秸秆高附加值工业应用现状

摘要  根据国家统计数据，我国每年秸秆总量约为10亿t，而传统的秸秆处理方法则存在许多局限性，如容易产生二氧化碳、甲烷等温室气体。因此，秸秆资源化利用成为解决这一难题的热门途径。在此背景下，深入研究秸秆的资源化利用，并总结了当前适用于我国的、能够提高秸秆附加值的新途径及工业应用。实践证明，秸秆在生物基材料、液体燃料、木质纤维材料等方面具有广泛应用前景。因此，应该大力发展秸秆综合利用技术并努力推进生物基材料、液体燃料、氢气等高值化产业的广泛应用，使其潜力得到充分挖掘，为我国能源领域的高效、可持续发展注入新的动力，从而提升我国的经济效益。

关键词  秸秆；高值化；资源化利用；生物基材料；液体燃料；氢气

中图分类号  F323.2  文献标识码  A  文章编号  0517-6611（2024）05-0001-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.05.001

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Current Status of High Value-Added Industrial Applications of Straw

GAO Li-hong1.2，ZHAO Xin-peng2，ZHOU Qing-bo2 et al

（1.College of Materials Science and Engineering， Taiyuan University of Science and Technology， Taiyuan， Shanxi 030024;2.Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering， Chinese Academy of Sciences， Ningbo，Zhejiang 315201）

Abstract  According to national statistical data， the total amount of straw in China is about 1 billion tons per year.However， traditional straw treatment methods have many limitations， such as the easy generation of greenhouse gases such as carbon dioxide and methane.Therefore， the utilization of straw resources has become a popular way to solve this problem.In this context， this paper conducts in-depth research on the resource utilization of straw and summarizes the new approaches and industrial applications that are currently applicable to China and can improve the added value of straw.Practice has proven that straw has broad application prospects in bio based materials， liquid fuels， wood fiber materials， and other fields.Therefore， it is necessary to vigorously develop straw comprehensive utilization technology and strive to promote the widespread application of high-value industries such as bio based materials， liquid fuels， and hydrogen， so as to fully tap their potential and inject new impetus into the efficient and sustainable development of China's energy sector， thereby improving China's economic benefits.

Key words  Straw;High value;Resource utilization;Biobased materials;Liquid fuel;Hydrogen

基金项目  浙江省科技计划项目（2018B10011，2019C02073）。

作者简介  高丽红（1998—），女，山西五台人，硕士研究生，研究方向：生物基高分子材料。*通信作者，研究员，博士生导师，从事生物基高分子材料研究。

收稿日期  2023-04-26

秸秆是指成熟植物种类中茎、叶、穗等在农作物，包括麦子、水稻、玉米、马铃薯和棉花、油菜籽、甘蔗以及其他粗粮作物收割后剩余的总称。超过50%的农作物光合代谢物质都存在于秸秆中［1］。秸秆富含有机纤维素、半纤维素、木质素、蛋白质和糖类等有机能源来源，同时含有氮、磷、钾和多种微量元素，是一种可再生资源，并且成本很低，具有广泛的应用领域［2］。

随着我国农业生产水平的提高，秸秆数量逐年增多，但大量秸秆无法有效利用，造成资源的浪费。根据国家统计数据，我国每年秸秆总量约为10亿t，而传统的秸秆处理方法则存在许多局限性，如容易产生二氧化碳、甲烷等温室气体。因此，秸秆资源化利用成为解决这一难题的热门途径。事实上，秸秆综合利用价值与粮食相差不大，完全可以进行产业化综合利用［3］。秸秆的高效利用对农业生产、农民增收、可持续发展和环境改善均具有重要意义，因此受到了全球范围内的关注［4］。在此背景下，秸秆综合利用的可持续发展已经成为国家重要的战略方向之一。秸秆的高效利用，不仅需要政府相关部门加大投入，更需要各方面的共同参与和推进。

2021年10月26日，国务院发布的《国务院关于印发2030年前碳达峰行动方案的通知》提出，到2025年，大宗固废年利用量达到40亿t左右；到2030年，年利用量达到45亿t左右，同时加快推进秸秆高值化利用，完善收储运体系，严格禁止秸秆焚烧等管控措施。农作物秸秆作为农业生产中最具代表性的固体废弃物，具有分布广、产量大、产生时间集中、难以收集和利用等特点。因此，加快大宗固废综合利用是一项十分紧迫的任务［5］。“十三五”以来，国家在东北地区大力实施秸秆综合利用试点和秸秆加工措施，取得了显著成效。2020年，全国秸秆产量达到8.56亿t，综合利用率达到87.6%，利用能力持续提高。在2060年前，中国的粮食产量预计将增长8.4%，棉花、油料和糖的产量将增长14.5%，秸秆总产量在2030年和2060年将分别达到9亿t和10亿t，其可收集资源将达到7.8亿t和8.8亿t［6］。

随着工业化的发展，环境和能源问题越来越重要，农作物秸秆作为可再生资源，推广其综合利用对增加收入、保护环境、节约资源和实现农业可持续发展具有重要意义。实现“双碳”目标需要做到碳排放达峰和碳中和，持续改善生态环境，推动绿色低碳发展，有序推进碳达峰碳中和工作。秸秆综合利用作为实现农业“双碳”目标的重要着力点，目前面临着秸秆总量大但产品附加值低的困境。针对这一问题，该研究重点从制备高附加值材料的角度出发，对秸秆再利用途径进行综述，以期为我国秸秆高值化利用提供一些理论支持。

