1、农业废弃物的生物处理技术1.1 1.1 什么是农业废弃物？什么是农业废弃物？ 农业废弃物农业废弃物(agricultural residue)(agricultural residue)，是指在整个农业生，是指在整个农业生产过程中被丢弃的产过程中被丢弃的有机类物质有机类物质，主要包括：农林业生产过程，主要包括：农林业生产过程中产生的植物残余类废弃物，畜牧渔业生产过程中产生的动中产生的植物残余类废弃物，畜牧渔业生产过程中产生的动物类残余废弃物，农业加工过程中产生的加工类残余废弃物物类残余废弃物，农业加工过程中产生的加工类残余废弃物和农村城镇生活垃圾等。通常我们所说的和农村城镇生活垃圾等。通常我们
2、所说的“农业废物农业废物”主要主要指指农作物秸秆和畜禽粪便农作物秸秆和畜禽粪便。 4j秸秆秸秆1.2 1.2 农业废弃物的分类农业废弃物的分类51.3 1.3 农业废弃物的特点农业废弃物的特点1.1.元素的组成元素的组成 除除C C、O O、H H三元素的含量高达三元素的含量高达65%90%65%90%外，外，还含有丰富的还含有丰富的N N、P P、K K、CaCa、MgMg、S S等。等。2.2.化学组成化学组成 一是一是天然高分子聚合物及其混合物，如纤维天然高分子聚合物及其混合物，如纤维素、半纤维素、淀粉、蛋白质等；素、半纤维素、淀粉、蛋白质等；二是二是天然小分天然小分子化合物，如氨基酸、
3、生物碱、单糖、激素、抗子化合物，如氨基酸、生物碱、单糖、激素、抗生素、脂肪酸等。生素、脂肪酸等。3.3.物理性质物理性质 表面密度小、韧性大、抗拉、抗弯、抗冲击表面密度小、韧性大、抗拉、抗弯、抗冲击能力强等。能力强等。62. 2. 我国农业废弃物的现状及资源化潜力我国农业废弃物的现状及资源化潜力2.1 我国农业废弃物的现状我国农业废弃物的现状2.2 我国农业废弃物的资源化潜力我国农业废弃物的资源化潜力72.1 2.1 我国农业废弃物的现状我国农业废弃物的现状种植业向省工、高效的方向转变种植业向省工、高效的方向转变 农业废弃物堆积农业废弃物堆积 大量化肥代替原用农家肥大量化肥代替原用农家肥 农业
4、废弃物利用率低农业废弃物利用率低养殖业向集约化、城郊化靠拢养殖业向集约化、城郊化靠拢 环境污染问题环境污染问题人工饲料代替农业废弃物饲料人工饲料代替农业废弃物饲料 资源浪费问题资源浪费问题变化变化现状现状8焚烧的秸秆焚烧的秸秆遗弃的秸秆遗弃的秸秆2.2 2.2 我国农业废弃物的资源化潜力我国农业废弃物的资源化潜力1.1.农作物秸秆农作物秸秆 我国是农业大国，秸秆资源非常丰富。据统计，我国是农业大国，秸秆资源非常丰富。据统计，2009 2009 年全国农作年全国农作物秸秆理论资源量为物秸秆理论资源量为8.208.20亿亿t t（风干，含水量为（风干，含水量为15%15%），其中稻草、麦），其中稻
5、草、麦秸和玉米秸三大农作物秸秆分别为秸和玉米秸三大农作物秸秆分别为2.052.05亿亿t t、1.51.5亿亿t t、2.652.65亿亿t t，约占，约占资源总量的资源总量的75.6%75.6%，农作物秸秆折，农作物秸秆折标煤总量为标煤总量为4.044.04亿亿t t（表（表1 1）。）。102.2 2.2 我国农业废弃物的资源化潜力我国农业废弃物的资源化潜力2.畜禽粪便畜禽粪便 近年来，随着我国经济的快速发展和人们生活质量的不断提高，对畜近年来，随着我国经济的快速发展和人们生活质量的不断提高，对畜禽产品的需求量也在不断增加，这使得畜禽养殖模式不断从散养向规模禽产品的需求量也在不断增加，这使
6、得畜禽养殖模式不断从散养向规模化、集约化养殖转变，促使集约化、规模化养殖业迅猛发展。但与此同化、集约化养殖转变，促使集约化、规模化养殖业迅猛发展。但与此同时，畜禽粪便的产生量也在逐年增加，据统计，时，畜禽粪便的产生量也在逐年增加，据统计，2012 年我国畜禽粪便年我国畜禽粪便年年产量约产量约12.69108t，折算为标煤年产能，折算为标煤年产能总量达总量达9430万万t（表（表2）。）。2.2 2.2 我国农业废弃物的资源化潜力我国农业废弃物的资源化潜力3.小结小结 由上可知，我国农业废弃物具有巨大的资源化潜力，将这些废弃物通由上可知，我国农业废弃物具有巨大的资源化潜力，将这些废弃物通过合理的
