秸秆无害化处理技术及应用研究进展_王帅.pdf

广东化工2023年 第4期第50卷 总第486期秸秆无害化处理技术及应用研究进展秸秆无害化处理技术及应用研究进展王帅1，邱殿锐1，王田雄1*，朱旭冉1，李峰1，韩建国1，李亚平1，王海军2(1承德市农林科学院，河北 承德067060；2承德县农业农村局，河北 承德067409)摘要作物秸秆是指一类含纤维素、半纤维素、木质素、灰分等物质的复杂天然复合物。我国秸秆资源十分丰富，随着我国经济、社会的发展和转型，农业生产和生活方式发生巨大变化。秸秆作为我国一项重要的农业资源，其能源化、原料化、肥料化、饲料化发展趋势逐渐形成。本文简述了秸秆无害化处理技术，重点对秸秆综合利用进行综述，以期为进一步秸秆资源化利用提供参考。关键词秸秆；无害化；处理技术；综合利用中图分类号S39文献标识码A文章编号1007-1865(2023)04-0096-03Research Progress of Straw Harmless Treatment Technology and ApplicationWang Shuai1,Qiu Dianrui1,Wang Tianxiong1*,Zhu Xuran1,Li Feng1,Han Jianguo1,Li Yaping1,Wang Haijun2(1.Chengde Academy of Agricultural and Forestry Sciences,Chengde 067060；2.Chengde County Agriculture and Rural Affairs Bureau,Chengde 067409,China)Abstract:Crop straw is a complex natural compound containing cellulose,hemicellulose,lignin,ash and other substances.My country is very rich in strawresources.With the development and transformation of my countrys economy and society,great changes have taken place in agricultural production and lifestyle.Asan important agricultural resource in my country,straw has gradually formed the development trend of energy,raw material,fertilizer and feed.This paper brieflydescribes the harmless treatment technology of straw,and focuses on the comprehensive utilization of straw,in order to provide a reference for further utilization ofstraw resources.Keywords:straw；harmless；treatment technology；utilization1引言引言秸秆是成熟农作物收获籽粒后的部分，其含有机质、氮、磷、钾、钙等多种微量元素，是一种农业可再生农副产品。我国秸秆资源总量达到1.04109亿t，近十年来秸秆产量稳定在8亿吨/年，列世界之首。到2020年我国秸秆综合利用率达90%，其中肥料化51.2%，饲料化20.2%，燃料化13.8%，基料化2.43%，原料化2.47%1。近年来，大面积作物秸秆焚烧，不仅利用率较低，同时还引发部分地区雾霾天气，造成秸秆资源的浪费和环境污染。根据秸秆焚烧排放因子计算出总量相当于4560万t标煤释放碳量2。