以秸秆为主的农业废弃物厌氧干发酵沼气技术

以秸秆为主的农业废弃物厌氧干发酵沼气工艺我国是世界上可再生能源原料产出量最大的国家，每年产出的农业固体废弃物、畜禽粪便、农作物秸秆、蔬菜废弃物、乡镇生活垃圾和人类粪便既是宝贵资源，又是严重污染源。在当前煤、电、液化气等不断向农村普及的情况下，加快发展秸秆沼气，对于减轻农村地区对煤、电、液化气等不可再生能源的消耗和依赖，缓解我国的能源消费压力。通过沼发酵获取生物能源是农作物秸秆的资源化利用是一条非常有潜力的途径，沼气作为可再生能源，具有可再生性、成本低廉、对环境污染小、热值高等优点。目前户用沼气管理不规范，产气率和处理效率低，并且存在低温条件下难运行，冬季不能正常产气等缺点，目前规模化秸秆沼气存在技术设备不足，尤其是干发酵技术，由于干发酵原料的物质浓度高而导致的进出料难、传热传质不均匀、产气率低且产气不稳定等问题，这是干发酵的技术难点。本文主要介绍以秸秆为主并兼顾其他农村有机废弃物的新型干法发酵技术，采用工程化装备实现原料预处理、进出料的机械化和秸秆沼气干发酵产物的高值利用技术，这对提高我国包括秸秆在内的农业废弃物综合利用水平具有重大意义。一、厌氧干发酵特点生物质发酵类型根据原料发酵过程中氧气状况，生物质发酵可分为好氧发酵技术和厌氧发酵技术两类，好氧发酵技术在发酵的过程中排放大量NH3，既污染了环境，又损失了肥力，此项技术多用在生物质厌氧干发酵技术的原料预处理方面。根据发酵底物状态的不同，生物质厌氧发酵技术又可分为厌氧湿发酵技术和厌氧干发酵技术。厌氧湿发酵反应体系中的总固体含量一般在10%以内，厌氧湿发酵具有启动快、反应器建造管理技术成熟等优点，适合处理浓度较低的废水、废液，是当前处理有机污染物生产沼气的主流技术，但是该技术也有明显的缺点，如发酵所需的反应器容积较大，沼液和沼渣分离难，需要建较大的沼液池存贮沼液，占地面积大，并且需要大量的水，冬季耗能大，处理效率低，运行和后处理成本高等。而沼气干法发酵能够在干物质浓度较高的情况下仍能正常发酵（干物质浓度≥20%），能生产清洁能源和优质有机肥，基本上达到零排放，满足现代农业对友好环境、清洁能源和优质肥料的需求。并且厌氧干发酵能够保证全年正常生产，具有用水量少、冬季耗能低、占地省、产气率高、管理方便、后处理成本低等优点，目前已经广泛应用于大规模地处理畜禽粪便、农作物秸秆以及生活垃圾等农业固体废弃物，生产沼气和绿色有机肥，净化环境，创造经济效益，已经成为我国厌氧发酵技术的研究热点。二、我国沼气干发酵技术我国从20世纪80年代开始了户用沼气干发酵研究，研发出了自动排料沼气干发酵装置和相应的半连续干发酵工艺、分离储气恒压干发酵池和小型高效稳压式自动漫渗滤干发酵沼气池。我国开展大中型沼气干发酵技术研究室于21世纪初开始的，现在仍处于中试研究阶段，设计了卧式螺带式搅拌发酵罐来进行厌氧干发酵、覆膜槽生物反应器，改进和优化集成现有沼气技术，开发出新型规模化干法沼气发酵技术和成套设备。三、沼气干发酵装置类型及特点1、钢结构秸秆厌氧发酵装置钢结构秸秆厌氧发酵装置多采用钢板焊接或搪瓷拼装而成，分为立式发酵罐体和卧式发酵罐体两种，适合于低浓度（秸秆TS在10%以下）的湿发酵，原料输送用泵送方式，产气效率较高，但其存在进出料较难、投资成本较高，秸秆需要粉碎得较细（粒径在1cm左右）、运行能耗高等问题。2、弹性覆膜覆盖厌氧干发酵装置发酵池顶部采用弹性膜覆盖，弹性膜与发酵池上端面四周采用水密封或冲气圈密封，可分地上发酵池体和地下式发酵池体，其优点是使用弹性膜覆盖能一次性将池内余气排尽，保温性较好，但其出料较难，存在安全隐患、且不适用于底下水位较高的地区。农业部规划设计院研究的敞口式覆膜槽生物反应器，其特点是进出料方便，槽内多余气体能排尽，但其存在弹性膜密封面积过大，密封性很难保障，存在安全隐患等问题。另外这种覆膜槽深度浅，容量也不大。3、新型柔性顶膜车库式干发酵装置农业部南京农机化所研究开发的沼气厌氧干式发酵装置，可用装载机或铲车从设于发酵槽体侧壁的门内进出料（也可从顶部加料并压实），在工程意义上解决了沼气干法发酵进出料难的问题。进出料门采用钢骨玻璃钢结构，其四周采用充气密封圈密封，避免了大面积采用充气密封圈密封造成密封不安全、不可靠的问题；在发酵槽体上覆盖弹性膜，可直观判断反应器气囊中的沼气存量以及能将发酵槽体内的沼气排出干净，从而避免沼气安全事故的发生。弹性膜的密封采用水密封的结构，该水密封结构密封安全、可靠。四、国内外沼气干发酵原料预处理对发酵底物进行一定的预处理，不仅可以促进有机物的分解，而且还可以为微生物生长繁殖创造适宜的环境，增大微生物与发酵底物的接触面积。主要预处理方法有物理法、化学法、物理化学法、生物发。物理预处理是指去除畜禽粪便中的不易降解或不能降解的杂质（如塑料、石块等），对秸秆是进行切碎、研磨等处理。化学预处理是指酸碱浸泡和热处理，研究人员发现，采用不同温度处理对稻草结果是预处理的温度越高，甲烷生成量越多。生物预处理主要指发酵原料的好氧堆沤，使易于分解产酸的有机物在好氧条件下大部分分解掉，防止干发酵过程中易出现的酸化问题，研究表明，堆沤5d的畜禽粪便经接种后其PH值达到7，发酵就不会出现酸化现象。五、秸秆沼气干发酵前景以秸秆为原料生产沼气的技术可以为农村地区田间地头和房前屋后堆积的大量秸秆找到新的有效利用途径，减少资源浪费和环境污染。秸秆沼气发酵后不仅可以为农户提供清洁能源，而且厌氧消化后的沼渣还是优质的有机肥料，能有效地提高土地肥力和增强作物的抗逆能力。若能解决我国当前沼气发酵中存在的产气率低、产气不稳定、进出料难、传质传热效果差、增温保温功能低等关键问题，可促进我国沼气产业的快速健康发展，大规模沼气生产，减少污染，合理有效地开发和利用农作物秸秆等农业资源，应用和产业化前景非常广阔。当前虽然国内外均有大量的沼气干发酵工艺及设备的研究与应用，但针对我国沼气干发酵生产技术特点与应用水平，现有的沼气干发酵技术设备还存在诸多不足之处，需要进一步开发研究，对提升我国沼气干发酵技术水平具有较大推动作用。六、结语我国正面临能源危机和环境保护的双重压力，要实现经济快速增长和规模庞大的社会主义新农村建设，通过沼气发酵获取生物能源是农作物秸秆的资源化利用一条非常有效的途径。秸秆用于发酵产沼气可大大减少SO2、CO2、NO等排放，可有效实现节能减排、增收增效和减少环境污染的目的。