7、资源化利用技术转化为资源，为人类所利用，有利于解决因农过合理的资源化利用技术转化为资源，为人类所利用，有利于解决因农业、畜牧业快速发展带来的业、畜牧业快速发展带来的环境污染环境污染和和资源浪费资源浪费等问题，这对于实现农等问题，这对于实现农业循环经济的发展，促进业循环经济的发展，促进“三农三农”问题的解决，推进社会主义新农村建问题的解决，推进社会主义新农村建设等都具有重要的现实意义。设等都具有重要的现实意义。123. 3. 农业废弃物资源化利用的途径农业废弃物资源化利用的途径利用利用途径途径3.1能源化能源化3.3饲料化饲料化3.4材料化材料化3.2基质化基质化133.1 3.1 能源化利用能
8、源化利用利用途径143.2 3.2 基质化利用基质化利用 基质化利用基质化利用是指农业废弃物经过适当处理后用作农业是指农业废弃物经过适当处理后用作农业栽培的原料。农业废弃物可用作不同基质的制作原料。基质栽培的原料。农业废弃物可用作不同基质的制作原料。基质为植物根系提供水、气、肥等营养，并对植物起到支持和固为植物根系提供水、气、肥等营养，并对植物起到支持和固定作用。定作用。农业废弃物基质化工艺农业废弃物基质化工艺农业废弃物基质农业废弃物基质种植食用菌种植食用菌3.3 3.3 饲料化利用饲料化利用 目前，目前，农业废弃物的饲料化农业废弃物的饲料化主要分为主要分为植物纤维性废弃物的饲料化植物纤维性废
9、弃物的饲料化和和动动物性废弃物的饲料化物性废弃物的饲料化，因为农业废弃物中含有大量的，因为农业废弃物中含有大量的蛋白质蛋白质和和纤维类物质纤维类物质, ,经过适当的技术处理便可作为畜禽饲料应用。经过适当的技术处理便可作为畜禽饲料应用。1.1.植物纤维性废弃物植物纤维性废弃物 植物纤维性废弃物主要指秸秆。当前我国秸秆的饲用量约为植物纤维性废弃物主要指秸秆。当前我国秸秆的饲用量约为1.61.6亿亿t t。1.61.6亿亿t t 秸秆秸秆3.673.67亿亿haha天然天然草地产草量草地产草量养殖量约为养殖量约为4.64.6亿只羊亿只羊大多可以大多可以直接饲喂直接饲喂也可经过一定加也可经过一定加工处
10、理后饲喂工处理后饲喂优点：可以提高其营养利用率优点：可以提高其营养利用率和经济效益。和经济效益。加工处理方法：粉碎等物理方法、酸加工处理方法：粉碎等物理方法、酸碱处理等化学方法和微生物发酵等。碱处理等化学方法和微生物发酵等。163.3 3.3 饲料化利用饲料化利用 2. 2. 动物性废弃物饲料化动物性废弃物饲料化 动物性废弃物主要指畜禽粪便和加工下脚料。如鸡粪的动物性废弃物主要指畜禽粪便和加工下脚料。如鸡粪的有效能值为有效能值为7 7 524524 kJ/kg,kJ/kg,含含粗蛋白粗蛋白27%27%左右，无氮浸出物左右，无氮浸出物20%20%以上，还含有以上，还含有丰富的钙、磷和微量元素丰富
11、的钙、磷和微量元素，通过特定的物理、，通过特定的物理、化学和微生物方法处理后可作为畜禽饲料。但是，动物性废化学和微生物方法处理后可作为畜禽饲料。但是，动物性废弃物的饲料化利用存在弃物的饲料化利用存在一定的安全隐患一定的安全隐患，目前人们对动物性，目前人们对动物性废弃物的饲料化利用观点不一致，存在争议。废弃物的饲料化利用观点不一致，存在争议。173.4 3.4 材料化利用材料化利用 材料化利用材料化利用是利用农业废弃物中的高蛋白质资源和纤维性材料生产是利用农业废弃物中的高蛋白质资源和纤维性材料生产多种生物质材料，比如：多种生物质材料，比如：高纤维性高纤维性植物废弃植物废弃物物生产纸板、人造纤维板
12、、轻质建材板；生产纸板、人造纤维板、轻质建材板；通过固化、炭化技术制成通过固化、炭化技术制成活性炭活性炭；稻壳作为生产白碳黑、炭化硅陶瓷、氮化硅陶瓷的原料；稻壳作为生产白碳黑、炭化硅陶瓷、氮化硅陶瓷的原料；实实例例秸秆、稻壳经炭化后生产钢铁冶金行业金属液面的新型保温材秸秆、稻壳经炭化后生产钢铁冶金行业金属液面的新型保温材料料；生产可降解餐具材料和纤维素薄膜。生产可降解餐具材料和纤维素薄膜。利用棉秆皮、棉铃壳等含有的酚式羟基化学成分可制成利用棉秆皮、棉铃壳等含有的酚式羟基化学成分可制成聚聚合阳离子交换树脂吸收重金属合阳离子交换树脂吸收重金属等。等。184. 4. 农业废弃物的生物处理农业废弃物的
13、生物处理4.1 堆肥技术堆肥技术4.2 干发酵技术干发酵技术4.3 生物转化制燃料乙醇技术生物转化制燃料乙醇技术194.1 4.1 堆肥技术堆肥技术概念概念 堆肥技术堆肥技术是利用微生物的作用，将不稳定的有机质转化为较稳定的有是利用微生物的作用，将不稳定的有机质转化为较稳定的有机质，使废弃物中挥发性物质含量降低，臭味减小，物理性状明显改善机质，使废弃物中挥发性物质含量降低，臭味减小，物理性状明显改善。高温堆肥高温堆肥还可以杀灭堆料中的病原菌、虫卵和草籽，堆肥产品作为土还可以杀灭堆料中的病原菌、虫卵和草籽，堆肥产品作为土壤改良剂和植物营养源。壤改良剂和植物营养源。堆肥过程中的影响因素堆肥过程中的
