以秸稈為原料規(guī)模化生產(chǎn)沼氣關(guān)鍵技術(shù)與推廣應(yīng)用

以秸稈為原料規(guī)?；a(chǎn)沼氣關(guān)鍵技術(shù)與推廣應(yīng)用沼氣,秸稈,原料,關(guān)鍵,規(guī)?；瘏R以秸嚴(yán)稈為耳原料前規(guī)模常化俱生產(chǎn)孝沼氣售關(guān)鍵輔技術(shù)映與推督廣魔應(yīng)用北京化工大學(xué)資源與環(huán)境研究中心

李秀金教授

摘要：以秸稈為原料生產(chǎn)沼氣不僅可解決我國秸稈的環(huán)境污染問題，還可解決沼氣大規(guī)模推廣需要的大宗原料問題。要實現(xiàn)秸稈高效厭氧消化和工程應(yīng)用，需要解決秸稈預(yù)處理技術(shù)、專用反應(yīng)器研制和發(fā)酵工藝參數(shù)優(yōu)化三個關(guān)鍵技術(shù)問題。介紹了北京化工大學(xué)在此方面的研究成果及其秸稈高效厭氧消化工藝和工程應(yīng)用情況，以為我國秸稈的能源化轉(zhuǎn)化和生態(tài)循環(huán)利用提供新的技術(shù)。

關(guān)鍵詞：秸稈；沼氣；關(guān)鍵技術(shù)；工程示范

BiogasProductionfromCropStalks

—KeyTechnologyandProjectDemonstration/PANGYun-zhi,WANGKui-sheng,LIXiu-jin/(CentreforResourceandEnvironmentalResearch,BeijingUniversityofChemicalTechnology,Beijing,100029,China)

Abstract:Usingcropstalksasfeedstuffsforbiogasproductionisoneofeffectiveapproachestoreducepollutionassociatedwithcropstalks,meanwhile,providelargeamountofrawmaterialsforlargescalebiogasproduction.Itisnecessarytosuccessfullydeveloppretreatmenttechnology,designspecificbioreactor,anddetermineoptimaltechnologicalparametersbeforeefficientbiogasificationofcropstalksisachieved.ThetechnologyofcropstalkbiogasificationdevelopedbyBeijingUniversityofChemicalTechnology(BUCT)anditsprojectdemonstrationwereintroduced.Thetechnologyhasproventobesuccessfulonethroughdemonstrationinlastyearsandcouldbeusedinpracticeinthefuture.

Keywords:cropstalks;biogas;keytechnology;projectdemonstration

1發(fā)展秸稈沼氣的必要性

我國是世界上最大的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)國，每年產(chǎn)生各類作物秸稈6億多噸，其利用率約為33%，其中經(jīng)過技術(shù)處理利用的僅占2.6%[1]。大量秸稈未被利用，不僅浪費(fèi)了資源，而且還由于大量秸稈的露天焚燒，導(dǎo)致嚴(yán)重的大氣污染、并引發(fā)火災(zāi)和影響高速公路與民航的運(yùn)行安全。因此，如何有效的處理和利用秸稈是我國農(nóng)村面臨的主要資源環(huán)境問題之一。

另一方面，目前全國已建成戶用沼氣池2200多萬戶，建成畜禽養(yǎng)殖場大中型沼氣工程2000多處，年產(chǎn)沼氣總量達(dá)到70億多立方米。計劃到2023年，我國戶用沼氣總數(shù)要達(dá)到4000萬戶，2006年要達(dá)到6000萬戶。但是，我國目前沼氣生產(chǎn)的主要原料是畜禽糞便，畜禽糞便只有在有養(yǎng)殖場的地方才可獲得，并不是所有的地方都有。隨著戶用沼氣的推廣和社會主義新農(nóng)村建設(shè)的發(fā)展，村鎮(zhèn)建設(shè)趨于規(guī)?；?，我國沼氣生產(chǎn)需要在更大規(guī)模和更大范圍內(nèi)進(jìn)行推廣，沼氣生產(chǎn)原料問題就逐步顯露了出來，并將成為制約我國沼氣大規(guī)模推廣應(yīng)用的“瓶頸”，因此，迫切需要開發(fā)其他的原料來源。秸稈分布在我國廣大的種植區(qū)域，呈“面”分布，來源十分廣泛，數(shù)量巨大，可充分利用，不像畜禽糞便那樣受區(qū)域限制，是除畜禽糞便外，最便于利用的大宗沼氣生產(chǎn)原料。但是，由于秸稈不同的理化性質(zhì)和難生物降解特性，目前，秸稈尚沒有大規(guī)模用于沼氣的生產(chǎn)。研究以秸稈為原料生產(chǎn)沼氣技術(shù)顯得十分必要，它對解決日益嚴(yán)重的秸稈污染問題，開發(fā)可再生清潔能源具有重要的意義，并具有更為廣闊的發(fā)展前景。也因此，2007年，農(nóng)業(yè)部把秸稈沼氣生產(chǎn)技術(shù)列為我國農(nóng)業(yè)和農(nóng)村“十大節(jié)能減排技術(shù)”之首。

