秸稈生物質(zhì)資源綜合利用

董志國，李 昕

（1.新疆畜牧科學(xué)院草業(yè)研究所，新疆 烏魯木齊 830002；2.新疆烏魯木齊市科協(xié)，新疆 烏魯木齊 830026）

秸稈生物質(zhì)資源綜合利用

董志國1，李 昕2

（1.新疆畜牧科學(xué)院草業(yè)研究所，新疆 烏魯木齊 830002；2.新疆烏魯木齊市科協(xié)，新疆 烏魯木齊 830026）

介紹秸稈生物質(zhì)資源及其利用途徑，并分析秸稈生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為酒精燃料的條件。結(jié)合反芻動物瘤胃消化特性，提出利用反芻動物瘤胃對秸稈中的粗纖維的消化作用進(jìn)行預(yù)處理，以糞便中殘余纖維素作為酒精發(fā)酵底物，殘余有機(jī)質(zhì)再還田這一理論，為秸稈生物質(zhì)資源有效利用提供方法。

秸稈；生物質(zhì)資源；可再生能源；綜合利用

經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展與資源、環(huán)境相協(xié)調(diào)是人類活動的基本規(guī)則。我國地大物博，資源豐富，但人均占有量相對不足，加之資源利用效率低、保護(hù)意識差、污染嚴(yán)重等問題，使得資源環(huán)境問題日益突出，因此，現(xiàn)實國情決定了我國未來的發(fā)展必須是資源節(jié)約、環(huán)境友好的經(jīng)濟(jì)增長模式。在資源利用上，提高不可再生資源的利用效率，發(fā)現(xiàn)替代資源、可更新資源及其利用方式，在生產(chǎn)、流通和消費的各個環(huán)節(jié)注重節(jié)能減排，形成低碳環(huán)保的生產(chǎn)方式和消費模式，緩解資源、環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的矛盾，促進(jìn)社會可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展。

1 秸稈生物質(zhì)

1.1 秸稈生物質(zhì)資源 生物質(zhì)是植物利用大氣、水、土地等通過光合作用而產(chǎn)生的各種有機(jī)體，它包括植物、動物和微生物。一般指農(nóng)林牧業(yè)生產(chǎn)過程中，除糧食、果實以外的秸稈、樹木等木質(zhì)纖維素和農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)下腳料、農(nóng)林廢棄物及畜牧業(yè)生產(chǎn)過程中的畜禽糞便和廢棄物等［1］。其中，木質(zhì)纖維素類是地球上最豐富和廉價的可再生生物質(zhì)資源。有資料表明，全世界每年植物體的干物質(zhì)生成量高達(dá) 1.155×1014t［2］。 我國生物質(zhì)資源更是種類繁多，數(shù)量巨大，每年僅農(nóng)作物秸稈就達(dá)8億t，占生物質(zhì)資源量的近一半，但由于長期受生產(chǎn)和生活方式影響，秸稈利用僅有30%，經(jīng)處理利用的僅占2.6%［3］，有相當(dāng)一大部分秸稈被廢棄或者焚燒，造成空氣污染和資源浪費。

1.2 秸稈還田利用

1.2.1 秸稈還田：秸稈含有豐富的有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀和微量元素，通過還田使養(yǎng)分回歸土壤，達(dá)到培肥地力和增產(chǎn)的目的［4］。秸稈還田包括直接粉碎入田和堆漚腐熟后還田等方式。實踐證明，秸稈還田對增加土壤肥力、改良結(jié)構(gòu)、促進(jìn)作物根系的發(fā)育及提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)發(fā)揮一定作用，同時減輕了焚燒所造成的環(huán)境污染［5］。國外以直接粉碎或過腹還田為主，歐美國家秸稈還田率達(dá)到90%，在日本秸稈還田則成為一項農(nóng)業(yè)耕作法規(guī)［6］。我國河北、江蘇等部分地區(qū)，在大力應(yīng)用玉米機(jī)械化收獲技術(shù)基礎(chǔ)上，秸稈還田率達(dá)到90%以上。

