蘇河山

(北京創(chuàng)源基業(yè)自動化控制研究所，北京，100037)

農(nóng)作物秸稈清潔制漿及綜合利用新技術

蘇河山

(北京創(chuàng)源基業(yè)自動化控制研究所，北京，100037)

2011年11月29日國家發(fā)改委、農(nóng)業(yè)部、財政部聯(lián)合發(fā)出《關于印發(fā)“十二五”農(nóng)作物秸稈綜合利用實施方案》的通知（發(fā)改環(huán)資［2011］2615 號），這是為貫徹2008年《國務院辦公廳關于加快推進農(nóng)作物秸稈綜合利用的意見》（國發(fā)辦［2008］105號），加快推進和更具體指導我國“十二五”期間實施農(nóng)作物秸稈綜合利用的一份重要文件。

我國是一個農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量大、分布廣、種類多，是農(nóng)民生活和農(nóng)業(yè)發(fā)展的寶貴資源。但是由于國家經(jīng)濟發(fā)展和人民生活方式的轉變，秸稈已成為廢棄物，農(nóng)村焚燒秸稈現(xiàn)象嚴重，帶來了一系列的環(huán)境問題。 國家為保護環(huán)境，加快農(nóng)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟和農(nóng)村產(chǎn)業(yè)發(fā)展，改善農(nóng)民生活條件，增加農(nóng)民收入，為我國新農(nóng)村建設，提出農(nóng)村農(nóng)作物綜合利用的實施方案，

文件進一步提出要全面落實科學發(fā)展觀，堅持資源節(jié)約和環(huán)境保護基本國策，以提高秸稈綜合利用率為目標，以創(chuàng)新為動力，以制度創(chuàng)新為保障，……促進秸稈的資源化、商品化利用，培育和利用秸稈，利用綜合產(chǎn)業(yè)，帶動農(nóng)村經(jīng)濟社會發(fā)展。

我所是一家環(huán)保材料科學研究所，多年來，貫徹國家科技自主創(chuàng)新政策，走產(chǎn)、學、研結合的道路，為保護生態(tài)環(huán)境，充分利用農(nóng)村豐富的各種秸稈資源，成功地研制出 《農(nóng)作物秸稈清潔制漿及綜合利用新技術》，已實現(xiàn)了工業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化。經(jīng)國家有關部門組織評議、鑒定和調研，已獲得了國家發(fā)明專利?，F(xiàn)將有關情況簡要介紹如下。

我所研發(fā)的科技成果是 《農(nóng)作物秸稈清潔制漿及綜合利用新技術》。包含兩個主要內容：一是將農(nóng)作物秸稈纖維部分和營養(yǎng)顆粒部分的清潔剝離技術（簡稱《秸稈清潔制漿技術》）；二是生產(chǎn)廢水資源性凈化技術（簡稱《生產(chǎn)廢水治理技術》）。

從1999年開始，我所研發(fā)秸稈機械法制漿。在十余年的研制過程中，涉及面不斷擴展，隨著農(nóng)作物秸稈纖維部分和營養(yǎng)顆粒部分的清潔剝離技術和生產(chǎn)廢水資源性凈化技術的研發(fā)成功，實現(xiàn)了秸稈原料的多樣化（從單一的稻麥草到棉花稈、蔗渣、豆稈、沙棘、蘆葦、竹子等），和產(chǎn)品的多樣化（不僅是瓦楞原紙、黃板紙、紗管原紙等包裝用紙，還包括一次性餐飲具、工業(yè)襯托、秸稈中密度板、輕體建材、秸稈節(jié)能自燒磚、生物肥料、蛋白飼料、功能性膳食品等），技術鏈不斷延伸，形成了以清潔制漿技術為核心的農(nóng)作物秸稈綜合利用技術群。

《農(nóng)作物秸稈清潔制漿及綜合利用新技術》系我所自主創(chuàng)新并擁有自主知識產(chǎn)權的一個技術集成，它的核心是用純機械方法把農(nóng)作物秸稈分為纖維和植粉兩部分，用纖維代替木材和塑料，用植粉作為營養(yǎng)富集品，鏈接多種清潔工業(yè)制品。

