秸稈生產沼氣利用現狀和預處理建議

徐文波 濉溪縣農村社會事業服務中心

一、引言

當前，人類可持續發展中環境污染與能源稀缺是主要難題之一，大力減少對化石能源的依賴，尋求可再生能源與資源，保護環境是我們研究的重要課題。地球上有一種繼續性資源--生物質能，生物質能的主要存在形式一般是制氫、沼氣、生物柴油以及燃料乙醇。其中，在汽油中加入一定比例的乙醇能夠作為代替汽油的汽車燃料；內燃機可以使用生物柴油，生物柴油是代替柴油石油的有效能源；沼氣的主要成分是甲烷，它是一類混合可燃氣，在燃燒后形成二氧化碳和水，沼氣熱值很高，1立方米沼氣燃燒所釋放的能量與0.8千克汽油或1.3千克煤炭燃燒所釋放的熱量相同；氫氣燃燒后只會生成水，不會對環境產生然和污染，是一種高效清潔型能源。所以說，當前解決環境污染與能源稀缺問題的有效手段就是大力發展生物質能。

我國是世界農業國家之一，秸稈資源豐富，秸稈產量大約為6.78億噸。所以說，有效處理秸稈問題，不僅僅能夠解決當前能源稀缺問題，還能夠有效防止二次環境污染。

二、秸稈的結構特性以及化學組成

農作物秸稈主要由少許無機物、大量有機物以及部分水構成，有機物主要是木質素、碳水化合物，這都是纖維類有機物，除此之外還有少許粗脂肪、組蛋白質以及可溶性糖。木質素、半纖維素和纖維素共同構成了植物細胞壁的基本骨架。在農作物秸稈里，這三種組成成分所占其總質量分數的七成左右，所占比例因秸稈種類而異。

三、當前秸稈現狀及存在的主要問題

隨著世界經濟不斷發展，生產力不斷進步，人們對能源有著越來越廣泛的需求。據有關部門統計，地球上植物每年通過光合作用所固定的碳達到2022t，這些碳的能量為3063焦耳。通過光合作用，植物會在其葉、枝、莖中儲存太陽能，其儲存量相當于全世界每年耗費能量的11倍。但是這其中能被有效利用的生物質能缺不足百分之一。

在地球上，每年大約可以形成1012t木質纖維素生物質能，是自然界中含量最高，分布最廣泛，同時地價格低廉的可再生能源。當前，世界第一大能源消費與生產國是美國，其相關部門在20世紀90年代就已經提出生物質能發電計劃。近幾年來，我國能源形勢面臨嚴峻挑戰，我國相關部門在2006年也提出來相應的生物質能源發展策略，同時啟動十一五國家科技支撐計劃以及農林生物質工程等大型項目。當下轉化畝植纖維素類生物質的主要形式是沼氣與燃料乙醇。

秸稈中木質纖維素含量非常高，纖維素自身結構非常復雜，在其分子內部有大量氫鍵、結晶區與非結晶區，非常難以溶入常見溶劑里。所以說，氧化菌消化起來比較困難，最終造成經濟效益低下、發酵產氣量不高的結果，這也就致使無法利用秸稈大規模生產沼氣。

當下解決這個問題的最好方法就是在厭氧發酵之前對秸稈進行預處理工作。預處理的主要目的在于將包裹纖維素的木質素解除、將纖維素中的結晶區破壞掉，這樣能夠將其結晶度與聚合度降低，進而使得其在溶劑中的溶解性增強，最終能夠提升轉化速率。由此可以看出，在將木質纖維素轉化降解為沼氣的工作中，預處理是非常重要且不可缺少的一步。

四、秸稈預處理建議

農作物秸稈屬于農業生態系統中寶貴的生物質能資源。據統計，我國每年可生成秸稈逾8億t。秸稈還田能改善土壤的理化性狀，增加土壤有機質。農作物秸稈可用來代替煤發電、氣化、炭化的燃料等，同時是造紙的優質原料、良好的飼料和很好的肥料資源，還是生產建筑用壓板的理想材料。總而言之，提高農作物秸稈綜合利用率，對促進社會主義新農村建設將起到巨大的推動作用，濉溪縣是農業大縣，春秋兩季農作物種植面積可達400萬畝以上，除去機械化還田可收集秸稈量200萬噸以上，在“五化”利用中秸稈制沼氣只占1%，秸稈制沼氣氣利用較大空間，提高農作物秸稈制沼氣一直是濉溪縣農業農村部門探討的重要課題。

氫離子濃度決定了秸稈預處理工作的效果，在水解過程中，雖然無機強酸能夠提供充足的氫離子，保證水解效果。但是，在利用秸稈生產沼氣時并不適合使用無機強酸進行與處理工作。在某種條件下，也可以是使用有機酸對秸稈進行預處理工作，有機酸不僅能夠促進秸稈水解，還能夠不對水解液中的糖產生副作用。但是有機酸的酸性不夠強，所能提供的氫離子濃度有限，這勢必會增加成本。因此應當在其中添加適當的助催化劑，這樣不僅能夠促進預處理秸稈的工作效率，還能夠降低生產沼氣的成本，同時又解決了使用無機強酸進行預處理時帶來的各種麻煩。

研究發現，在秸稈水解過程中，金屬離子也可以起到一定催化作用。金屬離子能夠促使秸稈生成有機酸，進而增強酸度，或是促進秸稈中的多酚類和有機酸氧化為自由基，這能夠大大增強其自身氧化效果，易于秸稈內部鏈接纖維素、木質素以及半纖維素結構鍵的打開，促進半纖維素降解的效果。

五、常用的預處理方法

在利用秸稈生產沼氣時，沼氣池板結硬化是當前亟須解決的問題，預處理工作能夠將秸稈中的木質素祛除，將其晶體結構破壞，最終提升其轉換效率。在進行預處理工作時，應當注意以下幾點：第一，應盡可能促進糖的生成，這樣有利于后續發酵；第二，避免糖出現降解現象；第三，盡量避免出現對后續酸化有反作用的產物；第四，節約成本，提高效率。一般來講可以將預處理方法分成生物法、化學法、物理法或化學物理結合法。當前，化學物理法與化學法是最主要的研究與使用方法。

六、秸稈其他處理方式

秸稈還田。秸稈還田能夠充分平衡與補充土壤中各類養分，能夠有效改善土壤質量，畝產量增強在12%之上，是當前建設高產良田的主要方式之一。

秸稈基料化，作為食用菌基質；秸稈飼料化，利用秸稈生物發酵、高效生化蛋白、秸稈熱噴、氨化青貯或直接粉碎鉰喂；秸稈肥料化，高溫堆肥、發酵菌及氨基酸液制肥；秸稈工業化，人造板材、清潔制漿；秸稈能源化，秸稈電廠、固化成型燃料、熱解制氣。

將秸稈還田或“五化”利用也是一種對秸稈的回收利用方式，雖然無法直接產生沼氣，但是也從其他方面保護了環境，促進了可再生資源的利用與發展。

七、結束語

綜上所述，當前應當重視秸稈預處理方式，不斷促進秸稈生產沼氣工作的開展，尋找經濟高效的預處理方法，促進農業可持續發展，提高農村能源有效利用。