14、影响因素 堆肥过程受许多环境因子的影响，如堆肥过程受许多环境因子的影响，如C/NC/N比、水分、氧气浓度、粒度比、水分、氧气浓度、粒度、pHpH值、温度等。表值、温度等。表3 3列出了一些堆肥参数的合理范围和优先范围，这些列出了一些堆肥参数的合理范围和优先范围，这些数值可能根据堆肥原材料的不同而有所变化。数值可能根据堆肥原材料的不同而有所变化。204.1 4.1 堆肥技术堆肥技术综合堆肥技术综合堆肥技术 随着我国经济的快速发展，农业固体废弃物的随着我国经济的快速发展，农业固体废弃物的排放量不断增加，成分排放量不断增加，成分日趋复杂日趋复杂，为提高固体废弃物的处理效率，人们不再局限于单一的、传，
15、为提高固体废弃物的处理效率，人们不再局限于单一的、传统的堆肥处理技术，而是将不同的技术有机结合逐步向统的堆肥处理技术，而是将不同的技术有机结合逐步向多元化多元化发展。发展。综合堆肥技术应用实例综合堆肥技术应用实例1.蚯蚓堆肥技术蚯蚓堆肥技术底底物物蚯蚓消化系统蚯蚓消化系统微生物微生物产产物物蚯蚓体：优质动物蛋白，可用蚯蚓体：优质动物蛋白，可用于养殖。于养殖。代谢产物：富含植物必须的代谢产物：富含植物必须的N、P、K等养分，可作肥料。等养分，可作肥料。农作物秸秆农作物秸秆及废渣及废渣禽类粪便禽类粪便城市生活垃圾城市生活垃圾有机污泥等有机污泥等4.1 4.1 堆肥技术堆肥技术综合堆肥技术应用实例综
16、合堆肥技术应用实例2.高温快速堆肥技术与蚯蚓堆肥技术结合高温快速堆肥技术与蚯蚓堆肥技术结合 优点：高温快速堆肥技术与蚯蚓堆肥技术相结合可有效地解决高温快优点：高温快速堆肥技术与蚯蚓堆肥技术相结合可有效地解决高温快速堆肥过程中因处理时间短，腐熟度达不到，产品需进一步处理等问题速堆肥过程中因处理时间短，腐熟度达不到，产品需进一步处理等问题。3.普通堆肥与蚯蚓堆肥技术结合普通堆肥与蚯蚓堆肥技术结合 优点：普通堆肥与蚯蚓堆肥技术相结合具有优点：普通堆肥与蚯蚓堆肥技术相结合具有缩短反应时间缩短反应时间、提高堆肥提高堆肥质量质量、对环境危害小对环境危害小、很好的控制病原菌很好的控制病原菌等优点。等优点。小
17、结：小结：实践证明，综合堆肥技术不仅能加快堆肥的腐熟过程，更能有效实践证明，综合堆肥技术不仅能加快堆肥的腐熟过程，更能有效解决堆肥处理过程中的处理率和堆肥应用间的矛盾，从而实现废物的解决堆肥处理过程中的处理率和堆肥应用间的矛盾，从而实现废物的减减量化、无害化及资源化量化、无害化及资源化，是处理农业固体废弃物切实可行的途径。，是处理农业固体废弃物切实可行的途径。224.2 4.2 沼气干发酵技术沼气干发酵技术概念：概念： 沼气干发酵又称固体厌氧发酵，是以畜禽粪便、秸秆等有机固体废弃沼气干发酵又称固体厌氧发酵，是以畜禽粪便、秸秆等有机固体废弃物为原料，在物为原料，在干物质浓度为干物质浓度为20%以
18、上的条件下以上的条件下，利用厌氧菌将废弃物分，利用厌氧菌将废弃物分解为解为CH4、CO2等气体的发酵技术，它是处理有机废弃物资源化的有效途等气体的发酵技术，它是处理有机废弃物资源化的有效途径。径。图图2 沼气发酵基本流程沼气发酵基本流程234.2 4.2 沼气干发酵技术沼气干发酵技术沼气干发酵影响因素沼气干发酵影响因素1.C/N比比 在干发酵过程中，在干发酵过程中，CH4不断生成，导致原料的不断生成，导致原料的C/N比不断下降，因此比不断下降，因此进料时的进料时的C/N比可适当调高些，研究表明，比可适当调高些，研究表明，C/N比在比在20:130:1最适于最适于沼沼气干发酵。气干发酵。2.预处
19、理预处理 农业固体废弃物化学组成含有纤维素、半纤维素、木质素，这些成分农业固体废弃物化学组成含有纤维素、半纤维素、木质素，这些成分在自然条件下很难分解，采取适当的预处理，可有效提高产气率以及原在自然条件下很难分解，采取适当的预处理，可有效提高产气率以及原料的利用率，常见的预处理方法有料的利用率，常见的预处理方法有破碎、热处理、酸碱处理破碎、热处理、酸碱处理等。等。4.2 4.2 沼气干发酵技术沼气干发酵技术沼气干发酵影响因素沼气干发酵影响因素3.发酵原料干物质浓度发酵原料干物质浓度 对于不同的发酵原料干物质浓度会有所不同，一般根据温度、对于不同的发酵原料干物质浓度会有所不同，一般根据温度、pH
