我国秸秆制沼气技术路线及未来发展方向分析

张红阳

生物医药、新材料、现代农业

  • 2019-06-21
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目前秸秆制沼气根据反应器的类型以及进出料方式的不同可以分为多种,包括竖向推流式厌氧消化工艺、一体化两相厌氧消化工艺、全混式秸秆发酵技术等。但是无论采用那种工艺,秸秆制沼气都需要经过秸秆原料的预处理、厌氧消化、进出料管理和沼渣液的处理等环节。其中预处理及厌氧消化步骤决定了秸秆制沼气的原料利用率、产气量、产气浓度等关键指标。

摘要:近年来随着农村秸秆的大量弃用,其所带来的资源浪费及环境污染问题也越来越受到人们的重视,秸秆的综合利用成为农业发展必须要解决的问题。现阶段秸秆综合利用有多种方式,其中秸秆作为能源物质,处理方法最为简单,其所带来的经济效益也相对较高,逐渐成为我国秸秆综合利用的主流应用。

秸秆作为能源物质的处理方式主要包括,秸秆发电、秸秆固体成型燃料、秸秆制沼气等方式,其中秸秆制沼气的项目建设成本最低、污染最小、在农村地区最容易普及、生态和经济效益最佳,但是其工艺也相对较为复杂,本文将重点分析秸秆制沼气的工艺及技术发展方向。

目前秸秆制沼气根据反应器的类型以及进出料方式的不同可以分为多种,包括竖向推流式厌氧消化工艺、一体化两相厌氧消化工艺、全混式秸秆发酵技术等。但是无论采用哪种工艺,秸秆制沼气都需要经过秸秆原料的预处理、厌氧消化、进出料管理和沼渣液的处理等环节。其中预处理及厌氧消化步骤决定了秸秆制沼气的原料利用率、产气量、产气浓度等关键指标。

 

图1 秸秆制沼气主要工序

(资料来源:安徽农业科学)

预处理方式较多 目前多采用多种方式联合处理

农作物秸秆相比于畜禽类粪便结构更加紧密不容易发酵,秸秆的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素等,这三种物质形成了高结晶度和聚合度的晶体结构,在原状态下不容易破坏,微生物难以快速分解秸秆,完整的秸秆发酵长时间会产生大量的浮渣结壳,不利于秸秆的完全发酵,严重影响了产气效率,同时也会影响后期沼渣的出料及二次利用。因此需要对秸秆进行进行预处理,目前秸秆预处理方式包括物理法、化学法及生物法等,经过预处理后秸秆的产气效率及产气质量都有了显著的提高。

物理法是指采用人工或者机械手段改变秸秆的物理形态和内部结构,应用较多的主要有机械加工法和蒸汽爆破法。经过粉碎秸秆的产气效率比未预处理的秸秆提高了17%-20%,而经过研磨的秸秆比简单粉碎的秸秆产气效率提高了12.5%以上,两种方式都能有效地提高产气效率,秸秆研磨效率更高,但是操作也更为复杂。物理法虽然应用效果较好,但是其工作强度较大且需要投入大量的人力物力,操作也相对较为繁琐,同时针对大型制气项目无法发挥出良好的效果,其使用范围有一定的局限性,因此物理法多为预处理的第一步骤,之后再结合其他方式联合使用。

化学法主要采用化学试剂对秸秆进行处理,包括酸处理和碱处理等。酸处理是对纤维素原料进行水解,主要使用试剂为盐酸,相关研究表明,经酸处理后的秸秆产气量提升了25%左右。碱处理可直接通过生化反应将木质素去除,从而打开纤维素、半纤维素和木质素的晶体结构,主要应用试剂有氢氧化钠及氢氧化钙,相关研究表明经过氢氧化钠处理秸秆产气量提升了21.56%左右。化学处理法操作较为简便且无须投入大量精力,但是其增加了一定的成本,同时采用化学试剂会造成一定的环境污染,尤其是影响后期沼渣的成分,因此化学处理很少单独使用。