《秸稈清潔制漿技術》的理論依據(jù)是：為最大限度地全資源利用秸稈，必須把秸稈的有效成份分離出來，再分門別類作為原料使用。我們的技術就是用純機械法把秸稈分為纖維和顆粒兩部分，纖維部分以秸稈機械漿形式出現(xiàn)，顆粒部分從循環(huán)用水中過濾出來。核心技術的實質是不添加任何的化學物質，用純機械法制造機械漿和營養(yǎng)富集顆粒。

從某種意義上說制漿的過程就是處理木質素和剝離纖維的過程。因為木素是存在于細胞間層間最主要的物質，它使細胞互相黏合而固結。無論是化學制漿還是機械制漿，其主要目的都是破解制漿原料中木質素的黏合力。 化學制漿的原理是添加化學物質使木素溶出，從而破壞了纖維間的固結，同時產(chǎn)生黑液。我們研究了木質素性能和結構的關系，利用木質素的熱變性原理 （木質素在高溫條件下由脆硬的玻璃態(tài)轉化為柔軟的橡膠態(tài)），破壞秸稈纖維間橫向固結力，對纖維進行分解。具體做法是采用純機械加工工藝，將秸稈置于可聚蓄熱能的非金屬“秸稈分解機”中高速運轉搓磨，使物料在瞬間高溫狀態(tài)下撕裂、壓潰、帚化、潤漲，形態(tài)和性態(tài)均發(fā)生變化，最終使纖維具備了成漿的要求。實際上是保持了木質素的存在，使之分散存在于漿中，這就是機械漿強度好，而且得率高的原因。 制造出特點鮮明的秸稈機械漿，利用這種漿配抄包裝用紙、制造模塑產(chǎn)品和板材等。

《秸稈清潔制漿技術》的核心裝備是 秸稈分解機。

《秸稈清潔制漿技術》是純機械法制漿。但秸稈成漿必須具備形態(tài)和性態(tài)兩方面的變化：即形態(tài)的帚化、細纖維化；性態(tài)上木素在熱力的作用下由硬而脆的玻璃態(tài)向偏軟的橡膠態(tài)轉化。傳統(tǒng)機械法處理木材的鋼磨對于秸稈的加工并不適合，因為堅硬的鋼質齒面切斷能力強，搓磨能力弱，只能將原本纖維很短的秸稈打得粉碎，而對秸稈纖維的次生壁的緊密外層卻無能為力。為了使草漿纖維盡量保持原有纖維長度，又能使其次生壁緊密的外層被壓潰、帚化或細纖維化，我們改用撕裂搓磨能力強、適宜處理柔韌性材料的非金屬材質的磨盤。同時考慮到機械在高速運轉過程中材料強度的承受力，我們針對秸稈的特性，借鑒傳統(tǒng)的木材機械制漿設備的工作原理，針對草類纖維原料的特點，自行設計制造出一種具有智能自動化的新型磨漿設備——“秸稈分解機”。

我們根據(jù)木質素的熱變性理論、針對草類纖維短的特性及磨盤在高速運轉時會產(chǎn)生持久的高溫（可以達到110℃以上）等因素，為木素變性創(chuàng)造條件，改變傳統(tǒng)盤磨的設計思路，對“秸稈分解機”的靜、動盤采取了非對稱的設計并且在動盤和靜盤的齒形和材質方面，改用不同材質的復合型盤磨。

“秸稈分解機”是整個秸稈機械漿生產(chǎn)線的核心部分。“秸稈分解機”的非對稱設計是一個創(chuàng)新，更是《秸稈清潔制漿新技術》重要而寶貴的閃光點。這樣的設計是獨創(chuàng)的，目前在世界上是惟一的。該設計一是大大降低了盤磨對草類纖維的切斷能力；二是由于非金屬盤磨的不導熱性，使磨盤間原料的溫度能有效地得到提高，促使木質素由玻璃態(tài)轉化為橡膠態(tài)，可使草類纖維被較小的摩擦力柔性撕裂。該盤磨制漿的電力消耗是傳統(tǒng)鋼制盤磨的2/3。