20、值等值等发酵条件通过试验确定干物质浓度。发酵条件通过试验确定干物质浓度。冷成保冷成保等研究暗河式生活垃圾干发等研究暗河式生活垃圾干发酵处理指出较理想的干物质浓度是酵处理指出较理想的干物质浓度是25%30%；石利军石利军等以牛粪秸秆为等以牛粪秸秆为原料，在原料，在C/N 比比=2530，T=36条件下研究干物质浓度对厌氧发酵产条件下研究干物质浓度对厌氧发酵产沼气影响，结果表明沼气影响，结果表明10%的干物质浓度产沼气效果最好。的干物质浓度产沼气效果最好。4.温度温度 厌氧干发酵温度一般在厌氧干发酵温度一般在中温（中温（3045）条件下产气较好。条件下产气较好。5.pH值值 pH对生物体内各种酶的
21、活性有一定影响，在对生物体内各种酶的活性有一定影响，在中性条件中性条件下更适合菌的生下更适合菌的生长，促进沼气的产生。长，促进沼气的产生。254.2 4.2 沼气干发酵技术沼气干发酵技术沼气干发酵影响因素沼气干发酵影响因素6.6.搅拌搅拌 通过搅拌可实现微生物和底物的有效接触，促进传质、传热效率，通过搅拌可实现微生物和底物的有效接触，促进传质、传热效率，从而提高沼气消化效率。国外许多国家在沼气发酵过程中设置混合搅拌从而提高沼气消化效率。国外许多国家在沼气发酵过程中设置混合搅拌装置，搅拌方式有装置，搅拌方式有气体搅拌气体搅拌、水利搅拌水利搅拌、机械搅拌机械搅拌，搅拌模式分为，搅拌模式分为连续连续
22、搅拌搅拌和和间歇式搅拌间歇式搅拌。264.2 4.2 沼气干发酵技术沼气干发酵技术沼气干发酵装置沼气干发酵装置1.国外沼气干发酵装置国外沼气干发酵装置 德国于德国于20世纪世纪90年代年代就进行间歇式沼气干发酵技术装备研发。目前欧就进行间歇式沼气干发酵技术装备研发。目前欧洲主要采用洲主要采用4中沼气干发酵工艺，即中沼气干发酵工艺，即Dmnco竖式推流发酵竖式推流发酵、Valorga竖式竖式气搅拌气搅拌、Kompogas卧式推流发酵卧式推流发酵和和Lingle-KCA卧式推流发酵卧式推流发酵，这，这4种种工艺已工艺已实现商业化运作实现商业化运作。2.国内沼气干发酵装置国内沼气干发酵装置 我国起步
23、较晚，在我国起步较晚，在21世纪初世纪初才开始干厌氧发酵反应器的研究。韩捷等才开始干厌氧发酵反应器的研究。韩捷等研制出新型沼气干发酵反应器研制出新型沼气干发酵反应器-覆膜槽生物反应器覆膜槽生物反应器（Membrane Covered Trough bioreactor,简称简称MCT），并开发出规模化的沼气干发酵技术和），并开发出规模化的沼气干发酵技术和成套装置。该项技术在工程上解决了沼气干发酵进料难得问题，便于管成套装置。该项技术在工程上解决了沼气干发酵进料难得问题，便于管理、节约用地，提高了实用性和经济性。理、节约用地，提高了实用性和经济性。274.3 4.3 农业废弃物生物转化制燃料乙醇
24、技术农业废弃物生物转化制燃料乙醇技术燃料乙醇燃料乙醇 乙醇乙醇俗称酒精，它以粮食及各种植物纤维为原料，经发酵、蒸馏制成。将乙俗称酒精，它以粮食及各种植物纤维为原料，经发酵、蒸馏制成。将乙醇醇进一步脱水再与适量汽油混合进一步脱水再与适量汽油混合后即可形成后即可形成“燃料乙醇燃料乙醇，又称乙醇汽油。如图，又称乙醇汽油。如图3所示乙醇是太阳能的一种表现形式。在整个自然界大系统中，乙醇的生产和消费所示乙醇是太阳能的一种表现形式。在整个自然界大系统中，乙醇的生产和消费过程可形成无污染的闭路循环，过程可形成无污染的闭路循环，永恒再生，永不枯竭永恒再生，永不枯竭。图图3 纤维素乙醇在自然界中的循环纤维素乙醇
25、在自然界中的循环284.3 4.3 农业废弃物生物转化制燃料乙醇技术农业废弃物生物转化制燃料乙醇技术纤维素类农业废弃物生产燃料乙醇的意义纤维素类农业废弃物生产燃料乙醇的意义 我国推行乙醇汽油清洁燃料，对我国的能源安全、农业建设和环境保护我国推行乙醇汽油清洁燃料，对我国的能源安全、农业建设和环境保护等方面将起到积极的推动作用。等方面将起到积极的推动作用。（1）减少对进口石油的依赖，提高能源安全；）减少对进口石油的依赖，提高能源安全；（2）建设农村经济，带动农民增收；）建设农村经济，带动农民增收；（3）降低温室气体排放，改善大气环境。）降低温室气体排放，改善大气环境。一定的粮食危机一定的粮食危机2
