以秸稈為原料規(guī)模化生產沼氣關鍵技術與推廣應用

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以秸稈為原料規(guī)模化生產沼氣關鍵技術與推廣應用北京化工大學資源與環(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。要實現秸稈高效厭氧消化和工程應用，需要解決秸稈預處理技術、專用反應器研制和發(fā)酵工藝參數優(yōu)化三個關鍵技術問題。介紹了北京化工大學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用情況，以為我國秸稈的能源化轉化和生態(tài)循環(huán)利用提供新的技術。關鍵詞：秸稈；沼氣；關鍵技術；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;projectdemonstration1發(fā)展秸稈沼氣的必要性我國是世界上最大的農業(yè)生產國，每年產生各類作物秸稈6億多噸，其利用率約為33%，其中經過技術處理利用的僅占2.6%[1]。大量秸稈未被利用，不僅浪費了資源，而且還由于大量秸稈的露天焚燒，導致嚴重的大氣污染、并引發(fā)火災和影響高速公路與民航的運行安全。因此，如何有效的處理和利用秸稈是我國農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，年產沼氣總量達到70億多立方米。計劃到2010年，我國戶用沼氣總數要達到4000萬戶，2006年要達到6000萬戶。但是，我國目前沼氣生產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村建設的發(fā)展，村鎮(zhèn)建設趨于規(guī)?；?，我國沼氣生產需要在更大規(guī)模和更大范圍內進行推廣，沼氣生產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原料。但是，由于秸稈不同的理化性質和難生物降解特性，目前，秸稈尚沒有大規(guī)模用于沼氣的生產。研究以秸稈為原料生產沼氣技術顯得十分必要，它對解決日益嚴重的秸稈污染問題，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，農業(yè)部把秸稈沼氣生產技術列為我國農業(yè)和農村“十大節(jié)能減排技術”之首。2秸稈沼氣生產關鍵技術通過厭氧消化可以把秸稈轉化成沼氣。厭氧消化本身并不是什么新技術，它已被廣泛地用于多種有機廢棄物的厭氧消化。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”進行厭氧消化生產沼氣。主要原因是作物秸稈的木質纖維素含量高，不易被厭氧菌消化，并且由于木質素在植物細胞壁中常與纖維素、半纖維素、碳水化合物等成分“包裹”在一起，還會進一步阻礙厭氧菌對半纖維素和纖維素的作用，導致物料的整體消化效率不高、產氣量低，投入產出效益差；此外，缺乏適合作物秸稈物料特性并能高效運行的厭氧消化反應器也是一個重要原因。發(fā)達國家一般都是以工業(yè)生產為主，對農業(yè)廢棄物—秸稈的利用技術方面的研究較少。瑞典在利用秸稈生產沼氣方面有所研究，但也沒有工程化的實際應用。近年來，我國對秸稈生物氣化技術開展了一些研究，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處理技術等，但這些研究大多集中在作物秸稈物理、生物預處理和現有厭氧消化反應器的改進兩個方面；并且，單項技術研究的多，系統化的研究很少。由于作物秸稈的理化性質和難以生物消化的特性，只靠某個單項技術的改進很難達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沼氣需要解決三個關鍵技術問題。（1）秸稈預處理技術秸稈的木質纖維素含量較高，不易被厭氧菌消化，厭氧發(fā)酵產氣量低，經濟效益差，這是導致秸稈不能被大規(guī)模用于沼氣生產的主要原因。一個簡單有效的解決方法就是在厭氧發(fā)酵前，對秸稈進行物理、化學或生物預處理，把秸稈預先轉化成易于消化的“食料”，以顯著提高秸稈的生物消化性能、產氣率和經濟性。常用的預處理方法有物理、化學與生物方法等[2、3、4、5]。物理方法主要有切碎、粉碎、汽爆等。Zhang報告經粉碎的稻草比未經處理的稻草產氣量最多可提高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，經P.florida降解后的麥秸的產氣量比未處理的麥秸提高了約一倍[5]。