按“秸稈分解機”的工藝特性要求，喂料必須充足、物料含水率要穩(wěn)定（干度80%），且輸送要均勻。由于秸稈疏松柔韌，單位重量小、纏繞性大、韌性強、瀝水快，不單在喂料時容易堵塞，在出料口和整個生產(chǎn)輸送過程中也容易出現(xiàn)阻塞、搭橋現(xiàn)象，因此，照搬傳統(tǒng)的木材機械漿流水線很難處理 。充分考慮到秸稈和木片質地的差異，我們在設計中采用以大功率的水力碎草機為核心的濕法備料系統(tǒng)，對秸稈進行充分的搓揉浸泡，使其潤漲柔和。為此，我們對“秸稈分解機”配套的撕裂機、水碎機、物料輸送等關鍵設備和工序，均配置有全自動聯(lián)動（PLC）控制系統(tǒng)，以確保整個生產(chǎn)線運轉正常、穩(wěn)定、節(jié)能、省電、效率高。

“生產(chǎn)廢水治理系統(tǒng)”是確保不污染生態(tài)環(huán)境的重要環(huán)節(jié)。因為 《農(nóng)作物秸稈清潔制漿及綜合利用新技術》是從源頭上杜絕了水污染，在秸稈機械制漿的全過程，因不加任何酸堿等化學品，所以無黑液產(chǎn)生。污水的 COD在 4000ppm左右，SS在 2500～3000ppm，引起COD和SS增高的主因是大量的秸稈懸浮物造成的，我們采用物化法來處理污水，水凈化后完全循環(huán)使用，生產(chǎn)用水不排放。

根據(jù)制漿系統(tǒng)對水質的需要,我們更注重對SS的治理。污水中除COD和SS外，還有大量系統(tǒng)外的物質，比如泥土的微細顆粒和其他雜質，這些物質在水中短時間內不上浮也不下沉，化學絮凝劑對其不起作用，所以使用現(xiàn)在的物化水處理設備（比如凹凸式氣浮機）不能達到收集作用，為此我們專門設計了不帶過濾網(wǎng)的過濾塔——“恒壓式絮凝自過濾塔”。用過濾的方式來收集污水中的懸浮物，效果較好。

“恒壓式絮凝自過濾塔”的工作原理是：廢水經(jīng)絮凝處理后沉降，絮凝物在自身重力和塔內水壓的共同作用下形成致密的絮凝物過濾層，水流自底部向上反向運動，塔內的過濾層可以起到過濾和吸附的作用，降低廢水中的CODcr、SS、泥土的微細顆粒和其他雜質，提高回用出水凈化效果。廢水在處理過程中添加我所配制的沉淀劑和絮凝劑，添加劑除傳統(tǒng)的飲用水沉淀絮凝劑外，輔以一種可用于食品衛(wèi)生的助濾劑。

由于秸稈機械制漿對于水質的要求COD在1500～2000ppm左右、SS在1000ppm以下，為此，我們把水處理目標值定為COD：2000ppm、SS:800ppm，即COD的去除率為60%左右，SS的去除率為75%～80%左右。1噸污水的處理成本也基本上可以控制在0.8元左右，1噸漿的水處理費用在40至50元。

“生產(chǎn)廢水治理系統(tǒng)”的污泥，實際上是秸稈的營養(yǎng)顆粒部分，秸稈在機械撕裂過程中，其成分的比例發(fā)生了變化，突出的特點是富集物部分（污泥）的碳氮比提高了 （大約在30左右），有機質含量也在32%以上。所以其利用的范圍極為廣泛，既可以直接做為有機肥的基料，又可以通過養(yǎng)殖蚯蚓轉化為高蛋白質的食品，是一種高附加值的利用。把制漿排出的固體廢棄物回收利用，這也是《農(nóng)作物秸稈清潔制漿及綜合利用新技術》的創(chuàng)新之一。

“恒壓自濾式過濾塔”是水處理系統(tǒng)中的核心設備。由于沒有化學品的污染，污水治理基本上是采用過濾絮凝，是以濾塔為核心設備組成的污水處理系統(tǒng)。該塔的最大特征是無濾網(wǎng)，避免了濾網(wǎng)需要大量的清水反沖洗的過程。同時，無需大面積的沉淀池，占地面積小，建設投資少，日處理污水8000立方米的污水處理系統(tǒng)，基本可以滿足年產(chǎn)5萬噸秸稈機械漿的污水處理的需要，建設資金為220～250萬元左右。運行費用低，噸水處理費用0.8元左右，該系統(tǒng)也已實現(xiàn)了全自動的智能化控制。