實際上，在翻耕及輪作技術(shù)不到位的情況下，因秸稈降解效率低，秸稈還田不僅對土地作用有限，而且會對耕作產(chǎn)生不利影響，如連作時蟲卵、有害菌體會隨著秸稈帶進(jìn)土壤［5］，一方面增強(qiáng)微生物對除草劑在土壤中的降解，縮短了藥效期并增加施用量，同時增加病蟲害風(fēng)險［6］。另外，秸稈還田也存在機(jī)械成本高、農(nóng)民不易接受等情況。

1.2.2 過腹還田：過腹還田是把秸稈作為飼料經(jīng)動物消化吸收后的糞便，經(jīng)腐熟后作為肥料施入土壤，達(dá)到培肥地力的目的［7］。粗飼料是反芻動物重要的基礎(chǔ)飼料，除提供部分營養(yǎng)外，對維持動物消化道正常蠕動、保持生理健康、提高利用年限和生產(chǎn)潛力發(fā)揮重要作用，一般占日糧40%甚至70%以上［8］，秸稈類是粗飼料重要來源。在20世紀(jì)90年代糧食和飼料資源短缺以及社會轉(zhuǎn)型過渡時期，秸稈養(yǎng)畜對我國大幅度增加牛、羊肉供應(yīng)，降低養(yǎng)殖成本，增加有機(jī)肥和增加農(nóng)民收入，特別是減少秸稈焚燒造成的環(huán)境污染及提高資源利用方面起到積極作用，并促進(jìn)了農(nóng)業(yè)的生態(tài)良性發(fā)展［9］。

2 秸稈生物質(zhì)能源化利用

2.1 生物質(zhì)能 能源是現(xiàn)代社會生存和發(fā)展的基礎(chǔ)。據(jù)世界能源機(jī)構(gòu)報告，世界石油剩余可采年限僅有40年［10］?？梢灶A(yù)見，化石能源終將耗竭，而隨之產(chǎn)生的污染問題也是積重難返。

生物質(zhì)能是植物通過光合作用把太陽能固定到植物體內(nèi)的能量，植物作為載體，每年儲存太陽能3.1×1013GJ，規(guī)模相當(dāng)于目前世界能源消耗的10倍左右［10］。而且，植物光合作用相當(dāng)于燃燒反應(yīng)的逆過程，在沒有外界干擾的情況下，植物光合作用吸收和生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的二氧化碳可以達(dá)到平衡［11］。因而，生物質(zhì)能源是一種取用不盡、清潔的可再生能源。生物質(zhì)可通過一定技術(shù)轉(zhuǎn)化為燃料、油料和燃?xì)獾饶茉次镔|(zhì)，包括燃料酒精、生物柴油、生物制氫等，可替代常規(guī)能源為各類運輸機(jī)械提供動力。目前，以燃料乙醇開發(fā)利用為多［11］。

2.2 生物乙醇 制備生物乙醇的原料主要有谷物、薯類、糖類（甘蔗、甜菜、糖蜜）和纖維素原料［10］。谷物和糖類影響糧食和土地安全，薯類不耐儲運，而價廉量大的木質(zhì)纖維素，可經(jīng)酶解和糖化發(fā)酵制備乙醇。因此，作為可再生資源，木質(zhì)纖維有潛力成為未來生物質(zhì)能源主流［11］。

