我國秸稈制沼氣技術路線及未來發展方向分析

張紅陽

生物醫藥、新材料、現代農業

  • 2019-06-21
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目前秸稈制沼氣根據反應器的類型以及進出料方式的不同可以分為多種,包括豎向推流式厭氧消化工藝、一體化兩相厭氧消化工藝、全混式秸稈發酵技術等。但是無論采用那種工藝,秸稈制沼氣都需要經過秸稈原料的預處理、厭氧消化、進出料管理和沼渣液的處理等環節。其中預處理及厭氧消化步驟決定了秸稈制沼氣的原料利用率、產氣量、產氣濃度等關鍵指標。

摘要:近年來隨著農村秸稈的大量棄用,其所帶來的資源浪費及環境污染問題也越來越受到人們的重視,秸稈的綜合利用成為農業發展必須要解決的問題?,F階段秸稈綜合利用有多種方式,其中秸稈作為能源物質,處理方法最為簡單,其所帶來的經濟效益也相對較高,逐漸成為我國秸稈綜合利用的主流應用。

秸稈作為能源物質的處理方式主要包括,秸稈發電、秸稈固體成型燃料、秸稈制沼氣等方式,其中秸稈制沼氣的項目建設成本最低、污染最小、在農村地區最容易普及、生態和經濟效益最佳,但是其工藝也相對較為復雜,本文將重點分析秸稈制沼氣的工藝及技術發展方向。

目前秸稈制沼氣根據反應器的類型以及進出料方式的不同可以分為多種,包括豎向推流式厭氧消化工藝、一體化兩相厭氧消化工藝、全混式秸稈發酵技術等。但是無論采用哪種工藝,秸稈制沼氣都需要經過秸稈原料的預處理、厭氧消化、進出料管理和沼渣液的處理等環節。其中預處理及厭氧消化步驟決定了秸稈制沼氣的原料利用率、產氣量、產氣濃度等關鍵指標。

 

圖1 秸稈制沼氣主要工序

(資料來源:安徽農業科學)

預處理方式較多 目前多采用多種方式聯合處理

農作物秸稈相比于畜禽類糞便結構更加緊密不容易發酵,秸稈的主要成分是纖維素、半纖維素和木質素等,這三種物質形成了高結晶度和聚合度的晶體結構,在原狀態下不容易破壞,微生物難以快速分解秸稈,完整的秸稈發酵長時間會產生大量的浮渣結殼,不利于秸稈的完全發酵,嚴重影響了產氣效率,同時也會影響后期沼渣的出料及二次利用。因此需要對秸稈進行進行預處理,目前秸稈預處理方式包括物理法、化學法及生物法等,經過預處理后秸稈的產氣效率及產氣質量都有了顯著的提高。

物理法是指采用人工或者機械手段改變秸稈的物理形態和內部結構,應用較多的主要有機械加工法和蒸汽爆破法。經過粉碎秸稈的產氣效率比未預處理的秸稈提高了17%-20%,而經過研磨的秸稈比簡單粉碎的秸稈產氣效率提高了12.5%以上,兩種方式都能有效地提高產氣效率,秸稈研磨效率更高,但是操作也更為復雜。物理法雖然應用效果較好,但是其工作強度較大且需要投入大量的人力物力,操作也相對較為繁瑣,同時針對大型制氣項目無法發揮出良好的效果,其使用范圍有一定的局限性,因此物理法多為預處理的第一步驟,之后再結合其他方式聯合使用。

化學法主要采用化學試劑對秸稈進行處理,包括酸處理和堿處理等。酸處理是對纖維素原料進行水解,主要使用試劑為鹽酸,相關研究表明,經酸處理后的秸稈產氣量提升了25%左右。堿處理可直接通過生化反應將木質素去除,從而打開纖維素、半纖維素和木質素的晶體結構,主要應用試劑有氫氧化鈉及氫氧化鈣,相關研究表明經過氫氧化鈉處理秸稈產氣量提升了21.56%左右?;瘜W處理法操作較為簡便且無須投入大量精力,但是其增加了一定的成本,同時采用化學試劑會造成一定的環境污染,尤其是影響后期沼渣的成分,因此化學處理很少單獨使用。