Mehta等發(fā)現經P.florida降解的稻草的產氣量最多可提高8倍[6]。Yang等發(fā)現經P.sajor-caju處理過的玉米秸的產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)設施，目前有關研究較多，實際應用很少。化學法主要利用酸和堿等化學物質對秸稈進行預處理，通過化學作用破壞秸稈的內部結構，從而提高秸稈的厭氧消化性能。Colleran等對經化學處理的麥秸進行厭氧消化試驗，發(fā)現經NaOH和氨水處理后，產氣量可提高約50％[8]；Luo等人發(fā)現，在常溫下，經過8%NaOH對玉米秸進行化學處理后，玉米秸的可生物降解性能得到了明顯提高，產氣率提高了約48.3%[9]?；瘜W法具有處理方法簡單、時間短、效果好等優(yōu)點，但化學處理劑有可能產生二次污染。（2）適合秸稈物料特性的高效厭氧消化反應器秸稈的厭氧消化是在生物反應器內進行的，因此，生物反應器的性能對秸稈厭氧消化效率有著重要的影響?，F有厭氧消化反應器主要用于高濃度有機污水、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，并已有著非常廣泛的應用[10-13]。由于秸稈特殊的物料特性，這些反應器都不能直接用于秸稈的厭氧消化。目前，國內外針對秸稈物料特性的厭氧消化反應器的研究很少，也未見有工程應用的報道。少量研究大都集中在對常規(guī)厭氧消化反應器的改進方面。秸稈厭氧消化反應器有其特殊的要求，它的設計必須結合秸稈的物料性質，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料和出料，因此，在反應器結構設計時，需要設計專門的進出料裝置；②秸稈的密度小、體積大、吸水后體積膨脹、漂浮，反應器內發(fā)酵料與微生物不能充分接觸，營養(yǎng)物的傳質效果差，因此，需要獨特設計的攪拌系統，以解決強化傳熱、傳質和混合問題；③由于進、出料困難，秸稈厭氧消化反應器一般采用臥式設計，以減少進料高度和方便出料。（3）秸稈發(fā)酵工藝及參數優(yōu)化由于秸稈的理化學性質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—預處理過程；②由于進出料困難，一般采用批式或半連續(xù)進出料，發(fā)酵工藝也就相應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施。在消化參數方面：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，經過各種預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，有機負荷率相對較低。畜禽糞便的進料濃度一般在8-10%TS之間，未處理秸稈一般在4-5%TS，預處理秸稈在5-8%TS；③由于消化時間長，在相同消化率和總產氣量的情況下，容積產氣率比較低；④由于有機負荷率低和消化時間長，消化相同物料時，所需反應器的體積比較大，這樣會增加建設投資，主要是發(fā)酵罐的建設費用。由于上述消化工藝和參數方面的不同，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。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難點，北京化工大學開展了多年系統化的研究。發(fā)明了氫氧化鈉固態(tài)化學預處理方法，研制出了帶強化攪拌的新型臥式厭氧消化反應器，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。通過把上述三項技術組合到一起，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械搓揉，搓揉后的秸稈在常溫下進行2-3周氫氧化鈉固態(tài)化學預處理，預處理后的秸稈被投入臥式厭氧發(fā)酵罐中進行發(fā)酵；發(fā)酵結束后，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)酵罐內特殊的分離器實現物理分離，排出的沼渣含水率較低（60%左右），沼渣不含流動水，可直接用作有機肥料，運輸和施用非常方便。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，用于調節(jié)發(fā)酵料的水分和進行接種，無需外排，從而徹底解決了沼液后續(xù)處理和可能導致的環(huán)境污染問題。產生的沼氣經凈化后貯存，再通過管網輸送到用戶。該發(fā)酵工藝的特點是：（1）