2秸稈沼氣生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)

通過厭氧消化可以把秸稈轉(zhuǎn)化成沼氣。厭氧消化本身并不是什么新技術(shù)，它已被廣泛地用于多種有機(jī)廢棄物的厭氧消化。常用的厭氧消化原料是人畜糞便、生活垃圾、活性污泥等易降解有機(jī)物。作物秸稈常作為厭氧消化的“配料”使用，一般都不以作物秸稈為“主原料”進(jìn)行厭氧消化生產(chǎn)沼氣。主要原因是作物秸稈的木質(zhì)纖維素含量高，不易被厭氧菌消化，并且由于木質(zhì)素在植物細(xì)胞壁中常與纖維素、半纖維素、碳水化合物等成分“包裹”在一起，還會進(jìn)一步阻礙厭氧菌對半纖維素和纖維素的作用，導(dǎo)致物料的整體消化效率不高、產(chǎn)氣量低，投入產(chǎn)出效益差；此外，缺乏適合作物秸稈物料特性并能高效運(yùn)行的厭氧消化反應(yīng)器也是一個重要原因。

發(fā)達(dá)國家一般都是以工業(yè)生產(chǎn)為主，對農(nóng)業(yè)廢棄物—秸稈的利用技術(shù)方面的研究較少。瑞典在利用秸稈生產(chǎn)沼氣方面有所研究，但也沒有工程化的實際應(yīng)用。近年來，我國對秸稈生物氣化技術(shù)開展了一些研究，例如，北京合百意公司研究出來的秸稈發(fā)酵菌種，成都沼科所研究出的堆漚預(yù)處理技術(shù)等，但這些研究大多集中在作物秸稈物理、生物預(yù)處理和現(xiàn)有厭氧消化反應(yīng)器的改進(jìn)兩個方面；并且，單項技術(shù)研究的多，系統(tǒng)化的研究很少。由于作物秸稈的理化性質(zhì)和難以生物消化的特性，只靠某個單項技術(shù)的改進(jìn)很難達(dá)到顯著提高秸稈厭氧消化效率的目的，因此，需要從幾個方面著手。秸稈高效厭氧消化生產(chǎn)沼氣需要解決三個關(guān)鍵技術(shù)問題。

（1）秸稈預(yù)處理技術(shù)

秸稈的木質(zhì)纖維素含量較高，不易被厭氧菌消化，厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量低，經(jīng)濟(jì)效益差，這是導(dǎo)致秸稈不能被大規(guī)模用于沼氣生產(chǎn)的主要原因。一個簡單有效的解決方法就是在厭氧發(fā)酵前，對秸稈進(jìn)行物理、化學(xué)或生物預(yù)處理，把秸稈預(yù)先轉(zhuǎn)化成易于消化的“食料”，以顯著提高秸稈的生物消化性能、產(chǎn)氣率和經(jīng)濟(jì)性。常用的預(yù)處理方法有物理、化學(xué)與生物方法等[2、3、4、5]。物理方法主要有切碎、粉碎、汽爆等。Zhang報告經(jīng)粉碎的稻草比未經(jīng)處理的稻草產(chǎn)氣量最多可提高17%[2]，可見處理效果是有限的。生物法的研究主要集中在菌種的篩選和發(fā)酵條件優(yōu)化方面。目前研究最多的微生物是白腐真菌。Muller研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)P.florida降解后的麥秸的產(chǎn)氣量比未處理的麥秸提高了約一倍[5]。Mehta等發(fā)現(xiàn)經(jīng)P.florida降解的稻草的產(chǎn)氣量最多可提高8倍[6]。Yang等發(fā)現(xiàn)經(jīng)P.sajor-caju處理過的玉米秸的產(chǎn)氣量比未處理的提高了57.5%[7]。生物方法具有環(huán)境友好、處理效率高等優(yōu)點，但需要無菌操作條件和專門的培養(yǎng)設(shè)施，目前有關(guān)研究較多，實際應(yīng)用很少?；瘜W(xué)法主要利用酸和堿等化學(xué)物質(zhì)對秸稈進(jìn)行預(yù)處理，通過化學(xué)作用破壞秸稈的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而提高秸稈的厭氧消化性能。Colleran等對經(jīng)化學(xué)處理的麥秸進(jìn)行厭氧消化試驗，發(fā)現(xiàn)經(jīng)NaOH和氨水處理后，產(chǎn)氣量可提高約50％[8]；Luo等人發(fā)現(xiàn)，在常溫下，經(jīng)過8%NaOH對玉米秸進(jìn)行化學(xué)處理后，玉米秸的可生物降解性能得到了明顯提高，產(chǎn)氣率提高了約48.3%[9]?；瘜W(xué)法具有處理方法簡單、時間短、效果好等優(yōu)點，但化學(xué)處理劑有可能產(chǎn)生二次污染。