26、005年起，在年起，在“向玉米要能源向玉米要能源的推动的推动下，我国东北一些地方上燃料乙醇项目热情高下，我国东北一些地方上燃料乙醇项目热情高涨。涨。2006年底全国以生物燃料乙醇名目提出的年底全国以生物燃料乙醇名目提出的建设意向生产能力已超过千万吨，其中很多是建设意向生产能力已超过千万吨，其中很多是以粮食为原料。以粮食为原料。以粮食生产生物燃料，粮食不再仅仅是食物。以粮食生产生物燃料，粮食不再仅仅是食物。使粮食买卖投机兴盛，导致了粮食市场扭曲，使粮食买卖投机兴盛，导致了粮食市场扭曲，并使粮价不断攀升。并使粮价不断攀升。 中国政府果断叫中国政府果断叫停粮食乙醇化项目。停粮食乙醇化项目。实行生物燃
27、料乙实行生物燃料乙醇项目核准制。醇项目核准制。国家的燃料乙醇国家的燃料乙醇产业规划中，更明产业规划中，更明确了确了“非粮化非粮化的的思路。思路。目前看来，承担改变中国目前看来，承担改变中国能源结构重任的，是以秸能源结构重任的，是以秸秆为代表的植物纤维。秆为代表的植物纤维。4.3 4.3 农业废弃物生物转化制燃料乙醇技术农业废弃物生物转化制燃料乙醇技术秸秆乙醇化工艺流程秸秆乙醇化工艺流程 以秸秆为原料生产乙醇技术主要包括秸秆原料的以秸秆为原料生产乙醇技术主要包括秸秆原料的预处理预处理、酶水解酶水解和和乙乙醇发酵醇发酵3个过程个过程(如图如图4所示所示)。目前。目前,在秸秆乙醇化过程中，预处理费用
28、过在秸秆乙醇化过程中，预处理费用过于昂贵、纤维素酶成本高、缺乏产乙醇的高转化率微生物菌种等是其主于昂贵、纤维素酶成本高、缺乏产乙醇的高转化率微生物菌种等是其主要技术障碍。其中，仅预处理部分的花费就要约占总成本的要技术障碍。其中，仅预处理部分的花费就要约占总成本的1/3。图图4 秸秆原料生产乙醇流程示意图秸秆原料生产乙醇流程示意图304.3 4.3 农业废弃物生物转化制燃料乙醇技术农业废弃物生物转化制燃料乙醇技术秸秆的预处理技术秸秆的预处理技术1.秸秆预处理的必要性秸秆预处理的必要性秸秸秆秆纤维素；纤维素；半纤维素；半纤维素；木质素。木质素。木质纤维素木质纤维素化学性质很稳定化学性质很稳定的高分
29、子化合物；的高分子化合物；不溶于水，也不不溶于水，也不溶于一般的有机溶溶于一般的有机溶剂；剂；交织在一起形成交织在一起形成细胞壁结构，相互细胞壁结构，相互制约。制约。不经预处理不经预处理纤维素酶水解纤维素酶水解 糖得率很糖得率很低，一般在低，一般在理论得率的理论得率的20以下。以下。预处理预处理 则能大幅度地提高则能大幅度地提高秸秆作为乙醇化原料的秸秆作为乙醇化原料的可利用性，并降低酶解可利用性，并降低酶解成本。成本。结论结论 进行适当的预处理进行适当的预处理对于实现秸秆的高值利对于实现秸秆的高值利用是必要的。用是必要的。314.3 4.3 农业废弃物生物转化制燃料乙醇技术农业废弃物生物转化制
30、燃料乙醇技术秸秆的预处理技术秸秆的预处理技术2.秸秆预处理的方法秸秆预处理的方法 目前，对秸秆进行预处理的研究十分众多。从分类上讲，预处理方法目前，对秸秆进行预处理的研究十分众多。从分类上讲，预处理方法主要包括物理法、化学法和生物法，或者是其中多者的组台。主要包括物理法、化学法和生物法，或者是其中多者的组台。(1)物理预处理方法物理预处理方法 比较常用的物理处理方法是比较常用的物理处理方法是机械粉碎机械粉碎，通过破碎、碾磨等方式将秸秆，通过破碎、碾磨等方式将秸秆粉碎为粉碎为1030mm的切片或的切片或0.22mm的颗粒，随着粉碎程度加深，表面的颗粒，随着粉碎程度加深，表面积也逐渐增大，酶解速度
31、加大。积也逐渐增大，酶解速度加大。高温分解高温分解也可以作为木质纤维原料预处也可以作为木质纤维原料预处理的方法。当秸秆在理的方法。当秸秆在300以上的高温下处理时，纤维素会快速分解成为以上的高温下处理时，纤维素会快速分解成为气体和残留固体。气体和残留固体。 此外，高能射线如此外，高能射线如电子射线电子射线、射线射线等也可对纤维素原料进行预处理等也可对纤维素原料进行预处理，电离辐射电离辐射可以使纤维素聚合度下降。可以使纤维素聚合度下降。324.3 4.3 农业废弃物生物转化制燃料乙醇技术农业废弃物生物转化制燃料乙醇技术2.秸秆预处理的方法秸秆预处理的方法(2)物理化学预处理方法物理化学预处理方法
