含量升高，即所谓的零排碳量。在第四次工业革命“低碳经济”的大趋势下，将秸秆燃烧时的热能转化用于发电是一种新型发电技术，缓解了化石燃料资源短缺的问题，减轻了我国的用电压力。秸秆燃烧后形成的草木灰内含有丰富的钾、磷、钙等微量元素，是极佳的肥料。当前，利用秸秆发电的方式主要有直燃发电、混燃发电和热解气化发电3种。直燃发电是将秸秆直接燃烧，把热能转化为电能，可有效降低CO2和SO2的排放量，是较为环保的发电方式，但秸秆燃烧的热值较低；混燃发电是将秸秆和煤炭等化石能源混合燃烧，大大提高了秸秆的利用率，且煤炭燃烧产生的SO2可吸附在秸秆颗粒上，也有很好的环保效益；相比于直燃发电和混燃发电，热解气化发电能耗低、产能高且排碳量较低，是当前研究的主要方向[7]。

在我国采用一家一户农耕制的地区，收购秸秆的工作较为烦琐，且秸秆的运输和储存都未找到最适方式。此外，秸秆燃烧生成的碱性物质会降低灰渣中有效微量营养元素的含量。由于收购来源不同，杂质含量较多且不确定，灰渣处理也存在一定的困难。碱性物质还会使燃烧机组的脱硝催化剂失活，影响工作效率。

从长远发展的角度看，秸秆发电是一个新兴朝阳产业，若能加以国家相关政策的扶持和推动，统一收购，解决相关技术难题，并针对秸秆燃烧的特点自主研发新的机械设备，积极探索核心技术，可有效推动该产业快速发展，进一步促进社会经济可持续发展。

6 结语

秸秆生物质循环再利用的途径有很多，但每种再利用方式都存在一些尚未解决的难题。不可否认的是，秸秆再利用有着巨大的潜力和环保节能等优势，相信不久的将来，相关产业技术会更加成熟和规范。