因此，进一步实现秸秆全量利用，坚持农用为主，秸秆综合利用向能源化、原料化、肥料化、饲料化趋势发展，对促进绿色农业、高质量农业、低碳农业发展，提高秸秆生态效益和经济效益，应对气候变化具有十分重要的意义。2秸秆无害化处理技术秸秆无害化处理技术秸秆无害化处理技术按分类，可以分为物理、化学、生物降解三类方法。秸秆的物降解技术主要包括机械短切、研磨粉碎、高压蒸煮、蒸汽爆破3、微波热解、超声波等方法。短切研磨粉碎等方式通常不改变秸秆纤维网状结构的特性，因此该方法常作为秸秆原料预处理方法，辅助其他方法降解。蒸汽爆破法又称膨化法，蒸汽爆破后的秸秆纤维素结构被破坏，半纤维素适当降解为寡糖和单糖，增加秸秆中可溶性糖含量4。张峰瑞，等5将蒸汽爆破与菌剂共用，发现蒸汽爆破处理可降低细胞壁结构抗性，使微生物更易降解合成其他营养物质，为微生物的生长繁殖提供氮源，同时为微生物提供更多的附着位点，利于降解。秸秆压块技术可有效增加秸秆物料密度，将秸秆体积压缩至原来体积的0.050.1倍，方便贮藏与运输，同时秸秆压缩材料的出现为建筑行业用料提供新思路6。微波热解技术被认为是可替代传统热解的技术8。通过微波热解将物料热解为固、液、气三相产物，通过控制微波热解功率等条件，可在一定程度上控制三相产物比例9，但热解成分较复杂，转化、使用效率低。Ren等10研究表明，采用微波辅助催化热解技术，可使秸秆等生物质高效转化为清洁能源成为可能。化学处理技术是化学试剂参与降解的技术。主要有酸、碱降解等降解方法。其中酸、碱降解法技术较为成熟，寇芳，等11研究发现，2.0%硫酸，料液比123.91，114.56下降解1.95h，硫酸降解秸秆提取还原糖的得率为37.63%。降解也中阿拉伯糖含量为2.56%半乳糖含量为0.79%葡萄糖含量为20.23%，木糖含量为14.13%。贾飞，等12通过加入无机盐和H2O2提高了玉米秸秆半纤维素降解程度和降解速率，促进了半纤维素的单糖转化效率，但对纤维素的降解影响不大。何炼，等13采用偏硅酸钠作为碱化处理试剂，替代常规氢氧化钠，将秸秆浸提液pH从强碱环境下降至弱碱性，使反应更温和。有机试剂溶解法常用的试剂有甲醇、乙醇、丙酮、乙二醇、丙三醇等，此外还有有机酸如草酸、乙酸、水杨酸等。生物酶解法分为生物法和生物酶法。目前昆虫、软体动物、原生动物、细菌、放线菌、真菌等都可产生纤维素酶，是可降解纤维素的生物。生物酶法是指通过生物酶如纤维素酶等破坏秸秆的纤维网状结构。然而纤维素酶工业化应用存在两大难题，一是生物质细胞壁的抗降解屏障制约木质纤维素的转化效率；二是现有的纤维素酶糖转化效率低14。解决纤维素酶系问题常见的方法是采用菌株筛选，定向得到可降解纤维素、半纤维素或木质素的菌系，但纤维素酶的产酶条件和酶作用条件不在一个范围，因此发酵和产酶不能最大化进行一直是木质纤维素资源化利用的一个难题。文晓霞等15采用最优产酶发酵条件为水稻秸秆添加量30 g/L，发酵温30，初始pH 6.5，发酵时间48 h；最优酶解条件为酶解pH 4.8，酶解温度50，酶解时间24 h，通过在酶解阶段时补加少量的粗酶液(体积分5%)，可以提升最终的比产糖量，约提升20%。证明了原位酶解糖化秸秆纤维素是实现水稻秸秆高效降解利用的可行方式。收稿日期2022-08-17基金项目承德国家可持续发展议程创新示范区建设科技专项项目(202008F016)；河北省重点研发计划项目(20327310D)作者简介王帅(1993-)，女，河北承德人，硕士，助理研究员，主要研究方向为农业废弃物资源化利用。*为通讯作者：王田雄(1971-)，男，河北承德人，本科，研究员，主要研究方向为农业废弃物资源化利用。2023年 第4期广东化工第50卷 总第486期97表表1几种常见秸秆无害化处理技术几种常见秸秆无害化处理技术Tab.1Common straw harmless treatment technologies技术原理特点参考文献物理法机械粉碎脱水物料机械粉碎(研磨、切碎)成颗粒状。对秸秆结构稳定性影响较小，技术要求低，便于操作。