32、蒸汽爆破蒸汽爆破 蒸汽爆破是一个很有发展前景的预处理方法，该方法中无需使用任何蒸汽爆破是一个很有发展前景的预处理方法，该方法中无需使用任何催化剂。催化剂。a.原理原理: 在该方法中，生物质用在该方法中，生物质用高压蒸汽加热几分钟高压蒸汽加热几分钟，然后用，然后用迅速减压至常压迅速减压至常压的方式停止反应。蒸汽在木质纤维素内部扩散，使纤维素发生断裂，内的方式停止反应。蒸汽在木质纤维素内部扩散，使纤维素发生断裂，内部结构发生变化，使纤维素、半纤维素、更易与酶反应。在蒸汽爆破后部结构发生变化，使纤维素、半纤维素、更易与酶反应。在蒸汽爆破后木质纤维素发生高温自水解，水解产物包括乙酰丙酸、木糖醇和乙醇等
33、木质纤维素发生高温自水解，水解产物包括乙酰丙酸、木糖醇和乙醇等。有研究表明，蒸汽爆破可获得较高木糖回收率（。有研究表明，蒸汽爆破可获得较高木糖回收率（45.0%65.0%）。）。b.缺陷：缺陷： 木质素分离不够完全，设备成本较高。木质素分离不够完全，设备成本较高。334.3 4.3 农业废弃物生物转化制燃料乙醇技术农业废弃物生物转化制燃料乙醇技术2.秸秆预处理的方法秸秆预处理的方法(2)物理化学预处理方法物理化学预处理方法高温液态水预处理高温液态水预处理a.方法原理方法原理 高温液态水预处理是一种高温液态水预处理是一种水热预处理水热预处理方法，其主要的作用是水解半纤方法，其主要的作用是水解半纤
34、维素产生低聚糖乃至单糖。该方法采用维素产生低聚糖乃至单糖。该方法采用200300在在525MPa压力下压力下处理处理015min，有研究表明木质纤维素中的半纤维素通过高温液态水预，有研究表明木质纤维素中的半纤维素通过高温液态水预处理可完全水解。处理可完全水解。b.优缺点优缺点 该法有较高的木糖回收率（该法有较高的木糖回收率（88.0%98.0%），且不需化学试剂，较为），且不需化学试剂，较为经济。缺点是会产生少量抑制微生物生长的副产物，如糠醛、羧酸，对经济。缺点是会产生少量抑制微生物生长的副产物，如糠醛、羧酸，对乙醇发酵产生影响。乙醇发酵产生影响。344.3 4.3 农业废弃物生物转化制燃料乙
35、醇技术农业废弃物生物转化制燃料乙醇技术2.秸秆预处理的方法秸秆预处理的方法(2)物理化学预处理方法物理化学预处理方法氨纤维爆破（氨纤维爆破（AFEX）a.方法原理方法原理 AFEX是一种碱性热预处理方法，将生物质用浓氨进行加热（通常使用是一种碱性热预处理方法，将生物质用浓氨进行加热（通常使用中等温度中等温度60100）,然后快速释压终止处理，该方法可使纤维素结晶然后快速释压终止处理，该方法可使纤维素结晶分解，半纤维素解聚以及木质素降解，使酶对木质纤维素水解率大大提分解，半纤维素解聚以及木质素降解，使酶对木质纤维素水解率大大提高。高。b.优缺点优缺点 该法氨的回收率可达该法氨的回收率可达99.0
36、%，剩余的氨在下游发酵中可作为微生物生剩余的氨在下游发酵中可作为微生物生长所需氮源。长所需氮源。木质纤维素经木质纤维素经AFEX处理后，酶解所需酶量较其他预处理方处理后，酶解所需酶量较其他预处理方法低。弊端在于木质素含量较高的生物质的处理率较低，对半纤维素增法低。弊端在于木质素含量较高的生物质的处理率较低，对半纤维素增溶作用小。溶作用小。354.3 4.3 农业废弃物生物转化制燃料乙醇技术农业废弃物生物转化制燃料乙醇技术2.秸秆预处理的方法秸秆预处理的方法(2)物理化学预处理方法物理化学预处理方法CO2膨爆预处理膨爆预处理 CO2膨爆预处理技术膨爆预处理技术与与蒸汽爆破及氨纤维爆破技术蒸汽爆破
37、及氨纤维爆破技术相似。然而，相似。然而，CO2爆破较氨爆破爆破较氨爆破更具成本效益更具成本效益，并，并不会产生不会产生蒸汽爆破形成的蒸汽爆破形成的抑制剂抑制剂，产物，产物转化率也高于转化率也高于蒸汽爆破法。但由于蒸汽爆破法。但由于CO2的添加使得该技术对的添加使得该技术对反应器的耐反应器的耐压性压性提出了较高的要求。提出了较高的要求。364.3 4.3 农业废弃物生物转化制燃料乙醇技术农业废弃物生物转化制燃料乙醇技术2.秸秆预处理的方法秸秆预处理的方法(3)化学预处理方法化学预处理方法酸预处理酸预处理a.方法原理方法原理 酸预处理一般分为浓酸和稀酸处理。浓酸由于其高腐蚀性、回收难度酸预处理一般
38、分为浓酸和稀酸处理。浓酸由于其高腐蚀性、回收难度大等因素限制了其应用。稀酸处理工艺已较成熟，在大等因素限制了其应用。稀酸处理工艺已较成熟，在130210条件下条件下稀酸（稀酸（0.50%1.00%）能够有效地使半纤维素分解为可溶性糖，从而大）能够有效地使半纤维素分解为可溶性糖，从而大大提高纤维素水解生成葡萄糖的产率。大提高纤维素水解生成葡萄糖的产率。Saha等研究表明等研究表明，用，用0.75%硫酸硫酸在在121处理小麦秸秆处理小麦秸秆1h，可获得，可获得74%的糖转化率。的糖转化率。b.缺点缺点 对反应器耐腐蚀性要求较高、反应过程中会产生抑制微生物生长的副对反应器耐腐蚀性要求较高、反应过程中