木質(zhì)纖維素由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素三部分組成。其中，纖維素占40%～50%，半纖維素占25%～35%，木質(zhì)素占 15%～20%［5］。 半纖維素水解產(chǎn)物主要是木聚糖 （60%以上），發(fā)酵生成酒精速度慢，周期長。木質(zhì)素則難以利用［4］。天然纖維素性質(zhì)復(fù)雜，高度結(jié)晶，難以溶解，并被木質(zhì)素和半纖維素緊緊包圍，難以直接被生物降解［11］。因此，利用秸稈發(fā)酵生產(chǎn)乙醇，首先必須破壞秸稈中的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，除去木質(zhì)素，將纖維素和半纖維素釋放，并溶解半纖維素，增大酶與纖維素接觸面積，提高纖維素酶解和糖化效率，然后再經(jīng)微生物發(fā)酵作用產(chǎn)生燃料乙醇［11］。所以，預(yù)處理、尋找產(chǎn)纖維素水解酶菌種以及改進(jìn)發(fā)酵工藝是秸稈纖維素發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的3個關(guān)鍵問題，開發(fā)低成本、高效新型預(yù)處理技術(shù)，尋找或構(gòu)建同時能利用五碳糖和六碳糖的微生物菌種，成為木質(zhì)纖維素制備生物燃料乙醇的關(guān)鍵［12］。

目前，巴西、美國以生物質(zhì)原料生產(chǎn)燃料乙醇走在了世界的前列［11］。我國在“十五”時期制定并推廣利用農(nóng)作物秸稈、稻殼等木質(zhì)纖維生物質(zhì)生產(chǎn)生物燃料乙醇的計劃和工藝，但與發(fā)達(dá)國家相比，無論研究水平還是產(chǎn)能都相對過弱。

3 反芻動物瘤胃對纖維素的預(yù)處理作用

秸稈類生物質(zhì)作為反芻動物粗飼料的重要來源，消化率僅為20%～30%，大多以糞便排出，糞便是反芻家畜主要副產(chǎn)品之一［13］。反芻動物瘤胃可全部降解半纖維素，部分降解纖維素，完全不能降解木質(zhì)素［14］。纖維類物質(zhì)經(jīng)反芻動物消化后，剩下纖維素和木質(zhì)素，其交聯(lián)結(jié)構(gòu)也由于消化過程被打破，其良好的纖維素正好為糖化和糖酵解提供了原料，因此，反芻動物瘤胃是天然的半纖維素降解工廠。據(jù)研究，1頭成年奶牛1年排出糞便20 t左右，糞便中以粗纖維為主，達(dá)到 43.6%［15］，因此，利用瘤胃對秸稈等粗飼料消化作用，對其中營養(yǎng)物質(zhì)和半纖維素起到過濾作用（相當(dāng)于纖維素預(yù)處理當(dāng)中的打破纖維素復(fù)雜結(jié)構(gòu)和溶解半纖維素），殘留的高質(zhì)量的纖維素用于發(fā)酵產(chǎn)酒精，這為牛糞能源化利用提供物質(zhì)基礎(chǔ)。

集約化牛場每年排出大量糞便，如不及時妥善處理將形成巨大污染源［15］。以萬頭奶牛場為例，年產(chǎn)10萬t糞便，采取工業(yè)化處理，年產(chǎn)沼氣600萬m3，發(fā)電1000萬kW·h，生產(chǎn)沼渣、沼液優(yōu)質(zhì)飼料和肥料5萬t，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著［15］。因此，對奶牛糞便無害化、資源化及循環(huán)利用，成為變廢為寶重要措施。

4 展望

我國能源相對短缺，以化石能源消費為主（占95%以上），進(jìn)口依存度高（超過30%），這種能源消費格局不僅造成巨大溫室氣體排放，而且影響我國能源安全［11］。因此，我國迫切需要轉(zhuǎn)變能源生產(chǎn)和消費方式，大力提高清潔可再生能源生產(chǎn)和消費比例，生物質(zhì)能源作為可再生、清潔能源，無疑成為解決環(huán)境污染和可替代能源的重要新能源之一。

我國的生物質(zhì)資源價廉量大，除去用于造紙、飼料以及肥田外，還有近4億t秸稈可作為能源物質(zhì)加以利用［16］，利用反芻動物瘤胃消化道對秸稈纖維素類物質(zhì)消化預(yù)處理和過濾，隨糞便排出的纖維素用以發(fā)酵產(chǎn)生酒精，最后殘渣再還田。通過這種秸稈綜合利用措施，可從根本上解決秸稈資源的再利用問題，應(yīng)用前景非常廣闊。

［1］袁振宏，羅文，呂鵬梅，等.生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展前景［J］.化工進(jìn)展，2009（10）：1687-1688.