1  秸秆的传统处理方法

秸秆处理的传统方式是采用将收集到的作物秸秆直接还田或焚烧的方法。虽然这种方法节省了时间和劳动力，减少病虫害，但实际上存在很多不利因素［7］。秸秆焚烧每年都会释放大量的颗粒物和气态物质，对空气质量和人体健康造成不良影响，同时也会对农业生产和人类生活造成负面影响［8］。例如，秸秆焚烧会破坏土壤结构，导致土壤板结、水分和肥料保持能力下降，对农业可持续发展造成重大损害，并浪费大量自然资源［9］。此外，焚烧秸秆会释放大量温室气体，对空气质量和人类健康产生极大影响，影响航空和道路交通安全，间接造成大量有机物流失。同时，燃烧大量颗粒物也会对人类的呼吸系统健康产生不良影响，研究表明，暴露在颗粒状的空气污染中会对心脏和肺部健康产生不利影响［10］。为了解决这些问题，需要采用先进的处理技术和工艺，推动秸秆资源化和综合利用。

2  秸秆的资源化利用现状

2.1  秸秆肥料化

秸秆利用是实现农业资源高效利用和环境保护的重要途径。其中，秸秆还田技术是一种传统而普遍的方式。秸秆还田可分为直接还田和间接还田，其中直接还田主要包括秸秆表层覆盖还田、秸秆翻压还田及秸秆深层填埋等［11］。研究表明，秸秆还田可以促进土壤的物理、化学与生物特性的改善，特别是在高温高湿条件下体现出更明显的作用［12］。此外，在农业土壤中，利用秸秆替代部分矿物肥料可降低农业径流中的富营养化风险，提高农业的可持续发展［13］。直接还田主要是将秸秆切碎后均匀撒在土壤表面；而间接还田则主要应用于田间畜牧业，通过将秸秆切碎后作为牲畜饲料，使得秸秆成为有机肥料输入田地中［14］。此外，秸秆还可通过炭化、发酵制气等方式转化为生物质能、生物炭等高附加值产品，实现能源和资源的多元化利用。

2.2  秸秆饲料化

秸秆饲料化是利用秸秆作为饲料进行加工与利用的技术，主要采用青贮、揉搓切丝和压块等技术，旨在将秸秆转换为高质量的饲料。秸秆饲料化技术的应用不仅能够有效降低养殖成本，还可以减轻环境压力。目前，大多数家畜如牛、羊和鸡等，主要采用谷物等粮食作为饲料，然而这些饲料成本较高，且加工过程烦琐，同时也需要大量的粮食投入。随着农副产品价格的不断上涨，发展以非食品型饲料为主的饲料已经成为趋势。秸秆饲料化技术包括压块技术、颗粒技术、青贮技术和机械化微贮技术等方面。这些技术的应用，可以有效地提高秸秆饲料的营养价值，减少浪费和环境污染。

2.2.1  秸秆青贮技术。

秸秆青贮技术也被称为自然发酵技术，是指将秸秆和微生物在一个封闭的设施中进行发酵，通过控制外来细菌的繁殖，最大化地保留饲料中的营养物质。主要涉及储存棚的搭建、原料的收集和混合以及发酵条件的监测和控制等技术。青贮饲料具有营养流失少、饲料转化率高、口感好和易于长期储存等优点，对于畜牧业的可持续发展具有重要意义。在生产实践应用中，秸秆青贮技术也能够有效地提高饲料利用效率、降低成本。秸秆青贮技术的关键操作包括储藏设施的设计、饲料原料的收集和混合、压实、密封等过程的控制与管理。尤其是在控制发酵过程中，适时地检测物质的pH、温度、氧气含量和水分等因素，并在发酵过程中进行调整和维护，从而获得高质量的青贮饲料。

2.2.2  秸秆饲料颗粒技术。

秸秆饲料颗粒技术是指利用造粒设备将粉碎成粉末的秸秆制成颗粒状饲料。在加工过程中，还可以添加其他营养成分和全价饲料，从而提高饲料的营养价值和颗粒化性能。通过颗粒化技术，秸秆饲料可以更好地适应动物的消化系统，提高采食量和消化率。研究表明，采用秸秆颗粒饲料可使采食量提高99%，消化率达60%以上，对于提高家畜的生产性能、降低饲料成本等具有重要意义。秸秆饲料颗粒技术的加工过程中，需要严格控制物料加工的细节，包括原料的选择、粉碎、混合、调节湿度和添加剂等方面。此外，还需要合理选择造粒设备、控制工艺参数，确保制粒质量和稳定性。颗粒化饲料的应用也需要依据畜禽种类、年龄和生长阶段等特点来进行合理的饲喂计划。

2.2.3  秸秆压块技术。

秸秆压块技术是一种利用机械切碎或揉搓粉碎的加工工艺，秸秆通过补充必要的营养物质，最终挤压成型为高密度块状或颗粒状的饲料产品。由于其密度较高、体积较小，秸秆压块燃料可作为商品饲料长途运输，特别适用于应对冬季雪灾或夏季干旱造成的饲料短缺。秸秆压块加工可以通过高温挤压的方式，增加其适口性，提高采食量，从而大大提高饲料的消化率，减少饲料浪费，提高饲喂效率。此外，秸秆压块通过造粒加工，可以改善饲料中各种营养成分的均衡配给，使得品质更优。秸秆压块具有抗变质能力，可长期储存，这也为饲料储存及使用带来了方便。