（2）適合秸稈物料特性的高效厭氧消化反應(yīng)器

秸稈的厭氧消化是在生物反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行的，因此，生物反應(yīng)器的性能對秸稈厭氧消化效率有著重要的影響?，F(xiàn)有厭氧消化反應(yīng)器主要用于高濃度有機(jī)污水、畜禽糞便和食品加工廢物等流態(tài)狀、易降解物料的消化和沼氣的生產(chǎn)，并已有著非常廣泛的應(yīng)用[10-13]。由于秸稈特殊的物料特性，這些反應(yīng)器都不能直接用于秸稈的厭氧消化。目前，國內(nèi)外針對秸稈物料特性的厭氧消化反應(yīng)器的研究很少，也未見有工程應(yīng)用的報道。少量研究大都集中在對常規(guī)厭氧消化反應(yīng)器的改進(jìn)方面。秸稈厭氧消化反應(yīng)器有其特殊的要求，它的設(shè)計必須結(jié)合秸稈的物料性質(zhì)，需要考慮：①秸稈是固態(tài)物料，不具有流動性，無法像畜禽糞便那樣直接通過螺桿泵進(jìn)料和出料，因此，在反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需要設(shè)計專門的進(jìn)出料裝置；②秸稈的密度小、體積大、吸水后體積膨脹、漂浮，反應(yīng)器內(nèi)發(fā)酵料與微生物不能充分接觸，營養(yǎng)物的傳質(zhì)效果差，因此，需要獨特設(shè)計的攪拌系統(tǒng)，以解決強(qiáng)化傳熱、傳質(zhì)和混合問題；③由于進(jìn)、出料困難，秸稈厭氧消化反應(yīng)器一般采用臥式設(shè)計，以減少進(jìn)料高度和方便出料。

（3）秸稈發(fā)酵工藝及參數(shù)優(yōu)化

由于秸稈的理化學(xué)性質(zhì)及其生物降解特性的不同，秸稈厭氧消化和一般物料（如畜禽糞便等）的厭氧消化工藝和參數(shù)有很大的不同。在厭氧消化工藝組成方面：①為改善秸稈的可生物消化性能，需要增加前處理工序—預(yù)處理過程；②由于進(jìn)出料困難，一般采用批式或半連續(xù)進(jìn)出料，發(fā)酵工藝也就相應(yīng)地采用批式或半連續(xù)方式；③沼液全部循環(huán)利用，無需沼液的處理及其處理設(shè)施。在消化參數(shù)方面：①秸稈含有較多難降解的成分，因此需要較長的消化時間。一般牛糞的消化時間為25-30天，豬糞為20-25天，未經(jīng)處理的稻草、麥秸和玉米秸的消化時間在60-90天，甚至更長，經(jīng)過各種預(yù)處理的秸稈的消化時間有所縮短，但比糞便的消化時間也長；②在采用“批式”厭氧發(fā)酵工藝時，為防止酸化，有機(jī)負(fù)荷率相對較低。畜禽糞便的進(jìn)料濃度一般在8-10%TS之間，未處理秸稈一般在4-5%TS，預(yù)處理秸稈在5-8%TS；③由于消化時間長，在相同消化率和總產(chǎn)氣量的情況下，容積產(chǎn)氣率比較低；④由于有機(jī)負(fù)荷率低和消化時間長，消化相同物料時，所需反應(yīng)器的體積比較大，這樣會增加建設(shè)投資，主要是發(fā)酵罐的建設(shè)費(fèi)用。由于上述消化工藝和參數(shù)方面的不同，秸稈厭氧消化有其自身的特點和要求，這些都需要進(jìn)行針對性的研究，需要通過實驗研究和工程驗證，最終確定秸稈最佳厭氧消化工藝和參數(shù)。

