对秸秆进行物质与能量梯级利用的方法、效益及政策建议

中国环境学会  2011年 03月31日


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  摘 要 本文介绍了秸秆处理的现状和存在的问题,指出农作物秸秆焚烧的危害和秸秆发电存在的问题,提出农作物秸秆新的物质与能量梯级利用方式,响应国家行业低碳经济发展的政策,为今后在农业技术推广的秸秆利用工作中提供借鉴。


  秸秆是农作物进行光合作用所形成的副产品,农作物光合作用的产物一半在籽实中,一半在秸秆里。秸秆含有多种可被利用的有效成分,与其籽实一样,也是重要的农产品。
  秸秆作为重要的生物质资源,总量基本和玉米、淀粉的总能量相当。秸秆燃烧值约为标准煤的50%。秸秆蛋白质含量约5%,纤维素含量在30%左右,还含一定量的钙、磷等矿物质,1吨普通秸秆的营养价值平均与0.25吨粮食的营养价值相当。专家测算[1],每生产1吨玉米可产2吨秸秆,每生产1吨稻谷和小麦可产1吨秸秆。我国每年可产农作物秸秆6亿多吨。如全部用来燃烧,可折合约3亿吨准煤的热值。如全部用作饲料,折算相当于1.5亿吨粮食。经科学处理,秸秆的营养价值还可大幅度提高。秸秆蕴藏着丰富的能量,含有大量的营养物质,开发利用潜力巨大,发展前景十分广阔。


  秸秆利用现状


  长期以来,我国一直存在重粮食利用、轻秸秆利用的传统观念,大部分秸秆被在田间、地头或场院烧掉;或者被农户直接用于生活燃料;再者,甚至被弃置不用乱堆乱放[2]。
  我国现阶段秸秆的利用途径主要分为4个方面:
  作为工业原料,主要用于造纸工业和手工业的原料;
  作为草食家畜的粗饲料;
  造肥还田;
  农村生活能源。
  各种用途所占比例分别为:造纸原料占2.9%;牲畜饲料占30.9%,其中:处理后饲喂的14.8%,未经处理的占16.1%;农村生活能源占45%;秸秆还田及其它损失占21.2%。


  秸秆利用存在的问题


  随着畜牧业、工业的发展,秸秆也越来越受到重视,但目前我国秸秆的利用方式还处于较低的水平,与发达国家相比仍有很大的差距,存在较大的问题:
  1.将秸秆直接还田或堆沤还田,虽然其N,P,K的还田率达100%,但秸秆直接还田会对农业生产带来不利影响:
  秸秆需要3年时间才能彻底腐烂分解,有机成分才可被充分利用;
  由于秸秆不能及时腐烂,影响种子的发芽率,阻碍种芽生长,造成出苗不齐;
  秸秆上附着的病菌和虫卵被植入土壤繁殖蔓延,造成病虫害的泛滥成灾;
  秸秆直接还田需要铡短切碎,需要大量人工和资金的投入。
  2.受消费观念和生活方式的影响,农村秸秆资源完全处于高消耗、高污染、低产出的状况,相当多的一部分农作物秸秆被弃置或者进行焚烧(目前我国秸秆利用率约为33%,其中大部分未加处理,经过技术处理后利用的仅约占2.6%)。
  3.秸秆焚烧带来的火灾,近几年愈演愈烈,秸秆的焚烧还会严重污染环境。
  4.秸秆直接燃烧发电是现在发展较快的一种处理方式,但这类电站单位容量投资大(常规电站一倍以上),热效率偏低(30%左右),收集困难、消耗大量的其他能源(如柴油)来运输低密度的秸秆,而产生的电量有限,从全生命周期来说是很不划算的。同时发电厂这种典型的工业项目与农业生产的差异性大,存在工农协调的问题。
  因此,如何做好农作物秸秆的就地转化工作已成为亟待解决的农业问题,同时也是实践发展循环经济和推进新农村建设的一项的重要尝试。


