玉米秸稈生產沼氣研究概況及關鍵技術

劉 晶

(中國農業(yè)機械化科學研究院集團有限公司，北京 100083)

0 引言

沼氣是一種具有綠色環(huán)保、易生產、使用方便、生產成本低等特點的可再生能源。農村廢棄物用來生產沼氣，不僅可以減少環(huán)境污染，還可以為農業(yè)生產提供優(yōu)質能源。目前，用于生產沼氣的原料有多種，主要是牲畜糞便和農作物秸稈。我國是農業(yè)大國，每年產生農作物秸稈約7億t，但是秸稈利用率只有30%左右，大量未被利用的農作物秸稈有的被就地焚燒，有的被隨意丟棄，不僅是資源浪費，更造成嚴重的環(huán)境污染。國內對農作物秸稈綜合利用開展了大量研究，其中利用農作物秸稈生產沼氣能源是主要方向之一。在諸多農作物秸稈中，玉米秸稈因產量大受關注更多，本文介紹以玉米秸稈為主要原料生產沼氣的研究概況、關鍵技術及發(fā)展前景[1-2]。

1 玉米秸稈生產和利用現狀

隨著國家對生態(tài)環(huán)境保護越來越重視，相關科技人員對農作物秸稈綜合利用研究不斷深入。秸稈的用途很多，可以用于制作飼料、木材、造紙、一次性餐具等，但在能源生產方面應用較少。

1.1玉米飼料

目前，用作牲畜飼料的玉米秸稈類型主要有2種，一種是黃貯秸稈，一種是青貯秸稈。青貯秸稈的營養(yǎng)物質含量高于黃貯秸稈，近幾年青貯玉米收獲技術發(fā)展迅速，主要是為了滿足日益發(fā)展的畜牧業(yè)對飼料的需求。

1.2燃料乙醇

研究表明，利用硫酸處理玉米秸稈，可以將秸稈中的半纖維水解成葡萄糖、木糖和阿拉伯糖等混合液體，與一定數量的酵母混合后直接發(fā)酵成燃料乙醇。

1.3秸稈氣化能源

將秸稈氣化產生清潔能源沼氣，不僅能提高秸稈利用率，還可以降低由于秸稈焚燒帶來的環(huán)境污染，并且可以有效促進農村節(jié)能環(huán)保工作的進程。

1.4秸稈還田

秸稈還田覆蓋地表可以更好地調節(jié)土壤溫度，降低由于土壤溫度變化對農作物生長的影響；另外，地表覆蓋秸稈可以降低土壤表面的可溶性鹽含量，增加土壤有機質含量，有效降低土壤pH值，保持土壤水分含量。覆蓋秸稈的土壤含水率比未覆蓋秸稈高約5%，對提高農作物產量有重要作用。目前，還田方式有3種：直接還田、間接還田和生化分解還田。由于直接還田作業(yè)成本較低，是應用較多的一種方式。

2 玉米秸稈生產沼氣研究概況

目前，國內對以秸稈為原料生產沼氣技術的研究較多，涉及的秸稈主要是小麥秸稈、水稻秸稈、玉米秸稈等，其中，部分研究表明，采用玉米青貯秸稈生產沼氣開發(fā)潛力較大。

龐云芝等[3]以秸稈為原料規(guī)模化生產沼氣，闡述了小麥秸稈、水稻秸稈和玉米秸稈的預處理技術、專用反應器研制和發(fā)酵工藝參數優(yōu)化3項關鍵技術。另外，還介紹了秸稈高效厭氧消化工藝和工程應用情況，為我國秸稈的能源化轉化和生態(tài)循環(huán)利用提供新的技術。薛民琪等[4]研究了秸稈沼氣關鍵技術，研制出菌種的工廠化生產工藝流程和秸稈好氣-沼氣接力發(fā)酵技術(二次發(fā)酵法)，建立了秸稈沼氣的產業(yè)化技術體系。

劉京等[5]介紹了瑞典的沼氣生產及利用現狀，分析影響沼氣產業(yè)的動力及阻力，并結合相關科研和工業(yè)實例，對中國沼氣產業(yè)的可持續(xù)利用和發(fā)展提出建議。程序等[6]分析了中國產業(yè)沼氣的開發(fā)及應用前景，提出將整株青貯玉米、馬鈴薯等作為能源作物生產沼氣，并且指出使用玉米秸稈生產沼氣開發(fā)潛力大。柏章榮[7]以生態(tài)學原理為基礎，闡述了沼氣生態(tài)農業(yè)技術，并分析了該技術在設施農業(yè)中的具體應用和帶來的經濟效益。

3 關鍵技術

玉米秸稈主要通過厭氧發(fā)酵產生沼氣，玉米秸稈木質纖維素含量較高，不易被厭氧菌消化，因此，厭氧消化過程存在時間長、產氣率低等問題。鑒于此，發(fā)酵前需要對秸稈進行預處理，主要目的是改變秸稈的物理結構，秸稈預處理后進行發(fā)酵可以獲得較高的產氣率。除了預處理技術外，玉米秸稈生產沼氣關鍵技術還有秸稈干發(fā)酵技術和秸稈混合物料發(fā)酵技術。