［2］ZALDIVAR J，NIELSEN J，OLSSON L.Fuelethanol production from lignocellulose：a challenge for metabolic engineering and process integration［J］.Appl Microbiol Biotechnol，2001，56（1/2）：17-34.

［3］余延豐，熊桂云，張繼銘，等.秸稈還田對作物產(chǎn)量和土壤肥力的影響［J］.湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，47（2）：169-171.

［4］封莉，劉俊峰，馮曉靜，等.秸稈生物質(zhì)資源利用途徑及相應(yīng)技術(shù)［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2004（6）：193-196.

［5］湯樹德.作物秸稈直接還田的土壤生物學(xué)效應(yīng)［J］.土壤學(xué)報，1980（2）：74-83.

［6］李建政.秸稈還田農(nóng)戶意愿與機(jī)械作業(yè)收益實證研究［D］.北京：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院，2011.

［7］劉廣華，高立坤.淺析秸稈的綜合利用［J］.吉林農(nóng)業(yè)，2012（9）：165-166.

［8］朱延旭，郭維春.反芻家畜秸稈利用問題探討［J］.現(xiàn)代畜牧獸醫(yī)，2009（12）：31-34.

［9］孫耀華，崔繼維.微貯秸稈飼料制作及其飼喂效果［J］.中國飼料，1995（14）：30-31.

［10］王敬誠.世界石油儲量可開采 40年［J］.市場周刊（新物流），2004（25）：7.

［11］吳創(chuàng)之，馬隆龍.生物質(zhì)能現(xiàn)代化利用技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

［12］辛東林.木聚糖對纖維素酶水解的抑制及其緩解方法研究［D］.楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2015.

［13］上官輝.淺談奶牛糞便產(chǎn)業(yè)化循環(huán)利用的意義［J］.中國奶牛，2008（12）：59-60.

［14］朱延旭，郭維春.反芻家畜秸稈利用問題探討［J］.現(xiàn)代畜牧獸醫(yī)，2009（12）：31-34.

［15］張波，李文哲，杜佳.生物質(zhì)氣體燃料概述與展望［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2007（3）：171-172.

［16］李軼，劉雨秋，谷士艷，等.玉米秸稈纖維降解的預(yù)處理工藝條件篩選 ［J］.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2013（1）：99-103.

Comprehensive Utilization of Straw Biomass Resources

DONG Zhi-guo1，LI Xin2
（1.Grassland Institute， Xinjiang Academy of Animal Science， Urumqi 830002，China；2.Association of Science and Technology of Urumqi City，Urumqi 830026，China）

The straw biomass resources and its utilization approach were introduced,and the transforming condition from straw biomass to fuel ethanol was analyzed.Based on the digestion characteristics of ruminants′rumen,the utilization mode of straw biomass that the crude fiber in straw was pretreated in the ruminants′rumen,the residual fiber in the feces of the ruminants was used as alcohol fermentation substrates and the residual organic matters were incorporated was proposed,so as to provide approaches for the effective utilization of straw biomass resources.

straw；biomass resources；renewable energy；comprehensive utilization

S38；TK6；X712

A文章順序編號：1672-5190（2016）08-0054-02

2016－07－28

項目來源：國家科技支撐計劃項目（2012BAD13B00）。

董志國（1969—），男，副研究員，碩士，碩士生導(dǎo)師，主要從事草地資源及飼草料開發(fā)研究工作。

（責(zé)任編輯：錢英紅）