  秸秆梯级利用及其优点


  对于秸秆这种大分子碳水化合物,通过生物质能转换技术可以高效地利用生物物质、能源,将纤维素大分子分解为糖类和蛋白质,并进一步分解为其它小分子物质,而不是单纯的烧掉,仅利用其热值。使秸秆利用的整个生产链延长,向环境、资源、社会和经济等方面外延。
  秸秆可以通过下述途径实现综合利用:如图1,用秸秆来生产饲料——从而进行养殖——进而生产沼气——得到有机肥料——再进行种植,如此就可以形成一种典型的循环能源生态体系,使秸秆利用符合循环经济3R原则,实现低消耗、低排放和高效率的目标,有效利用资源,减少污染。
  其中,各利用方式优点及其效益如下[3]:
  1、使用秸秆生产饲料,从根本上解决我国人畜争粮问题和满足日益增长的畜产品需求。大量的秸秆饲料可以保证节粮型畜牧业的持续、稳定发展,缓解我国人口与土地资源日益尖锐的矛盾,同时,全国范围的畜牧养殖业(如奶牛、肉牛场)为秸秆饲料提供了广阔的发展大市场,而且日本、韩国、东南亚一些国家及台湾地区都对秸秆饲料产品存在着巨大的需求,秸秆饲料在国内外市场都有着诱人的商机。
  2、发展秸秆饲料加工及养殖,满足发展反刍动物为主的养殖业发展的需要,提高农民收入。通过饲草的加工,可以提高农民收入和牧区农民生活的稳定性,为国家的农业发展战略特别是为西部发展战略打下基础。而通过饲料养殖,则可实现秸秆“过腹还田”,增加我国肉食产量同时解决农牧区饲草资源的不平衡问题,促进农牧业系统的良性循环和保持生态平衡,减轻环境污染,阻止草原沙化,提高牧区抗灾保畜的能力。
  据计算,我国北方地区每年有近2亿吨可利用秸秆,如果将其50%加工成饲料块,可产生500亿~600亿元市场价值的产品,加工利润200亿元,市场经营利润100亿元,各项纳税额50亿元左右。加工的饲料块经销售经营单位供给养殖区和牧区,推动养殖畜牧业的发展(1亿吨秸秆加工可喂养羊3亿头)。
  3、生产沼气,提供清洁能源,实现多重效益。秸秆饲料被牲畜食用后,其过腹转化的排泄物(粪、尿)和剩余草渣等装入沼气池发酵,可生产出清洁能源——沼气,进一步还可以生产出无公害、高品质有机肥,再加上养殖产出的肉、奶等高级食品,一举数得,大大提高了作物秸秆利用率,产生良好的经济效益、社会效益和生态效益。
  4、使用沼渣做有机肥料,发展营养、健康的绿色农业和无公害农业。沼渣还田,无寄生虫,无病害,是一种优质的肥料。使用沼渣不仅可节约化肥、农药,而且生产的粮、果、菜没有污染、味道鲜美、质地细腻、产量也有所提高,属于无公害的“绿色食品”,有很大的推广前景。
  5、秸秆还可以种菇及作为其他工业原料,加快农民致富。秸秆作为食用菌栽培的基础材料,5-8 hm2田的秸秆经腐熟后可栽培0.07hm2露地蘑菇,生产蘑菇2000-3000kg,收入5000-6000元,是一项投资小、见效快、技术要求小高、能大量处理剩余秸秆受农民欢迎的致富技术,并可有效地减轻焚烧秸秆对环境的污染。
  这样,综合如上所述,养殖、沼气、种植生态体系相互依存,互相利用,可以显著的提高经济效益。综合利用各类秸秆资源可以提高农业资源利用效率,繁荣农村经济和增加农民收入,是我国发展农村循环经济的重要切入点。


  与其他利用方式的效益比较


  秸秆直接燃烧发电是现在比较流行的一种处理方式,与上述的秸秆综合利用方式从经济效益比较来看,2亿吨秸秆相当于1亿吨标准煤的量,按照煤炭价格为300元/吨计算,折合人民币300亿元。2亿吨秸秆换算成粗饲料是0.8亿吨,秸秆压块饲料现行最低也为出厂价300元/吨,0.8亿顿秸秆粗饲料可以够10000万头羊、2000万头牛一年食用,这些牛、羊在产肉、奶制品的同时,排出的粪便产生的沼气折合成标准煤为930万吨,沼渣可以继续用来作为肥料种植有机食品和菌菇养植。
  秸秆发电产业链短、使用人员少、产品增值低,而综合利用的方式产业链长,吸纳人员多,综合利用与秸秆发电相比较,综合增值率可以达到80%。同时发电厂这种典型的工业项目与农业生产的差异性大;而综合利用的方式和农业的结合更加紧密,容易为农民接受,符合国家对于新农村建设的倡导,推广性很强。