水處理系統(tǒng)污水不外排常引起人們的質疑，有人認為絮凝過濾方法只能去除水中SS，而不能全部將水中的DCS去掉，隨著時間增長，周而復始的循環(huán)用水中DCS濃度會越來越高，會導致無限富集，以致水變質不能繼續(xù)使用。為此，對污水處理過程的污染物無限富集的問題，我們曾委托北京化工大學生命科學與技術學院對我們試驗基地工藝裝置的循環(huán)水系統(tǒng)做了一個月的全程跟蹤監(jiān)測 (2005年4月26日至2005年5月25日)。監(jiān)測了雙磨盤后、OCC振篩、紙機白水(微濾前、微濾后)、氣浮后的水質，水質監(jiān)測項目包括pH、電導率(反應水中鹽分含量的項目)、離心沉淀物、濁度和CODcr。如果水中的污染物質是不斷增加的話，就會形成一個上揚的直線，即便是極其微量的上浮，最終水也會因污染物漸增而變質。但是，為期一個月的水質跟蹤檢測結果表明，示范生產(chǎn)線在實際運行中，水中污染物變化的數(shù)據(jù)是在一個恒定的直線范圍上下浮動，這說明DCS沒有無限富集，而是基本穩(wěn)定在一定的濃度水平上。表征DCS富集成度的電導率和COD值都在一定數(shù)值范圍內小幅振蕩，也就是說回用水中的DCS值是穩(wěn)定的，不發(fā)生無限富集，不會影響整個生產(chǎn)線的運行。

從理論上說，水循環(huán)系統(tǒng)中DCS中的有機成分來源于秸稈機械漿的水的抽提物，DCS濃度提高后，其中低溶解度鹽類會析出沉淀，并趨于平衡，因此，這樣的水循環(huán)系統(tǒng)，可以保證生產(chǎn)用水循環(huán)使用，不會導致污染物無限富集。這是我們所謂的“拐點理論”。

水循環(huán)使用做到零排放，另一個關鍵問題是在于絮凝物是否能被利用。絮凝物的成份是來自于秸稈本身的營養(yǎng)富集植粉。由于營養(yǎng)富集植粉在制漿過程中受到機械的劇烈作用，聚合度大為下降，其形態(tài)有利于在生物肥料的制作過程中被菌種生物利用而形成高品質的生物肥料。

“生產(chǎn)廢水治理系統(tǒng)”是《農(nóng)作物秸稈清潔制漿及綜合利用新技術》的重要組成部分。它與秸稈機械漿生產(chǎn)線組合，使機械制漿可以做到水的全回用。是變污水處理的達標排放為資源性回用。

我所《農(nóng)作物秸稈清潔制漿及綜合利用新技術》已研制成功、應用和正在研究的秸稈利用項目內容情況如下表：

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1 秸稈機械漿制造包裝用紙

秸稈機械漿的得率較高（在85%左右），漿纖維的組成成分中，除纖維素和半纖維素外，秸稈的其他成分大部仍都保留，特別是木質素，并沒有溶出，而是被撕裂，散布在機械漿纖維的表面，纖維細胞破裂得不徹底（相對于化學草漿），這一切決定了秸稈機械漿的性質。一是松厚度高，這對紙的環(huán)壓強度有較大的改善；二是纖維間的氫鏈結合力不夠高（纖維細胞破裂不徹底），紙的強度會受到影響；三是木質素在常溫下是玻璃態(tài)，依附在秸稈表面，使得秸稈漿纖維偏硬，表現(xiàn)在紙的耐折度不夠。秸稈機械漿主要的用途是配抄以廢紙為主的本色箱板紙、沙管原紙、瓦楞原紙等，實踐證明，配抄30%左右的秸稈機械漿，可以有效地提高高強瓦楞紙的環(huán)壓強度。生產(chǎn)出國家鼓勵和市場需求量大的高強瓦楞原紙。我們在山西某紙廠的1760造紙機上抄造的瓦楞原紙（配抄15%～20%），經(jīng)國家紙張紙漿檢測中心測定結果，紙張環(huán)壓強度高達9.8（標準是不小于3.5）。

