© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net收稿日期:2008204216 修回日期:2008206214
作者简介:武少菁(1983-),女,在读硕士研究生,主要从事可再生能源研究。通讯作者:刘圣勇,E2mail:liushy@vip.sina.com
秸秆干发酵产沼气技术的概述和展望武少菁,刘圣勇,王晓东,刘小二,王 森(河南农业大学农业部可再生能源重点开放实验室,河南郑州 450002)
摘 要:随着我国农村循环经济的发展,农作物秸秆作为一种可再生能源,它的开发利用也越来越受到人们的重视;本文主要提出了一种农作物秸秆资源化利用方式,即秸秆干发酵产沼气技术,介绍了它与传统发酵技术的区别,以及它的技术难点和研究现状,并对这项技术的未来发展进行了展望,指出了与传统发酵技术相比的优点所在和技术难点的解决方法,以及这项技术的发展前景。关键词:秸秆;资源化利用;干发酵;沼气中图分类号:S216.4;X705 文献标识码:A 文章编号:1000-1166(2008)04-0020-04
SummarizationandProspectofDryFermentationTeclonogyforStrawBiogasProduction/WUShao2jing,LIUSheng2yong,WANGXiao2dong,LIUXiao2er,WANGSen/(KeyLaboratoryofRenewableEnergy,HenanAgri2culturalUniversity,Zhengzhou450002,China)Abstract:Amethodofresourcereuseofcropstrawbydrybiogasfermentationwassummarizedanddiscussedinthispa2per.Itsdifferenceswithtraditionalfermentationtechnology,aswellastechnicaldifficultiesandresearchstatus,wereintro2duced,pointingoutthetechnicaldifficultiesandadvantagescomparingwiththetraditionaltechnology.Andthefuturede2velopmentandapplicationswereprospected.Keywords:cropstraw;resourcereuse;dryfermentation;biogas
我国是一个农业大国,农作物播种面积居世界第一位,据统计,目前我国每年秸秆产量大约有7亿吨[1]。在过去农作物秸秆多被作为燃料使用,但随着我国人民生活水平的不断提高,以及农村经济的发展和能源供应的改善,近些年来,农民对秸秆的燃烧利用也逐渐减少,剩余农作物秸秆的数量越来越大,据估计每年已达到4亿吨左右[2]。大量剩余秸秆的随地堆弃和任意焚烧,造成了大气污染、土壤矿化、火灾事故、堵塞交通等大量的社会、经济和生态问题[3];与此同时,秸秆作为一种可再生能源,蕴含着巨大的生物质能量,它的资源化利用,对节约能源、改善生态环境、实现社会的可持续发展,有着重大意义。虽然目前我国农作物秸秆的资源化利用技术正朝着多元化的方向发展,主要的资源化利用途径有秸秆肥料利用技术、秸秆饲料利用技术、秸秆原料利用技术以及秸秆能源利用技术等[4,5],国内外的理论研究和生产实践都取得了一定的成果,但是技术还不成熟,尤其由于秸秆本身的结构复杂,致使能量转换率不高,而利用率低、成本高,一定程度上制约了农作物秸秆的资源化利用。由于农作物秸秆在农村的储存量大,虽然部分已经得到资源化的利用,但是仍有剩余;加之秸秆资源化利用技术还不完善,又阻碍了资源化利用的大规模发展。所以,还需要继续寻找秸秆资源化利用的新技术,而发展秸秆干发酵产沼气技术就是一个很好的新方向。
1 秸秆干发酵产沼气技术的概述111 秸秆干发酵产沼气原理秸秆干发酵产沼气是水稻、玉米、花生等农作物秸秆作为原料,经过粉碎并添加发酵菌剂做堆沤等预处理后,加入沼气池进行厌氧发酵来生产沼气和有机肥料。农作物秸秆干发酵产沼气技术主要是以厌氧消化和生物酶技术为主。厌氧消化反应的主要机理是有机物在厌氧的条件下被微生物分解,转化成甲烷和二氧化碳等,并合成自身细胞物质的过程[6]。秸秆的厌氧消化反应是一个生物化学转化过程,一般可分三个阶段[7～8]:第一阶段是水解阶段,将秸秆中
不可溶复合有机物转化成可溶化合物;第二阶段是