3秸稈高效厭氧消化工藝與特點

針對2中提及的秸稈高效厭氧消化技術(shù)難點，北京化工大學(xué)開展了多年系統(tǒng)化的研究。發(fā)明了氫氧化鈉固態(tài)化學(xué)預(yù)處理方法，研制出了帶強(qiáng)化攪拌的新型臥式厭氧消化反應(yīng)器，并確定了稻草、麥秸和玉米秸的發(fā)酵工藝和優(yōu)化發(fā)酵參數(shù)。通過把上述三項技術(shù)組合到一起，建立了完整、高效的秸稈厭氧消化工藝（如圖1）。

圖1秸稈高效厭氧發(fā)酵工藝流程圖

秸稈首先通過機(jī)械搓揉，搓揉后的秸稈在常溫下進(jìn)行2-3周氫氧化鈉固態(tài)化學(xué)預(yù)處理，預(yù)處理后的秸稈被投入臥式厭氧發(fā)酵罐中進(jìn)行發(fā)酵；發(fā)酵結(jié)束后，先把沼液排放到沼液暫存池中，然后，再排放沼渣。在排放時，沼渣和沼液通過發(fā)酵罐內(nèi)特殊的分離器實現(xiàn)物理分離，排出的沼渣含水率較低（60%左右），沼渣不含流動水，可直接用作有機(jī)肥料，運(yùn)輸和施用非常方便。沼液暫存在暫存池中，待下一批次秸稈發(fā)酵時，再返回到發(fā)酵罐中，用于調(diào)節(jié)發(fā)酵料的水分和進(jìn)行接種，無需外排，從而徹底解決了沼液后續(xù)處理和可能導(dǎo)致的環(huán)境污染問題。產(chǎn)生的沼氣經(jīng)凈化后貯存，再通過管網(wǎng)輸送到用戶。該發(fā)酵工藝的特點是：

（1）

氫氧化鈉固態(tài)化學(xué)預(yù)處理可顯著改善秸稈的可厭氧消化性能，解決秸稈難以厭氧消化、產(chǎn)氣率低這一難題。與未處理秸稈相比，經(jīng)氫氧化鈉化學(xué)處理后，秸稈的產(chǎn)氣量可提高50%-120%；固態(tài)化學(xué)預(yù)處理不產(chǎn)生任何廢液，沒有任何環(huán)境問題，而且在常溫下進(jìn)行，處理方法簡單，處理成本低。

（2）

針對秸稈密度小、體積大，不具有流動性，進(jìn)出料困難的物料特性，創(chuàng)新性地設(shè)計出了秸稈厭氧發(fā)酵專用臥式反應(yīng)器。該反應(yīng)器采用臥式布置，帶有強(qiáng)化攪拌裝置，可大大提高發(fā)酵料與微生物之間的傳熱、傳質(zhì)效果，顯著提高發(fā)酵效率；采用批式厭氧消化，進(jìn)、出料完全機(jī)械化，自動化程度高。

（3）

產(chǎn)氣時間長、發(fā)酵效率高。通過化學(xué)預(yù)處理后，秸稈的產(chǎn)氣率明顯提高，可以達(dá)到豬糞的產(chǎn)氣率水平，而且發(fā)酵時間長，沼氣產(chǎn)氣時間可長達(dá)50-60天。

（4）

秸稈原料充足、分布廣泛。全國各地都有秸稈，有秸稈的地方就可以建設(shè)規(guī)?；慕斩捳託馍a(chǎn)廠，沼氣生產(chǎn)不受原料、地域的限制，從根本上改變了目前沼氣生產(chǎn)大多以畜禽糞便為原料，原料來源受限制，沒有養(yǎng)殖場的地方就無法生產(chǎn)沼氣的問題。

（5）

原料來源可以多樣化。既可完全使用秸稈為原料生產(chǎn)沼氣，在秸稈不足時，也可采用秸稈與糞便、生活垃圾等混合發(fā)酵，而且，配比不受限制，運(yùn)轉(zhuǎn)靈活，適應(yīng)性強(qiáng)。

