以秸秆为原料规模化生产沼气关键技术与推广应用

以秸秆为原料规模化生产沼气关键技术与推广应用沼气,秸秆,原料,关键,规模化以秸秆为原料规模化生产沼气关键技术与推广应用北京化工大学资源与环境研究中心李秀金教授摘要：以秸秆为原料生产沼气不仅可解决我国秸秆的环境污染问题，还可解决沼气大规模推广需要的大宗原料问题。要实现秸秆高效厌氧消化和工程应用，需要解决秸秆预处理技术、专用反应器研制和发酵工艺参数优化三个关键技术问题。介绍了北京化工大学在此方面的研究成果及其秸秆高效厌氧消化工艺和工程应用情况，以为我国秸秆的能源化转化和生态循环利用提供新的技术。关键词：秸秆；沼气；关键技术；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发展秸秆沼气的必要性我国是世界上最大的农业生产国，每年产生各类作物秸秆6亿多吨，其利用率约为33%，其中经过技术处理利用的仅占2.6%[1]。大量秸秆未被利用，不仅浪费了资源，而且还由于大量秸秆的露天焚烧，导致严重的大气污染、并引发火灾和影响高速公路与民航的运行安全。因此，如何有效的处理和利用秸秆是我国农村面临的主要资源环境问题之一。另一方面，目前全国已建成户用沼气池2200多万户，建成畜禽养殖场大中型沼气工程2000多处，年产沼气总量达到70亿多立方米。计划到2010年，我国户用沼气总数要达到4000万户，2006年要达到6000万户。但是，我国目前沼气生产的主要原料是畜禽粪便，畜禽粪便只有在有养殖场的地方才可获得，并不是所有的地方都有。随着户用沼气的推广和社会主义新农村建设的发展，村镇建设趋于规模化，我国沼气生产需要在更大规模和更大范围内进行推广，沼气生产原料问题就逐步显露了出来，并将成为制约我国沼气大规模推广应用的“瓶颈”，因此，迫切需要开发其他的原料来源。秸秆分布在我国广大的种植区域，呈“面”分布，来源十分广泛，数量巨大，可充分利用，不像畜禽粪便那样受区域限制，是除畜禽粪便外，最便于利用的大宗沼气生产原料。但是，由于秸秆不同的理化性质和难生物降解特性，目前，秸秆尚没有大规模用于沼气的生产。研究以秸秆为原料生产沼气技术显得十分必要，它对解决日益严重的秸秆污染问题，开发可再生清洁能源具有重要的意义，并具有更为广阔的发展前景。也因此，2007年，农业部把秸秆沼气生产技术列为我国农业和农村“十大节能减排技术”之首。2秸秆沼气生产关键技术通过厌氧消化可以把秸秆转化成沼气。厌氧消化本身并不是什么新技术，它已被广泛地用于多种有机废弃物的厌氧消化。常用的厌氧消化原料是人畜粪便、生活垃圾、活性污泥等易降解有机物。作物秸秆常作为厌氧消化的“配料”使用，一般都不以作物秸秆为“主原料”进行厌氧消化生产沼气。主要原因是作物秸秆的木质纤维素含量高，不易被厌氧菌消化，并且由于木质素在植物细胞壁中常与纤维素、半纤维素、碳水化合物等成分“包裹”在一起，还会进一步阻碍厌氧菌对半纤维素和纤维素的作用，导致物料的整体消化效率不高、产气量低，投入产出效益差；此外，缺乏适合作物秸秆物料特性并能高效运行的厌氧消化反应器也是一个重要原因。发达国家一般都是以工业生产为主，对农业废弃物—秸秆的利用技术方面的研究较少。瑞典在利用秸秆生产沼气方面有所研究，但也没有工程化的实际应用。