氫氧化鈉固態(tài)化學預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、產氣率低這一難題。與未處理秸稈相比，經氫氧化鈉化學處理后，秸稈的產氣量可提高50%-120%；固態(tài)化學預處理不產生任何廢液，沒有任何環(huán)境問題，而且在常溫下進行，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，進出料困難的物料特性，創(chuàng)新性地設計出了秸稈厭氧發(fā)酵專用臥式反應器。該反應器采用臥式布置，帶有強化攪拌裝置，可大大提高發(fā)酵料與微生物之間的傳熱、傳質效果，顯著提高發(fā)酵效率；采用批式厭氧消化，進、出料完全機械化，自動化程度高。（3）

產氣時間長、發(fā)酵效率高。通過化學預處理后，秸稈的產氣率明顯提高，可以達到豬糞的產氣率水平，而且發(fā)酵時間長，沼氣產氣時間可長達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規(guī)模化的秸稈沼氣生產廠，沼氣生產不受原料、地域的限制，從根本上改變了目前沼氣生產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，運轉靈活，適應性強。（6）

可實現真正意義上的生態(tài)循環(huán)和高效利用。秸稈沼氣產生的沼渣呈固態(tài)，可直接作為有機肥料使用；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)經濟要求的清潔生產過程。與以畜禽糞便為原料生產沼氣相比，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，秸稈沼氣生產不產生焦油、廢水和廢氣等污染物，產生的沼氣熱值高、品位好，是一個環(huán)境友好的生物加工過程，4推廣應用在農業(yè)部可再生能源處的支持下，利用北京化工大學研究出的秸稈化學預處理技術、專用高效反應器技術和消化工藝，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沼氣的集中供氣示范項目。該項目發(fā)酵罐總容積500m3建成，可為全村160戶農戶提供生活用能。經過3年多的實際運行，證明可完全滿足實際生產的需要，并通過了農業(yè)部組織的驗收。2006年，農業(yè)部又支持在黑龍江農墾海林農場建設了一個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化學預處理后的秸稈被送入發(fā)酵罐圖3秸稈沼氣生產與集中供氣工程（山東）

圖4秸稈沼氣生產與集中供氣工程（北京）5討論以秸稈為原料生產沼氣，原料來源充足、分布廣泛，不受時間和空間限制，不產生沼液、焦油、廢水和廢氣等污染物，可實現秸稈的完全生態(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)展的社會主義新農村建設服務，具有十分廣闊的推廣應用前景。由于秸稈理化性質和難生物降解的特性，要實現秸稈的高效厭氧消化，需要從多方面和整個工藝系統來考慮，其關鍵是預處理技術、專用反應器的研制和優(yōu)化工藝參數的確定。北京化工大學經過多年的實驗研究和工程示范，已經在這些方面取得了重要突破，并已開始推廣應用。該技術為我國秸稈的能源化轉化和生態(tài)循環(huán)利用提供了新的方法。參考文獻：[1]卞有生，生態(tài)農業(yè)中廢棄物的處理與再生利用[M]。北京：化學工業(yè)出版社，2000，125-134.[2]Zhang,Z.,R.Zhang.Anaerobicphasedsolidsdigestersystemforbiogasificationofagriculturalandfoodwastes.Ph.Ddissertation,UniversityofCaliforniaatDavis,2000.[3]Rubio,M.J.F.,Tortosa,J.Q.&Gomez,D.(1998),Fractionationoflignocellulosicssolubilizationofcornstalkhemicellulosesbyautohydrolysisinaqueousmedium。BiomassandBioenergy[J]，1998，15(6):483-491.[4]Dale,B.E.，Moreira,M.J.AFreeze-explosiontechniqueforincreasingcellulosehydrolysis.Biotech.Bioeng.Symp.[J]，1982，12:31-43.[5]Muller,H.W.andTrosch,W..Screeningofwhite-rotfungiforbiologicalpretreatmentofwheatstrawforbiogasproduction.Appl.Microbiol.Biotechnol。[J]，1986，24:180-185.[6]Metha,V.,Gupta,J.K.andKaushal,S.C..CultivationofPleurotusfloridamushroomonricestrawandbiogasproductionfromthespentstraw.WorldJournalofMicrobiologyandBiotechnology[J]，1990，6,366-370.[7]YangDongyan,LiXiujin.Improvingbiogasproductionofcornstalkthroughchemicalandbiologicalpretreatment:apreliminarycomparisonstudy.TransactionsoftheCASE[J]，2003.19(5):209-212.[8]Colleran,E.Barry,M.&Wikie,A.Theapplicationoftheanaerobicfilterdesigntobiogasproductionfromsolidandliquidagriculturalwastes.Insymposium

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實踐證明，利用秸稈為原料生產沼氣是實現秸稈高效、清潔利用的有效途徑。秸稈沼氣生產關鍵技術秸稈沼氣技術就是我們通常所說的厭氧發(fā)酵技術。厭氧發(fā)酵生產沼氣技術已被廣泛地用于人畜糞便、食品廢物和有機生活垃圾等的處理和能源化轉化。但是，由于秸稈的木質纖維素含量高、消化率低、產氣量少，因此秸稈常作為人畜糞便厭氧發(fā)酵的配料使用，在以秸稈為主原料生產沼氣方面的研究一直很少。由于秸稈的物料特性與常規(guī)物料（如畜禽糞便）有明顯的不同，因此要投入實際生產，還有一些關鍵技術問題需要解決。這些關鍵技術包括：