3.1預處理技術

近幾年，國內外學者對秸稈預處理技術進行了較多研究，取得了一定進展，主要方法包括物理法、化學法和生物法。

3.1.1物理法

物理法主要是借用外部手段來改變秸稈的內部結構，常用方法包括機械加工、蒸汽爆破、輻射處理、熱液處理、超聲處理和微波處理等，其中機械加工和蒸汽爆破較為常用，輻射處理、熱液處理、超聲處理和微波處理等應用較少。機械加工的目的是減小秸稈的長度或直徑，這兩項參數對發(fā)酵效果有較大影響，通過減小秸稈的長度或直徑可以提高厭氧發(fā)酵效率，還可以提高產氣量。蒸汽爆破的原理是破壞秸稈中的木質纖維素，使秸稈容易被厭氧菌消化，從而達到提高產氣量的目的。其他如輻射處理、熱液處理等也都是為了破壞秸稈結構，從而提高產氣量。

3.1.2化學法

化學法主要是利用化學試劑改變秸稈的結構，這種方法操作時間短、處理效率高，常用的化學預處理方法有堿法、酸法等。堿法處理是使用堿性溶液溶解玉米秸稈中的纖維素，達到提高厭氧發(fā)酵效率的目的，從而提高產氣量。同樣，酸法處理使用的是酸性溶液，都是為了加快厭氧發(fā)酵過程，提高沼氣產出率。

3.1.3生物法

近幾年，采用生物方法預處理秸稈倍受關注。自然界有可以降解木質素的微生物，如真菌、放線菌和細菌等，目前，降解效果較好、較徹底的是白腐真菌。

3.2干發(fā)酵技術

厭氧發(fā)酵分為干式厭氧發(fā)酵和濕式厭氧發(fā)酵兩種，分類依據是發(fā)酵底物固含率的大小。干式厭氧發(fā)酵技術具有需水量少、負荷高、成本低、無二次污染等特點，發(fā)展前景較好，是目前被大量使用的發(fā)酵方式。但干發(fā)酵技術還存在一些瓶頸問題有待解決，如怎樣保持發(fā)酵過程穩(wěn)定性、確保攪拌過程流暢等。

3.3混合物料發(fā)酵技術

為了解決單一物料厭氧發(fā)酵過程中出現的問題，對兩種或兩種以上的混合物料進行厭氧發(fā)酵可以更好地調節(jié)微生物發(fā)酵環(huán)境，補充微生物發(fā)酵過程所需的營養(yǎng)物質，進而提高厭氧消化效率和產氣量。秸稈混合物料通常是在秸稈中添加一些牛糞、雞糞等動物糞便，比單一玉米秸稈發(fā)酵產氣量提高30%左右。

4 發(fā)展前景

我國是農業(yè)大國，農作物秸稈以水稻、小麥和玉米等為主。其中，稻草秸稈占比約為1/4，小麥秸稈占比約為1/5，玉米秸稈占比約為1/3，棉稈、油料作物秸稈等占比較少。統(tǒng)計發(fā)現，每年玉米秸稈的產量最大，可以作為生產沼氣的主要原料。目前，玉米秸稈綜合利用主要包括牲畜飼料、沼氣、燃料乙醇、造紙和板材等。玉米含有豐富的纖維素，是一種可再生的寶貴資源，玉米秸稈生產沼氣也是近年來的研究熱點，從生態(tài)環(huán)境發(fā)展理念和趨勢來看，今后玉米秸稈綜合利用的途徑會更多，使用玉米秸稈產生清潔能源，降低環(huán)境污染具有良好的發(fā)展前景[8-12]。

5 結束語

一直以來，我國都存在農作物秸稈資源浪費、焚燒污染嚴重等問題。近些年，國家十分重視生態(tài)文明建設，不斷強調綠色發(fā)展理念，將秸稈通過厭氧發(fā)酵技術產生沼氣等清潔能源的研究越來越多。隨著國家在環(huán)境治理方面的不斷推進，沼氣作為未來農村的主要清潔能源，不僅能夠改善農業(yè)生態(tài)環(huán)境，還能降低能源壓力，對促進生物質良性循環(huán)、構建生態(tài)農業(yè)平衡發(fā)展有重要作用。

玉米秸稈厭氧發(fā)酵生產沼氣技術成為重點關注內容，與之相關的秸稈預處理技術、干發(fā)酵技術、混合物料發(fā)酵技術等實驗室研究逐步走向成熟，但是，有些技術還未能在工程實踐中應用。只有在工程應用中實踐成功，才能真正推動生態(tài)環(huán)境不斷向良性發(fā)展，未來有望通過綠色生態(tài)引領高質量發(fā)展。