（6）

可實現(xiàn)真正意義上的生態(tài)循環(huán)和高效利用。秸稈沼氣產(chǎn)生的沼渣呈固態(tài)，可直接作為有機(jī)肥料使用；沼液可全部循環(huán)利用，沒有沼液的排放，是一個完全符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)要求的清潔生產(chǎn)過程。與以畜禽糞便為原料生產(chǎn)沼氣相比，徹底解決了其沼渣、沼液難以處理和利用，容易造成二次污染的問題；與秸稈熱解氣化相比，秸稈沼氣生產(chǎn)不產(chǎn)生焦油、廢水和廢氣等污染物，產(chǎn)生的沼氣熱值高、品位好，是一個環(huán)境友好的生物加工過程，

4推廣應(yīng)用

在農(nóng)業(yè)部可再生能源處的支持下，利用北京化工大學(xué)研究出的秸稈化學(xué)預(yù)處理技術(shù)、專用高效反應(yīng)器技術(shù)和消化工藝，2001年，在山東泰安建成了我國第一個完全以秸稈為原料的厭氧消化生產(chǎn)沼氣的集中供氣示范項目。該項目發(fā)酵罐總?cè)莘e500m3建成，可為全村160戶農(nóng)戶提供生活用能。經(jīng)過3年多的實際運(yùn)行，證明可完全滿足實際生產(chǎn)的需要，并通過了農(nóng)業(yè)部組織的驗收。2006年，農(nóng)業(yè)部又支持在黑龍江農(nóng)墾海林農(nóng)場建設(shè)了一個3000m3的完全以稻草和麥秸為原料的大型秸稈沼氣工程。2007年，北京市又利用該技術(shù)在順義區(qū)建成了一個1000m3的以玉米秸為原料的集中供氣工程，可為500戶的村莊提供生活用能（圖1-4）。

圖1被丟棄在田間的秸稈

圖2化學(xué)預(yù)處理后的秸稈被送入發(fā)酵罐

圖3秸稈沼氣生產(chǎn)與集中供氣工程（山東）

圖4秸稈沼氣生產(chǎn)與集中供氣工程（北京）

5討論

以秸稈為原料生產(chǎn)沼氣，原料來源充足、分布廣泛，不受時間和空間限制，不產(chǎn)生沼液、焦油、廢水和廢氣等污染物，可實現(xiàn)秸稈的完全生態(tài)循環(huán)和高效利用。它不僅可以解決我國大量秸稈的環(huán)境污染問題，還可為我國的沼氣生產(chǎn)開辟新的大宗原料來源，為在更大規(guī)模和更大范圍推廣沼氣提供原料保障，為正在深入發(fā)展的社會主義新農(nóng)村建設(shè)服務(wù)，具有十分廣闊的推廣應(yīng)用前景。由于秸稈理化性質(zhì)和難生物降解的特性，要實現(xiàn)秸稈的高效厭氧消化，需要從多方面和整個工藝系統(tǒng)來考慮，其關(guān)鍵是預(yù)處理技術(shù)、專用反應(yīng)器的研制和優(yōu)化工藝參數(shù)的確定。北京化工大學(xué)經(jīng)過多年的實驗研究和工程示范，已經(jīng)在這些方面取得了重要突破，并已開始推廣應(yīng)用。該技術(shù)為我國秸稈的能源化轉(zhuǎn)化和生態(tài)循環(huán)利用提供了新的方法。

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通訊李秀金，教授，Email:xjli@

項目來源：國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863）項目（2006AA10Z425）、農(nóng)業(yè)部可再生能源研究專項基金（N010203）被丟棄在田間的秸稈化學(xué)預(yù)處理后的秸稈被送入發(fā)酵罐秸稈沼氣生產(chǎn)與集中供氣工程（山東）秸稈沼氣生產(chǎn)與集中供氣工程（北京）秸稈沼氣生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)沼氣,秸稈,技術(shù),關(guān)鍵,生產(chǎn)鵝實踐形證明仔，利困用秸槽稈為神原料央生產(chǎn)踐沼氣錄是實格現(xiàn)秸加稈高姓效、截清潔酸利用母的有杠效途冶徑。萍

袋秸稈瀉沼氣劣生產(chǎn)宅關(guān)鍵財技術(shù)簽

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