2 機械漿一次性餐飲具

我國紙漿模塑餐具行業(yè)經(jīng)過近二十年的發(fā)展，目前已初具規(guī)模，在經(jīng)濟發(fā)達國家，一次性餐具市場已占據(jù)了主導地位。

目前我國市場上的紙漿餐具的原料基本是以漂白化學甘蔗漿漿板為主，部分企業(yè)以化學本色草漿混配進口本色木漿（20%～30%）。在使用中發(fā)現(xiàn)幾個較大的問題：一是紙漿餐具的整體挺度不高；二是紙漿餐具的硬度不夠，不耐刀叉切割；三是遇熱（90℃左右熱水）和遇冷時變軟。

山東海利源綠色包裝材料公司采用我所 《農(nóng)作物秸稈清潔制漿及綜合利用新技術》的秸稈機械漿，生產(chǎn)的紙漿餐具綜合物理性能有了較大的改善，檢測證明，各項數(shù)據(jù)指標都很理想，特別是餐具的整體挺度有很大提高，抗壓性、載荷性能和表面的硬度也大大增強，遇熱和遇冷時變軟的現(xiàn)象也有所緩解。更為重要的是因為機械漿在制造過程中不添加任何化學原料，制品中沒有化學殘留物，從質地到色澤都保持著原生態(tài)狀。現(xiàn)已出口外銷美國，國外已經(jīng)認可是“環(huán)保餐飲具”。最近中央電視臺農(nóng)業(yè)頻道“科技苑”和“農(nóng)廣天地”欄目連續(xù)播出《小麥秸稈餐具生產(chǎn)技術》向廣大觀眾作宣傳介紹。

3 中密度秸稈纖維板

中密度纖維板是將木材或植物纖維經(jīng)機械分離后，摻入膠黏劑和防水劑等，再經(jīng)高溫、高壓成型制成的一種人造板材，這種板材結構比天然木材均勻，邊緣牢固，密度和強度適中，有良好的可加工性，不易變形，防腐防蟲蛀，成本低。中密度纖維板具有多種用途，如制造中高檔家具、室內裝修、電視音響殼體、樂器、車船內裝修、建筑行業(yè)用材等。

目前市面上銷售的中密度板均是木質纖維的，秸稈纖維的中密度板還未問世，主要原因是中密度板的木質纖維是用機械法生產(chǎn)的木質機械漿，以前秸稈制漿只有化學法、半化學法工藝，化學漿纖維柔軟、得率低，不適合生產(chǎn)中密度板。采用純機械法生產(chǎn)的秸稈漿挺性好、得率高，符合制造的原材料要求。中密度纖維板是廣有市場份額的工藝成熟穩(wěn)定的老產(chǎn)品，中密度秸稈纖維板僅僅是用秸稈纖維取代木材纖維，工藝并不復雜，但這對于節(jié)省木材、保護森林，大量消耗農(nóng)作物秸稈有重大意義。

4 生物肥料

采用微生物固態(tài)發(fā)酵技術把秸稈機械漿生產(chǎn)過程中產(chǎn)出的污泥制成了“秸稈植粉生物肥料”，生物肥料是以有機質為基礎，然后配以菌劑和無機肥混合而成，它有良好的肥效，既能為農(nóng)作物提供營養(yǎng)，又能改良土壤，活化土壤中的養(yǎng)分；同時還可對土壤進行“消毒”，即利用生物（主要是微生物）分解和消除土壤中的農(nóng)藥（殺蟲劑和殺菌劑）、除莠劑及其它化工品的污染物，同時對土壤起到修復作用。