39、会产生抑制微生物生长的副产物（糠醛等）对后续发酵产生影响。产物（糠醛等）对后续发酵产生影响。374.3 4.3 农业废弃物生物转化制燃料乙醇技术农业废弃物生物转化制燃料乙醇技术2.秸秆预处理的方法秸秆预处理的方法(3)化学预处理方法化学预处理方法碱处理法碱处理法a.方法原理方法原理 碱处理法可使用钠、钾、钙、氨的氢氧化物。常用的有氢氧化钠、氢碱处理法可使用钠、钾、钙、氨的氢氧化物。常用的有氢氧化钠、氢氧化钙和氨水。碱处理消化木质纤维素中的木质素，并使部分半纤维素氧化钙和氨水。碱处理消化木质纤维素中的木质素，并使部分半纤维素溶解，纤维素结晶度由于膨胀而下降。溶解，纤维素结晶度由于膨胀而下降。Su
40、n等等通过研究小麦秸秆脱木素通过研究小麦秸秆脱木素和半纤维素的溶出度来分析不同碱溶液预处理的效果。他们发现。最佳和半纤维素的溶出度来分析不同碱溶液预处理的效果。他们发现。最佳的工艺条件为在的工艺条件为在20下采用下采用1.50%氢氧化钠处理氢氧化钠处理144h分别脱除分别脱除60%的木的木质素和溶出质素和溶出80%的半纤维素。的半纤维素。b.优缺点优缺点 与其他预处理方法相比碱处理法所需温度压力条件较低，缺陷在于与与其他预处理方法相比碱处理法所需温度压力条件较低，缺陷在于与其他化学方法一样存在环境污染问题。其他化学方法一样存在环境污染问题。384.3 4.3 农业废弃物生物转化制燃料乙醇技术农
41、业废弃物生物转化制燃料乙醇技术2.秸秆预处理的方法秸秆预处理的方法(3)化学预处理方法化学预处理方法湿式氧化预处理湿式氧化预处理a.方法原理方法原理 湿式氧化是用湿式氧化是用120以上的水和空气（或氧气）处理木质纤维素的过程以上的水和空气（或氧气）处理木质纤维素的过程，该技术使木质素、半纤维素以从固相转移到液相，而纤维素极少发生，该技术使木质素、半纤维素以从固相转移到液相，而纤维素极少发生水解，该方法有效地去除了木质素、半纤维素对纤维素的束缚，从而提水解，该方法有效地去除了木质素、半纤维素对纤维素的束缚，从而提高纤维素酶的可及性。高纤维素酶的可及性。b.研究报道研究报道 Carlos等采用湿式
42、氧化法处理蔗渣，在等采用湿式氧化法处理蔗渣，在195条件下保温条件下保温15min，木质，木质素水解率为素水解率为50%，半纤维素水解率达到，半纤维素水解率达到93%，而纤维素酶的水解效率为，而纤维素酶的水解效率为75%左右。左右。394.3 4.3 农业废弃物生物转化制燃料乙醇技术农业废弃物生物转化制燃料乙醇技术2.秸秆预处理的方法秸秆预处理的方法(3)化学预处理方法化学预处理方法有机溶剂的预处理有机溶剂的预处理a.方法原理方法原理 有机溶剂预处理的主要作用是破坏木质素和半纤维素之间的化学键，有机溶剂预处理的主要作用是破坏木质素和半纤维素之间的化学键，通常使用的有机溶剂有甲醇、乙醇、醋酸、过
43、甲酸、过氧乙酸、丙酮等通常使用的有机溶剂有甲醇、乙醇、醋酸、过甲酸、过氧乙酸、丙酮等。b.优缺点优缺点 该法具有污染相对较小、有机溶剂较易回收等特点，其弊端在于残留该法具有污染相对较小、有机溶剂较易回收等特点，其弊端在于残留有机溶剂会对下游发酵微生物造成危害。有机溶剂会对下游发酵微生物造成危害。404.3 4.3 农业废弃物生物转化制燃料乙醇技术农业废弃物生物转化制燃料乙醇技术2.秸秆预处理的方法秸秆预处理的方法(4)生物预处理生物预处理a.方法原理方法原理 生物预处理主要是依靠生物预处理主要是依靠褐腐菌、白腐菌、软腐菌褐腐菌、白腐菌、软腐菌等可利用木质素和半等可利用木质素和半纤维素的真菌破坏
44、木质纤维素的结构，从而纤维素更易与酶发生作用。纤维素的真菌破坏木质纤维素的结构，从而纤维素更易与酶发生作用。b.优缺点优缺点 该方法的优点是无需大量设备支持和任何化学品、安全、节能。其缺该方法的优点是无需大量设备支持和任何化学品、安全、节能。其缺点在于水解率较低，生物脱木质素通常所需时间较长。点在于水解率较低，生物脱木质素通常所需时间较长。c.研究报道研究报道 目前已有微生物作用于蔗渣中木质纤维素的相关研究，结果表明原料目前已有微生物作用于蔗渣中木质纤维素的相关研究，结果表明原料中的纤维素及木质素含量大幅减少。中的纤维素及木质素含量大幅减少。414.3 4.3 农业废弃物生物转化制燃料乙醇技术