  技术可行性及政策建议


  综上所述,实现秸秆的综合利用,有着巨大的社会、经济效益。现在处理秸秆的方式有很多种,但是始终缺乏一种简单、高效的处理方式。自然界中的牛等牲畜是天然的秸秆处理者,但是牲畜在消化秸秆的过程中产生了大量的甲烷气体。全球甲烷排放约有14%来自农场动物体内,牛羊排放出的温室气体因此日益受到关注。为了解决上述问题,可以采用“人造瘤胃”这种处理方式。
  牛等牲畜之所以能消化秸秆是因为瘤胃对纤维素类物质的消化能力。牛瘤胃中栖息的微生物有较强的纤维素分解能力,能把饲料中多于50%的粗纤维分解掉,但是己知的牛瘤胃微生物还不到总数的15%,有效的利用牛瘤胃中的微生物资源将对纤维素的降解产生重大的意义。
  瘤胃实际就是一个高效的厌氧发酵罐,它只所以高效的原理是拥有大批的有益微生物,它们在瘤胃中降解植物纤维过程中的相对贡献率及其互作关系还知之甚少。因此制造一个和实际牛胃功能完全相同的人造装置,现在在技术上还存在困难
  但是我们可以在模拟牛胃微生物的某一种功能上做研究。就是模拟瘤胃微生物对纤维素的分解。微生物处理秸秆生产单细胞蛋白利用秸秆生产单细胞蛋白,主要是接种一些产纤维素酶、半纤维素酶的菌种与酵母,经发酵技术人工培养而成。一般都采用固体发酵技术,分为1步发酵法和2步发酵法。由于秸秆的营养特性和微生物生长的需要,无论采用哪种方法都需将秸秆粉碎,添加一些辅助原料,如玉米面、麸皮、微量元素、无机氮源。在选择发酵农作物秸秆生产蛋白饲料的微生物菌种方面,人们越来越趋向于采用混菌发酵体系,在双菌或多菌混合发酵中,酶促作用生成的糖立即被发酵糖的微生物所利用,这样就维持了降解物质的浓度,消除了酶合成作用受到的降解物的阻遏作用, 同时也解除了反应终产物对酶的反馈抑制。
  虽然目前制造“人造瘤胃”装置还存在一定的困难,但是随着分子生物学技术的推广使用、微生物基因组测序工作顺利开展、以及功能基因组学和生物信息学等方面的迅速发展,人们已经可以直接对未培养微生物进行分子水平的研究。通过对未培养微生物的研究,我们不但可以利用蕴藏在自然界中的巨大的微生物基因资源,还可以找到分离、培养未培养微生物的途径。
  政府部门应该将集成科技资源,视各地组织实施和投入情况,择优支持“人造瘤胃”这一类项目的关键共性技术开发,结合新农村建设集成示范项目,项目实施社定年限;项目承担单位原则上以技术依托单位和示范点相关单位联合为主。根据示范区优势主导产业,按照产业化的思路,辨析制约因素,进行重点攻关与突破。特别是进行产业之间与产业内部结构的调整与优化配套,加强清洁高效生产技术的集成示范。
  (一)加强组织领导。各地要高度重视新农村建设科技示范。各级科技主管部门要根据上级要求,加强组织协调,争取当地党委政府的支持;要加强部门联动,提供必要的人力、物力和财力保障。
  (二)保障引导投入。政府部门将从重大科技专项、星火计划、农业科技成果转化、科技富民强县等科技计划中安排经费支持这项工作的开展,有关部门也要加大投入,保障示范工作顺利实施;要根据实际情况,加强资源的整合和集成,引导金融资金支持,带动企业和社会力量投入,形成多元化投入格局。
  (三)重视经验总结。及时总结示范工作的典型经验和成功模式,并通过多种形式加强宣传、推介和推广,充分发挥其引导辐射作用。建立健全激励制度,对在示范工作中做出突出贡献的集体和个人及时表彰,营造科技促进新农村建设的良好氛围。
   
  参考文献
  [1] 高利伟,马林,张卫峰,王方浩,马文奇,张福锁. 中国作物秸秆养分资源数量估算及其利用状况[J]农业工程学报, 2009,(07) .
  [2] 陈冬冬,高旺盛,陈源泉. 中国农作物秸秆资源化利用的生态效应和技术选择分析[J]中国农学通报, 2007,(10) .
  [3] 李淑秀. 几种农业秸秆再利用技术的比较[J]安徽农学通报, 2007,(09)
  [4] 吴荷群.刁其玉.不同种类纤维素酶对人工瘤胃发酵的影响.新饲料,2007,(06)
   

 
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