考慮到秸稈渣滓原料的特點，除營養(yǎng)富集的顆粒部分外還含有纖維素和半纖維素，我們生物肥料制備的原則確定為：采用多種能夠利用纖維素和半纖維素的微生物對原料進行固態(tài)發(fā)酵，然后混合進去目前微生物肥料通用的固氮菌、磷細菌和硅酸鹽細菌（鉀細菌）。因此，我們研制的生物肥料，既有生物有機肥的特點，又有細菌肥料的優(yōu)點，這樣制成的生物肥料是一種新型微生物復合肥，除有高效的固氮、解磷、解鉀活性微生物外，還含有豐富的有機質和微量元素。它既有肥效持久、壯苗抗病、改良土壤、提高產(chǎn)量、改善作物品質等優(yōu)點，又能克服大量使用化肥、農(nóng)藥帶來的環(huán)境污染、生態(tài)破壞等弊端。

5 包裝內襯模塑材料

以前我國工業(yè)包裝產(chǎn)品的緩沖材料中，采用發(fā)泡塑料（聚苯乙烯）制品的比例很大，大量使用于電子產(chǎn)品、家用電器、機電產(chǎn)品的包裝上。發(fā)泡塑料重量輕、挺性強、柔韌性好，作為緩沖材料其物理性能極為優(yōu)越，但會造成“白色污染”，給生態(tài)環(huán)境造成一定影響，紙漿工業(yè)包裝內襯材料已在逐步取代塑料制品，已開始應用于食品包裝，工業(yè)、電子產(chǎn)品包裝等。從發(fā)展趨勢看，紙漿模塑的替代之勢不容置疑。

《農(nóng)作物秸稈清潔制漿及綜合利用新技術》在2005年8月通過中國環(huán)境保護產(chǎn)業(yè)協(xié)會組織評審，于2006年列為國家重點環(huán)境保護A類實用技術。山東鄒平海華紙業(yè)公司年產(chǎn)5萬噸麥草機械漿及中高檔沙管原紙的技改項目，于2009年經(jīng)山東省科技廳組織專家正式通過科技成果鑒定，和廢紙配抄生產(chǎn)的沙管原紙、高強瓦楞原紙等項目已正式實現(xiàn)工業(yè)化大生產(chǎn)。該項技術已經(jīng)獲得多項國家發(fā)明專利。我所在新技術研發(fā)初期即得到中國制漿造紙研究院、北京化工大學等院校的指導和支持，2010年又組建中外合營公司，已正式建成工業(yè)化生產(chǎn)線生產(chǎn)一次性餐具供出口。

《農(nóng)作物秸稈清潔制漿及綜合利用新技術》具有創(chuàng)新性、科學性、實用性和經(jīng)濟性。秸稈機械漿生產(chǎn)線的特點是：可充分利用各種草類纖維原料；確保生態(tài)環(huán)境，生產(chǎn)用水循環(huán)使用不外排；投資??；節(jié)能，噸漿耗水量只有3～6噸、噸漿的動力消耗折標煤0.45～0.5噸。在我所研究成功并已得到應用和正在研究利用的項目中，機械漿制造包裝紙、秸稈節(jié)能自燒磚和一次性餐飲具已能工業(yè)化生產(chǎn)；100%機械漿制作的零甲醛的中密度秸稈纖維板已生產(chǎn)出樣品板，各項工藝數(shù)據(jù)已齊全，即可工業(yè)化正式生產(chǎn)。生物肥料、工業(yè)緩沖材料和蜂窩紙板及制品等項目也均可進入推廣應用階段。

能否充分利用好農(nóng)作物秸稈，是關系到國家國民經(jīng)濟發(fā)展的大事。利用 《農(nóng)作物秸稈清潔制漿及綜合利用新技術》把農(nóng)作物秸稈全面利用起來，不僅可充分利用農(nóng)村秸稈廢棄物，有效地杜絕秸稈焚燒現(xiàn)象，還可增加農(nóng)民的收入，是一件利國利民，支持“三農(nóng)”的大好事?！掇r(nóng)作物秸稈清潔制漿及綜合利用新技術》是一個清潔生產(chǎn)，循環(huán)經(jīng)濟，有很好經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益的科技成果。我們有信心繼續(xù)努力做好農(nóng)村秸稈綜合利用的科研、應用和推廣工作，我們也期待得到國家有關部門的指導、重視與支持。

2012－9－10

環(huán)境保護