生物法則是采用具有生物質降解能力的好氧微生物菌群對秸稈進行預處理,使用菌群將秸稈中的木質素分解,再將秸稈進行發酵處理便于厭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黃孢原毛平革菌、變色栓菌、芽孢桿菌和某些酵母菌等。經過菌群預處理的秸稈纖維素降解率提升50%以上,產氣效率也明顯提升。與化學法預處理和物理法預處理相比,生物法具有反應溫和、能耗較小,設備簡單,不會帶來環境污染等優點,因此生物法也成為近年主要的研發方向。

秸稈預處理是發酵制沼氣的重要工序之一,其關系到產氣量及產氣效率,目前我國已建成的秸稈氣化工程主要采用物理化學預處理方式聯合處理的方式,可以有效地提升秸稈產氣效率,但是仍存在一定的弊端。未來我國應研發出更加高效的預處理手段及工藝,同時著重研發生物預處理的高效菌群,建立更為高效的聯合預處理手段,保障秸稈制沼氣的工程的高效運行。

厭氧消化工藝以液態消化為主 固—液兩相厭氧消化工藝是未來發展方向

厭氧消化工藝過程是秸稈制沼氣的主要工序,也是厭氧消化微生物生長繁殖和代謝有機物質的過程。厭氧消化主要有三個階段,每一個階段都有不同的菌落參與。第一個階段主要是水解與消化細菌;第二個階段是產氫產乙酸菌;第三個階段則主要是產甲烷菌,三個階段是連續發生且聯系緊密。秸稈的厭氧消化也符合這一原理,但是由于秸稈與傳統的糞便組成不同,其體積大、流動性差,難以分解,有效氮、磷成分少,不利于微生物消化利用,因此傳統的糞便厭氧消化工藝不適用于秸稈制沼氣?;诮斩捵陨砦锢砘瘜W性質導致的厭氧消化處理效果不理想的問題,科研人員研發了多種工藝,根據秸稈的濃度和形態劃分目前應用最多的工藝包括液態消化、固態消化和固—液兩相厭氧消化工藝。

圖2 三級厭氧消化及后續工藝流程圖

(資料來源:中國知網)

液態消化工藝技術較為成熟應用較為廣泛,主要以自載體生物膜厭氧消化工藝為主,其可以有效的降低原料的固體含量,一般可以降低到8%左右。該工藝需要在厭氧消化器內安裝有攪拌裝置,通過適當攪拌改善厭氧菌群與物料接觸和傳質傳熱等效果,以提高產氣效率。但是由于水分含量較多且需要加裝攪拌裝置,消化器體積一般較大、占地較廣,同時攪拌也需要消耗一定的能量。

固態消化是指秸稈在無流動水的條件下進行厭氧消化,無需機械攪拌,沼渣可以直接作為肥料使用,不需脫水等其他處理。但是固態消化的固體含量較高,進出料較為復雜。固—液兩相消化工藝通過將固相和液相發酵原料分在不同區域,以達到產酸相和產甲烷相分離,并利用沼液回流實現循環接種。這種方式避免了一體化消化罐的進出料難問題,也不會產生結殼,提高了產沼氣速率,但是工藝較為復雜,且裝備成本較高。

目前我國秸稈氣化工程主要采用液態消化工藝,其產氣效率相對其他兩種較低,但是工藝較為成熟。未來我國針對厭氧消化這一過程需要研發出更高效的菌種,同時針對產氣效率最高的固—液兩相消化工藝進行深入研究,優化其工藝及裝備,使先進工藝能得到大范圍的推廣。

結語

隨著農村秸稈遺棄或焚燒帶來的資源及環境問題越發嚴峻,秸稈的綜合利用也受到人們的重視,結合我國農村地區的實際情況秸稈制沼氣成為解決這一問題的有效途徑。目前秸稈制沼氣有多種技術路線,其主要步驟包括預處理、厭氧消化、進出料管理和沼渣液的處理等環節。其中預處理及厭氧消化步驟決定了秸稈制沼氣的原料利用率、產氣量、產氣濃度等關鍵指標,目前我國秸稈預處理主要采用物理、化學及生物法等多種方式聯合處理,其中生物法是未來發展的主要方向。厭氧消化我國目前以液態消化工藝為主,其技術較為成熟但是能耗較高且工序復雜,未來發展方向為固—液兩相消化工藝。

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