秸稈厭氧消化產沼氣資源化研究

王魯民 張 亮 夏曉芳

青島中科華通能源工程有限公司

秸稈厭氧消化產沼氣資源化研究

王魯民 張 亮 夏曉芳

青島中科華通能源工程有限公司

秸稈厭氧消化既消納了農村有機廢棄物，又生產出沼氣和有機肥，有效緩解農村地區面臨的能源和環境雙重壓力。文章綜述了秸稈厭氧消化過程中的影響因素，簡要介紹了相關技術優化研究進展，并提出了規模化秸稈厭氧消化工程發展建議。

秸稈；厭氧消化；沼氣

1 前言

隨著我國城鎮化進程的不斷加速，農村地區能源結構優化和環境保護問題日益受到重視，農作物秸稈厭氧發酵制取沼氣技術成為當前的研究熱點，通過對秸稈進行厭氧消化處理，除能改善農村環境外，還可生產清潔能源沼氣和沼渣沼液等優質有機肥。我國是農業大國，農作物秸稈資源豐富。據統計，2016年我國農作物秸稈產量達到7.9億噸。

農作物秸稈含有大量有機質和營養元素，其中蘊含大量化學能，是一種較理想的厭氧消化制沼氣原料，若將其轉化為可再生能源，將可有效緩解我國城鎮化進程與農村環境之間的矛盾，優化農村地區能源結構。

2 厭氧消化基本原理

農作物秸稈由大量的有機物和少量的無機物及水組成，其有機物的主要成分是纖維素、半纖維素和木質素，此外還有少量的粗蛋白和粗脂肪。

秸稈厭氧消化是指在無氧條件下，秸稈中的可生物降解有機物被兼性和專性厭氧菌分解為自身生長繁殖所需的物質和能量，并最終轉化為甲烷和二氧化碳的過程。此過程非常復雜，當前較為公認的是三階段理論，即水解酸化階段、乙酸化階段和甲烷化階段

3 影響秸稈厭氧消化的因素

生物質厭氧消化的影響因素多種多樣，環境因素包括溫度、pH值、氧化還原條件等，過程因素包括底物濃度、養分比例、水力停留時間等。根據秸稈理化性質特點，影響其厭氧消化的主要因素有以下幾點：

3.1 溫度

溫度是影響秸稈分解速率和產氣量的最重要因素之一，秸稈厭氧消化溫度可分為常溫（25℃）、中溫（35℃）和高溫（55℃），由于秸稈在中溫條件下比常溫發酵周期短，但由于其代謝穩定，對氨氮濃度以及溫度波動等應激因子有較強的適應能力，且中溫發酵比高溫發酵更具可靠性和便與工業化管理，現階段在實際應用中占主導地位。

3.2 營養及碳氮比

厭氧反應器體系營養由投配秸稈和生物質供給，營養配比中尤以碳氮比為重。碳氮比太高則反應體系氮量相對不足，新陳代謝不充分致使有機質不能完全轉化，且體系緩沖能力降低；碳氮比過低，反應體系中較易形成氨氮累積，抑制微生物生長。因此，高氮的生物質原料與高碳的秸稈原料混合能夠提高厭氧消化效率。對于秸稈厭氧消化，碳氮比為（20-30）：1較為合理..

3.3 攪拌

攪拌的目的是使反應體系各處溫度均勻，進入的新秸稈與反應體系內熟料和功能微生物完全混合，防止分層。但由于秸稈密度小，進入發酵罐易形成浮渣，反應體系流動性差，進而導致傳質效果和傳熱性不理想，反應條件不易控制，有機酸或氨氮局部積累現象時有發生。因此，秸稈厭氧消化多采用不同攪拌形式相結合的方式，如立攪拌與側攪拌相結合、氣攪拌與機械攪拌相結合等。

3.4 pH值

秸稈厭氧消化過程中的水解酸化階段和乙酸化階段有大量酸性物質產生，導致秸稈厭氧體系pH值下降，甲烷化階段利用以上階段產物為基質轉化為甲烷，秸稈厭氧體系pH值升高。在以秸稈為單一底物的厭氧消化過程中，當環境條件發生改變時，極易發生有機酸積累問題，進而對各類微生物生長代謝造成抑制，導穩厭氧體系不穩定。因此，秸稈厭氧消化的各參數條件需盡量保持穩定，在正常厭氧消化過程中，體系三階段反應保持在一個平衡狀態，基本無需調節pH值。

4 秸稈厭氧消化技術優化

4.1 預處理

秸稈中所含的木質素、半纖維素對纖維素的保護作用以及纖維素自身的晶體結構，使得木質纖維素形成致密不透水的高級結構，致使體系功能菌種很難與纖維素接觸，影響了秸稈的水解和發酵。常見的秸稈預處理方法有物理法、化學法、生物法等，因化學法易造成二次污染，目前工業化生產多采用物理法和生物法相結合的方式對秸稈進行預處理。

4.2 混合發酵

混合發酵是指按照一定的配比原則將秸稈與其他生物質混合復配，從而改善發酵體系營養狀態，混合發酵的有益效果包括：①降低單一秸稈底物碳氮比至合適范圍，提高秸稈碳元素利用率，提高產氣量；②增強厭氧發酵體系緩沖能力，緩解發酵過程中酸堿度變化對體系的沖擊；③利用多種底物協同效應，提高體系功能性菌群活力，提高底物利用率。

4.3 工藝設備改進

秸稈密度小、流動性差，工業化生產過程中進出料困難，厭氧反應器內易出現浮渣，體系內酸積累易引起酸中毒現象。工藝方面，秸稈干發酵工藝成為當前的一個研究熱點；設備方面，應針對秸稈發酵開發專用高濃度輸送技術和裝置、高效攪拌技術和裝備等。

5 結論及建議

在我國城鎮化快速發展過程中，農村地區面臨著能源和環境雙重壓力，秸稈無害化、資源化綜合利用項目的建設運營勢在必行。我國秸稈沼氣行業發展迅速，但產業技術水平及產業模式相對落后，秸稈收儲運商業模式、進出料方式、傳質傳熱效果、工程項目盈利模式等諸多問題制約我國秸稈沼氣工程的發展。

針對我國秸稈發酵技術，應加大研發投入，組織科技人員對其核心關鍵技術進行攻關，建立技術先進、管理科學的秸稈示范工程項目進行產業化推廣。針對我國秸稈發酵產業模式，國家應出臺相關政策對規模化運行良好的秸稈沼氣工程進行扶持和鼓勵，制定相關補貼和獎勵制度，探討秸稈沼氣工程盈利模式。

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