生物法则是采用具有生物质降解能力的好氧微生物菌群对秸秆进行预处理,使用菌群将秸秆中的木质素分解,再将秸秆进行发酵处理便于厌氧消化菌群的分解和利用。目前主要采用的好氧微生物菌群包括黄孢原毛平革菌、变色栓菌、芽孢杆菌和某些酵母菌等。经过菌群预处理的秸秆纤维素降解率提升50%以上,产气效率也明显提升。与化学法预处理和物理法预处理相比,生物法具有反应温和、能耗较小,设备简单,不会带来环境污染等优点,因此生物法也成为近年主要的研发方向。

秸秆预处理是发酵制沼气的重要工序之一,其关系到产气量及产气效率,目前我国已建成的秸秆气化工程主要采用物理化学预处理方式联合处理的方式,可以有效地提升秸秆产气效率,但是仍存在一定的弊端。未来我国应研发出更加高效的预处理手段及工艺,同时着重研发生物预处理的高效菌群,建立更为高效的联合预处理手段,保障秸秆制沼气的工程的高效运行。

厌氧消化工艺以液态消化为主 固—液两相厌氧消化工艺是未来发展方向

厌氧消化工艺过程是秸秆制沼气的主要工序,也是厌氧消化微生物生长繁殖和代谢有机物质的过程。厌氧消化主要有三个阶段,每一个阶段都有不同的菌落参与。第一个阶段主要是水解与消化细菌;第二个阶段是产氢产乙酸菌;第三个阶段则主要是产甲烷菌,三个阶段是连续发生且联系紧密。秸秆的厌氧消化也符合这一原理,但是由于秸秆与传统的粪便组成不同,其体积大、流动性差,难以分解,有效氮、磷成分少,不利于微生物消化利用,因此传统的粪便厌氧消化工艺不适用于秸秆制沼气。基于秸秆自身物理化学性质导致的厌氧消化处理效果不理想的问题,科研人员研发了多种工艺,根据秸秆的浓度和形态划分目前应用最多的工艺包括液态消化、固态消化和固—液两相厌氧消化工艺。

图2 三级厌氧消化及后续工艺流程图

(资料来源:中国知网)

液态消化工艺技术较为成熟应用较为广泛,主要以自载体生物膜厌氧消化工艺为主,其可以有效的降低原料的固体含量,一般可以降低到8%左右。该工艺需要在厌氧消化器内安装有搅拌装置,通过适当搅拌改善厌氧菌群与物料接触和传质传热等效果,以提高产气效率。但是由于水分含量较多且需要加装搅拌装置,消化器体积一般较大、占地较广,同时搅拌也需要消耗一定的能量。

固态消化是指秸秆在无流动水的条件下进行厌氧消化,无需机械搅拌,沼渣可以直接作为肥料使用,不需脱水等其他处理。但是固态消化的固体含量较高,进出料较为复杂。固—液两相消化工艺通过将固相和液相发酵原料分在不同区域,以达到产酸相和产甲烷相分离,并利用沼液回流实现循环接种。这种方式避免了一体化消化罐的进出料难问题,也不会产生结壳,提高了产沼气速率,但是工艺较为复杂,且装备成本较高。

目前我国秸秆气化工程主要采用液态消化工艺,其产气效率相对其他两种较低,但是工艺较为成熟。未来我国针对厌氧消化这一过程需要研发出更高效的菌种,同时针对产气效率最高的固—液两相消化工艺进行深入研究,优化其工艺及装备,使先进工艺能得到大范围的推广。

结语

随着农村秸秆遗弃或焚烧带来的资源及环境问题越发严峻,秸秆的综合利用也受到人们的重视,结合我国农村地区的实际情况秸秆制沼气成为解决这一问题的有效途径。目前秸秆制沼气有多种技术路线,其主要步骤包括预处理、厌氧消化、进出料管理和沼渣液的处理等环节。其中预处理及厌氧消化步骤决定了秸秆制沼气的原料利用率、产气量、产气浓度等关键指标,目前我国秸秆预处理主要采用物理、化学及生物法等多种方式联合处理,其中生物法是未来发展的主要方向。厌氧消化我国目前以液态消化工艺为主,其技术较为成熟但是能耗较高且工序复杂,未来发展方向为固—液两相消化工艺。

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