近年来，我国对秸秆生物气化技术开展了一些研究，例如，北京合百意公司研究出来的秸秆发酵菌种，成都沼科所研究出的堆沤预处理技术等，但这些研究大多集中在作物秸秆物理、生物预处理和现有厌氧消化反应器的改进两个方面；并且，单项技术研究的多，系统化的研究很少。由于作物秸秆的理化性质和难以生物消化的特性，只靠某个单项技术的改进很难达到显著提高秸秆厌氧消化效率的目的，因此，需要从几个方面着手。秸秆高效厌氧消化生产沼气需要解决三个关键技术问题。（1）秸秆预处理技术秸秆的木质纤维素含量较高，不易被厌氧菌消化，厌氧发酵产气量低，经济效益差，这是导致秸秆不能被大规模用于沼气生产的主要原因。一个简单有效的解决方法就是在厌氧发酵前，对秸秆进行物理、化学或生物预处理，把秸秆预先转化成易于消化的“食料”，以显著提高秸秆的生物消化性能、产气率和经济性。常用的预处理方法有物理、化学与生物方法等[2、3、4、5]。物理方法主要有切碎、粉碎、汽爆等。Zhang报告经粉碎的稻草比未经处理的稻草产气量最多可提高17%[2]，可见处理效果是有限的。生物法的研究主要集中在菌种的筛选和发酵条件优化方面。目前研究最多的微生物是白腐真菌。Muller研究发现，经P.florida降解后的麦秸的产气量比未处理的麦秸提高了约一倍[5]。Mehta等发现经P.florida降解的稻草的产气量最多可提高8倍[6]。Yang等发现经P.sajor-caju处理过的玉米秸的产气量比未处理的提高了57.5%[7]。生物方法具有环境友好、处理效率高等优点，但需要无菌操作条件和专门的培养设施，目前有关研究较多，实际应用很少。化学法主要利用酸和碱等化学物质对秸秆进行预处理，通过化学作用破坏秸秆的内部结构，从而提高秸秆的厌氧消化性能。Colleran等对经化学处理的麦秸进行厌氧消化试验，发现经NaOH和氨水处理后，产气量可提高约50％[8]；Luo等人发现，在常温下，经过8%NaOH对玉米秸进行化学处理后，玉米秸的可生物降解性能得到了明显提高，产气率提高了约48.3%[9]。化学法具有处理方法简单、时间短、效果好等优点，但化学处理剂有可能产生二次污染。（2）适合秸秆物料特性的高效厌氧消化反应器秸秆的厌氧消化是在生物反应器内进行的，因此，生物反应器的性能对秸秆厌氧消化效率有着重要的影响。现有厌氧消化反应器主要用于高浓度有机污水、畜禽粪便和食品加工废物等流态状、易降解物料的消化和沼气的生产，并已有着非常广泛的应用[10-13]。由于秸秆特殊的物料特性，这些反应器都不能直接用于秸秆的厌氧消化。目前，国内外针对秸秆物料特性的厌氧消化反应器的研究很少，也未见有工程应用的报道。少量研究大都集中在对常规厌氧消化反应器的改进方面。秸秆厌氧消化反应器有其特殊的要求，它的设计必须结合秸秆的物料性质，需要考虑：①秸秆是固态物料，不具有流动性，无法像畜禽粪便那样直接通过螺杆泵进料和出料，因此，在反应器结构设计时，需要设计专门的进出料装置；②秸秆的密度小、体积大、吸水后体积膨胀、漂浮，反应器内发酵料与微生物不能充分接触，营养物的传质效果差，因此，需要独特设计的搅拌系统，以解决强化传热、传质和混合问题；③由于进、出料困难，秸秆厌氧消化反应器一般采用卧式设计，以减少进料高度和方便出料。（3）秸秆发酵工艺及参数优化由于秸秆的理化学性质及其生物降解特性的不同，秸秆厌氧消化和一般物料（如畜禽粪便等）的厌氧消化工艺和参数有很大的不同。