蒸汽爆破(膨化法)掺入适量水的秸秆粉碎物在膨化机中受到高速回转的螺杆作用，秸秆在机腔内受到挤压、摩擦、剪切迅速产热升温，使秸秆中水分在极短时间内形成热水蒸汽，产生高压状态，当物料被螺杆推送到椎体压力室时，被压缩物料被喷出过程中压力瞬间释放，秸秆细胞壁膨胀破裂，从而形成体积疏松膨软的秸秆膨化物。膨化后秸秆疏松多孔，秸秆理化性质和营养成分改变，秸秆采食率和消化率提高。3，4压块技术高温使木质素软化、液化，外力作用下，使粗纤维紧密粘结，冷却固化成型。使秸秆密度增加、体积减少。可扩大秸秆适用范围，适口性改善，采食量提高，便于储藏、运输。6，7微波热解微波加热使被加热体内部偶极分子高频往复运动，产生摩擦热，使被加热体温度升高。物料内外同时加热，升温，加热速度快且均匀，耗能约为传统加热的十分之一。16超声波超声波在媒介中传播，产生机械作用、空化作用和热作用，可有效破坏多糖化学键，使组织疏松和表面疏水性改变，释放活性成分，从而降解纤维素。高效、安全、环保。17超/亚临界超临界状态下，流体与秸秆接触，秸秆中纤维素、半纤维素和木质素等发生裂解液化反应，生成小分子化合物。通常与有机试剂联用。设备要求高、环保。18化学法无机酸法酸水解秸秆，破坏半纤维素和木质素网状结构，降解纤维素等产生木糖、葡萄糖、丙酮醛等，还产生糠醛类、有机酸类等副产物。酸消耗量大，对设备耐腐蚀性要求高，产生废液。19碱化处理碱性试剂中OH-与木质素和半纤维素间氢键结合，同时将半纤维素与木质素间酯键皂化。碱消耗量大，产生废液或废气。20有机溶剂法有机溶剂处理木质纤维素，脱除木质素和半纤维素，分离出活性纤维素，高温有机溶剂可溶解木质素，使纤维素润胀。有机试剂具有腐蚀性或毒性，容易造成污染及安全问题，可回收处理。21生物降解微生物法分解纤维素的微生物如哈茨木霉(Trichoderma harzianum)、球孢白僵菌(Colletotrichum gloeosporioides)和木霉属(Trichoderma sp.)等通过分泌纤维素酶和半纤维素酶来水解木质纤维素。绿色、环保、成本低。22生物酶法纤维素酶是内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶、-葡糖苷酶等组成的复合酶。外切葡聚糖酶水解纤维素非还原性末端的1,4-D糖苷键，生产纤维二糖分子；内切葡聚糖酶作用在纤维素内部非结晶区，随机水解-1,4糖苷键；-葡糖苷酶降解小分子糖为葡萄糖。绿色、环保。143秸秆无害化利用秸秆无害化利用秸秆作为农业生产的重要副产品，具有巨大的潜在利用价值。随着秸秆综合利用技术的不断实践，我国对农作物秸秆利用程度取得了良好的经济、社会以及环境效益。目前，秸秆综合利用方向以能源化、原料化、肥料化和饲料化为主。3.1能源化利用农作物秸秆作为世界第四大能源，利用其生产固态、气态、液态燃料已成为当今一大热点课题。秸秆作为可发酵糖源经厌氧消化，可转化为富含甲烷的沼气，经过净化提纯，将CH4浓度提升至96%以上，可升级为生物甲烷入天然气管道或作车燃料，扩大可利用范围，替代部分化石燃料，从而减少与化石燃料相关的温室气体的净排放量。增加燃料供给来源，降 低 化 石 能 源 竞 争 性 增 长。Liu等23通 过 固 态 培 养P.chrysosporium对玉米秸秆及青贮玉米秸秆进行微生物预处理，发现青贮玉米秸秆通过微生物预处理可提高沼气产量。刘华敏等24采用亚/超临界技术处理玉米秸秆，当反应温度超过180玉米秸秆中纤维素、半纤维素和木质素开始液化，主要产物是挥发物、轻油、重油和气体。王亮25以常压甘油自催化预处理麦草作为基质，进行了纤维素乙醇浓醪发酵的探索。在对发酵培养基和发酵条件等优化选择基础上，通过采用同步糖化发酵、半同步糖化发酵和分批补料式半同步糖化发酵等一系列强化策略，逐步实现了该基质的浓醪发酵。木质纤维素生物质等可再生资源的综合利用得到越来越多的关注.为了更好地利用木质纤维素生物质，采用物理，化学或生物方法降低其结构顽抗性是必不可少的步骤。在前期研