综述：基于组分特性的农业废弃物高值化利用：潜力与挑战

这篇综述系统阐述了农业废弃物（AR）的高值化利用策略，聚焦其组分特性（纤维素/半纤维素/木质素）、预处理技术（蒸汽爆破/微波/酶解）及转化路径（物理/热化学/生物发酵）。通过文献计量分析揭示了研究趋势从“生物乙醇”向“循环经济”和“碳减排”的转变，并创新性评估了不同转化方式的能耗与环境效益，为全球气候治理和可持续发展提供了理论支撑。

　　

农业废弃物的组分特性与挑战

农业废弃物（AR）主要由木质纤维素材料构成，全球年产量超19亿吨。其复杂组分（纤维素36-47%、半纤维素16-35%、木质素5-36%）直接影响转化效率。例如，水稻壳的高灰分（17-22.5%）阻碍生物转化，而玉米秸秆的丰富纤维素（32-45%）更适合作生物燃料原料。

预处理技术的革新

预处理是突破AR转化瓶颈的关键：

• 物理法：机械粉碎改善纤维分散性，但能耗较高

• 化学法：碱处理选择性去除木质素，但易产生抑制物

• 生物法：白腐真菌降解木质素效率达85%，但周期长达14天

  新兴的联合预处理如“蒸汽爆破+碱处理”使小麦秸秆酶解效率提升至90.9%，凸显协同效应的重要性。

三大高值化转化路径

物理利用：

• 稻秸人造板抗弯强度达18MPa，接近木材制品

• 玉米秸秆水泥复合材料导热系数降低37%，兼具保温与固碳潜力

热化学转化：

• 大豆秸秆热解生物油热值达16MJ/kg，经加氢脱氧后可作为车用燃料

• 棉花秸秆生物炭比表面积超800m²/g，对Cd²⁺吸附量提升49%

生物发酵：

• 黑水虻转化餐厨垃圾与AR的蛋白回收率高达65%

• 微波辅助碱预处理使小麦秸秆暗光发酵产氢量达409mol/g

能耗与环境效益评估

生命周期分析显示：

• 秸秆人造板碳足迹（6.3kg CO₂/m³）比木材板低23%

• 厌氧消化产甲烷能耗仅0.28MJ/MJ，但电发酵技术可再降43%

  值得注意的是，生物炭基肥料施用后土壤N₂O排放减少60%，凸显碳负排放潜力。

未来突破方向

1. 开发基于人工智能的AR组分快速检测技术

2. 构建“预处理-转化-产品”全链条数据库

3. 探索微生物-纳米材料协同增效体系

4. 建立跨学科碳足迹动态评估模型

该领域正从单一技术研发向系统化、智能化方向演进，为应对能源危机和气候变化提供创新解决方案。