在厌氧消化工艺组成方面：①为改善秸秆的可生物消化性能，需要增加前处理工序—预处理过程；②由于进出料困难，一般采用批式或半连续进出料，发酵工艺也就相应地采用批式或半连续方式；③沼液全部循环利用，无需沼液的处理及其处理设施。在消化参数方面：①秸秆含有较多难降解的成分，因此需要较长的消化时间。一般牛粪的消化时间为25-30天，猪粪为20-25天，未经处理的稻草、麦秸和玉米秸的消化时间在60-90天，甚至更长，经过各种预处理的秸秆的消化时间有所缩短，但比粪便的消化时间也长；②在采用“批式”厌氧发酵工艺时，为防止酸化，有机负荷率相对较低。畜禽粪便的进料浓度一般在8-10%TS之间，未处理秸秆一般在4-5%TS，预处理秸秆在5-8%TS；③由于消化时间长，在相同消化率和总产气量的情况下，容积产气率比较低；④由于有机负荷率低和消化时间长，消化相同物料时，所需反应器的体积比较大，这样会增加建设投资，主要是发酵罐的建设费用。由于上述消化工艺和参数方面的不同，秸秆厌氧消化有其自身的特点和要求，这些都需要进行针对性的研究，需要通过实验研究和工程验证，最终确定秸秆最佳厌氧消化工艺和参数。3秸秆高效厌氧消化工艺与特点针对2中提及的秸秆高效厌氧消化技术难点，北京化工大学开展了多年系统化的研究。发明了氢氧化钠固态化学预处理方法，研制出了带强化搅拌的新型卧式厌氧消化反应器，并确定了稻草、麦秸和玉米秸的发酵工艺和优化发酵参数。通过把上述三项技术组合到一起，建立了完整、高效的秸秆厌氧消化工艺（如图1）。图1秸秆高效厌氧发酵工艺流程图秸秆首先通过机械搓揉，搓揉后的秸秆在常温下进行2-3周氢氧化钠固态化学预处理，预处理后的秸秆被投入卧式厌氧发酵罐中进行发酵；发酵结束后，先把沼液排放到沼液暂存池中，然后，再排放沼渣。在排放时，沼渣和沼液通过发酵罐内特殊的分离器实现物理分离，排出的沼渣含水率较低（60%左右），沼渣不含流动水，可直接用作有机肥料，运输和施用非常方便。沼液暂存在暂存池中，待下一批次秸秆发酵时，再返回到发酵罐中，用于调节发酵料的水分和进行接种，无需外排，从而彻底解决了沼液后续处理和可能导致的环境污染问题。产生的沼气经净化后贮存，再通过管网输送到用户。该发酵工艺的特点是：（1）氢氧化钠固态化学预处理可显著改善秸秆的可厌氧消化性能，解决秸秆难以厌氧消化、产气率低这一难题。与未处理秸秆相比，经氢氧化钠化学处理后，秸秆的产气量可提高50%-120%；固态化学预处理不产生任何废液，没有任何环境问题，而且在常温下进行，处理方法简单，处理成本低。（2）针对秸秆密度小、体积大，不具有流动性，进出料困难的物料特性，创新性地设计出了秸秆厌氧发酵专用卧式反应器。该反应器采用卧式布置，带有强化搅拌装置，可大大提高发酵料与微生物之间的传热、传质效果，显著提高发酵效率；采用批式厌氧消化，进、出料完全机械化，自动化程度高。（3）产气时间长、发酵效率高。通过化学预处理后，秸秆的产气率明显提高，可以达到猪粪的产气率水平，而且发酵时间长，沼气产气时间可长达50-60天。（4）秸秆原料充足、分布广泛。全国各地都有秸秆，有秸秆的地方就可以建设规模化的秸秆沼气生产厂，沼气生产不受原料、地域的限制，从根本上改变了目前沼气生产大多以畜禽粪便为原料，原料来源受限制，没有养殖场的地方就无法生产