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)© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net产酸阶段,可溶化合物再转化成短链酸与乙醇;第三阶段是产甲烷阶段,上述产物再经各种厌氧菌转化成为以甲烷与二氧化碳为主的可燃混合气体,即沼气。112 与传统发酵技术的区别传统的秸秆发酵技术都是采用湿发酵技术[9],即将秸秆与人畜粪便、工业废水等有机物混合,在厌氧菌的作用下生成沼气。而秸秆干发酵产沼气技术与传统的发酵技术相比有以下区别:(1)不需要大量的水。传统的发酵方法需要的水量较大,而干发酵的发酵池中的需水量远远少于湿法的用水量。(2)不需要接种物。秸秆干发酵的原料只有农作物秸秆,而传统的发酵还要有人畜粪便、工业废水等有机废弃物来作为接种物,和农作物秸秆在发酵池中共同作用,带动秸秆发酵最初的启动。(3)需要预处理。由于秸秆自身的结构复杂,不易分解,所以在入池前,要先对秸秆进行粉碎、添加发酵菌剂、堆沤等预处理,不能像传统的发酵那样,直接将原料加入发酵池中。(4)后处理容易。由于用水量少,几乎没有污水的排放,所以污水处理要比传统的发酵更容易,而且发酵后的剩余物中只有沼渣,不用进行脱水就可以作为有机肥利用。另外,干发酵产生的沼气的含硫量也低于传统的发酵,因此不用再对混合气体脱硫,可以直接利用。(5)装置简单。与传统的发酵装置相比,干发酵装置的结构更简单,因为原料秸秆已经经过预处理,不添加其他的接种物,所以发酵室内不需要安装搅拌器。113 秸秆干发酵的技术难点农作物秸秆细胞非常坚实,细胞壁的结构高度木质化,且细胞壁构成干物质的80%。其中的木质素作为秸秆细胞壁的主要成分,构成木质细胞壁的15%～30%。它在结构中含有生物化学上十分稳定的各种复杂结合形式,难于被一般微生物分解。尽管纤维素、半纤维素多糖类有机物质容易被微生物或酶分解,但是,木质素与半纤维素在一起,将纤维素紧紧包裹在内,成为外围基质,阻止纤维素与微生物和降解酶的接触[10]。因此,在秸秆厌氧发酵产甲烷过程中,厌氧微生物对木质纤维素的降解消化能力较弱,导致水解过程缓慢、水解程度低,从而影响随后的酸化和气化过程,表现为作物秸秆的厌氧消化时间长、消化效率低、产气量少、投入产出效率差等,从而限制了农作物秸秆用于生物气生产方面的大规模应用。114 研究现状国外对生物质能源和可再生能源利用的研究十分重视,其中沼气利用的研究和实践也取得进展。20世纪90年代以来,德国在间歇式干法沼气发酵技术的研发上取得了新的成绩,2002年生产出工业级装备并投入实际运行[11]。目前已经有科研单位和企业开发出了用于秸秆预处理的复合菌剂,在沼气发酵技术上取得了新突破[12]。据了解,农业部从2005年开始,就组织相关科研单位和企业开展秸秆沼气技术(也称秸秆生物气化)研发与示范,并且在江西、山东、江苏、浙江、四川、河南、北京、河北、辽宁、黑龙江和大连等11个省市的100多个县进行试点示范。北方以玉米秸秆和麦秸为主要原料,南方以稻草为主要原料,户用秸秆沼气和秸秆沼气集中供气试点成效十分明显[13]。
2 秸秆干发酵产沼气技术的展望211 发展背景条件近年来,秸秆产沼气在技术方面进行了许多探索,通过营养调节改善原料发酵特性、在反应器中增加格栅防止漂浮结壳、时差进料调节产气平衡、变换反应器接种物和接种浓度、加速反应启动以及改进发酵工艺调控反应条件等,提高了产气率,获得了有益成果,也为秸秆资源化利用进一步发展指明了方向[14]。但是,目前秸秆产沼气技术的研究[15],主要
是秸秆与其他接种物,如生活垃圾、人畜粪便等有机物混合后,在厌氧环境及一定的温度、酸碱度、水分、碳氮比条件下,通过微生物发酵作用生产沼气。但是随着农村经济的发展和农业结构调整,农村人畜分离趋势也在上升,接种物的来源也在减少。秸秆干发酵产沼气技术势在改变农村沼气只能以人畜粪便为主要发酵原料的传统做法,拓宽农村秸秆资源利用的途径,打破沼气建设对畜禽饲养的依赖性,使没有畜禽粪便的农户也能用上沼气。而且,发酵后的秸秆沼渣也可直接用作农田肥料,改良土壤结构,生产优质无公害或绿色有机农产品,实现资源的合理利用。212 干发酵的优点传统的沼气发酵均采用湿发酵技术,由于湿发酵技术有耗能高、处理干物质的成本高等缺点,限制了其适应的范围和地域。而秸秆干发酵产沼气技术与传统的湿发酵技术相比有以下优点[16]:
(1)自身耗能低。冬季仅耗用自身产生的能量
10%～15%。而湿法要耗用30%左右的能量,在北
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