45、农业废弃物生物转化制燃料乙醇技术秸秆的酶水解技术秸秆的酶水解技术 水解主要是为了破坏纤维素、半纤维素的氢键，使之转化为可发酵的单糖。水解主要是为了破坏纤维素、半纤维素的氢键，使之转化为可发酵的单糖。常用的水解工艺主要包括常用的水解工艺主要包括稀酸水解稀酸水解、浓酸水解浓酸水解和和酶水解酶水解。稀酸水解容易产生大量。稀酸水解容易产生大量副产物，而浓酸水解必须考虑回收浓硫酸，增加了工艺的复杂程度。副产物，而浓酸水解必须考虑回收浓硫酸，增加了工艺的复杂程度。酶水解酶水解所需所需能量较低、环境条件温和，因此是比较适合商业化的水解工艺，也是目前的能量较低、环境条件温和，因此是比较适合商业化的水解工艺，也
46、是目前的研究研究重点重点。1.秸秆酶水解糖化工艺秸秆酶水解糖化工艺 为了更加高效的利用纤维素酶，改善水解条件，简化水解程序、设备，众多为了更加高效的利用纤维素酶，改善水解条件，简化水解程序、设备，众多学者发展出多种水解工艺。学者发展出多种水解工艺。（1）水解发酵二段法工艺）水解发酵二段法工艺 此法是将水解与发酵分为两步进行。此法是将水解与发酵分为两步进行。第一步第一步利用纤维素酶将秸秆水解为葡萄利用纤维素酶将秸秆水解为葡萄糖，糖，第二步第二步将这些糖发酵为酒精。该工艺兼顾了酶解和发酵各自的最适宜条件。将这些糖发酵为酒精。该工艺兼顾了酶解和发酵各自的最适宜条件。但酶解后产生的葡萄糖对反应有抑制作
47、用，使得酶解糖得率很难提高。但酶解后产生的葡萄糖对反应有抑制作用，使得酶解糖得率很难提高。424.3 4.3 农业废弃物生物转化制燃料乙醇技术农业废弃物生物转化制燃料乙醇技术秸秆的酶水解技术秸秆的酶水解技术1.秸秆酶水解糖化工艺秸秆酶水解糖化工艺（2）同步糖化发酵工艺）同步糖化发酵工艺 这种方法是将这种方法是将水解和发酵合二为一水解和发酵合二为一，在同一反应器中进行。酶解产生的葡萄，在同一反应器中进行。酶解产生的葡萄糖很快被发酵生成酒精，消除了水解产物对水解反应的抑制作用，提高了酶解速糖很快被发酵生成酒精，消除了水解产物对水解反应的抑制作用，提高了酶解速率和产物转化率，而且简化了设备。主要率和
48、产物转化率，而且简化了设备。主要面临的问题面临的问题是酶水解与酵母菌发酵的最是酶水解与酵母菌发酵的最适适温度不一致温度不一致(酶解酶解4550，发酵，发酵3035）实际生产中一般采用折中的）实际生产中一般采用折中的37，因此酶的活性和发酵的效率都不能达到最大。，因此酶的活性和发酵的效率都不能达到最大。（3）固定化细胞技术）固定化细胞技术 该法利用该法利用海藻酸钙、卡拉胶、多孔玻璃等海藻酸钙、卡拉胶、多孔玻璃等作为载体将酶固定化，酶稳定性较作为载体将酶固定化，酶稳定性较好，可重复使用和回收，便于连续操作，使最终发酵液酒精浓度得以提高。目前好，可重复使用和回收，便于连续操作，使最终发酵液酒精浓度得
49、以提高。目前固定化细胞研究的新动向是固定化细胞研究的新动向是混合固定细胞发酵混合固定细胞发酵，如酵母与纤维二糖酶一起固定化，如酵母与纤维二糖酶一起固定化，将纤维二糖基质转化成酒精，此法被看作是玉米秸秆生产酒精的重要方法。，将纤维二糖基质转化成酒精，此法被看作是玉米秸秆生产酒精的重要方法。434.3 4.3 农业废弃物生物转化制燃料乙醇技术农业废弃物生物转化制燃料乙醇技术秸秆的酶水解技术秸秆的酶水解技术1.秸秆酶水解糖化工艺秸秆酶水解糖化工艺（4）非等温同步发酵法）非等温同步发酵法 工艺流程包含一个工艺流程包含一个水解塔水解塔和一个和一个发酵罐发酵罐。糖化和发酵在两个反应器中。糖化和发酵在两个反
50、应器中进行，糖化液通过泵随时输入到发酵反应器中。消除了产物对反应的抑进行，糖化液通过泵随时输入到发酵反应器中。消除了产物对反应的抑制作用，而且协调了水解与发酵的工艺条件，实际上是水解发酵二段法制作用，而且协调了水解与发酵的工艺条件，实际上是水解发酵二段法工艺的改进型。工艺的改进型。(5)同步产酶与酶解工艺同步产酶与酶解工艺 这种工艺就是将纤维素酶的生产与纤维素的酶解过程混合在同一个反这种工艺就是将纤维素酶的生产与纤维素的酶解过程混合在同一个反应器中进行。这种工艺减少了反应容器，降低了设备费用。但对灭菌要应器中进行。这种工艺减少了反应容器，降低了设备费用。但对灭菌要求严格，并有数种副产物产生，目
