秸秆厌氧干发酵产沼气关键技术及问题探讨(3)

摘要：秸秆厌氧干发酵研究在中国已有十多年的历史，但由于种种原因至今还没得到大规模推广应用，本文介绍了秸秆厌 氧干发酵技术特点和产气机理，系统地阐述国内外秸秆厌氧干发酵技术发展现状、存在问题及发展前景。并提出了解决这 些技术难题的办法和秸秆厌氧干发酵规模化发展的模式和建议。 关键词：秸秆；厌氧干发酵；技术；探讨
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厌氧干发酵特点
生物质发酵类型根据原料发酵过程中氧气状况，
但仍然存在装备结构复杂、投资偏高，操作复杂，刚 性的反应器产气结束时必须用二氧化碳置换反应器 中的沼气等问题【ｍ川。 ２．２国内沼气干法发酵技术 我国从２０世纪８０年代起开始了户用沼气干发酵 研究，取得了一定的成果。叶森等人研究自动排料沼气 干发酵装置和相应的半连续干发酵工艺，马云瑞等人 研制了分离储气恒压干发酵池。康恒德发明了小型高 效稳压式自动漫渗滤干发酵沼气池。我国开展大中型 沼气干发酵技术研究是于２１世纪初开始的。现在仍处 于中试研究阶段。甘如海旧等自行设计了卧式螺带式
２０１１年第４期 总第２３６期
巾同农机化
Ｃｈｉｎｅｓｅ
Ａ酣ｃｕｌｔｕｒａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｚ撕ｏｎ
Ｎｏ．４．２０１１ Ｔｏｔａｌ Ｎｏ．２３６
秸秆厌氧干发酵产沼气关键技术及问题探讨
朱德文１，曹成茂２，陈永生１，李瑞容１，曲浩丽，
（１．农业部南京农业机械化研究所，南京，２１００１４；２．安徽农业大学工学院，合肥，２３００３６）
等化石能源紧缺危机的加剧及由此引起的环境污染 问题。很多国家都越来越重视可再生能源的重要地位 和作用，不惜投入巨资，研究开发新的可再生能源技 术．努力提高可再生能源在整个能源所占份额，以减 轻对石油、煤炭等不可再生能源的依赖Ｉｌ＇２】。我国是世 界上可再生能源原料产出量最大的国家，每年农业固 体废弃物产量大约４０多亿ｔ，其中畜禽粪便３０亿ｔ， 农作物秸秆７亿多ｔ，蔬菜废弃物１—１．５亿ｔ。乡镇生 活垃圾和人粪便２．５亿ｔ，这些废弃物既是宝贵资源， 又是严重污染源。若不经有效地处理，将会严重污染 人类赖以生存的环境刚。在当前煤、电、液化气等不断 向农村普及的情况下，加快发展秸秆沼气，对于减轻 农村地区对煤、电、液化气等不可再生能源的消耗和 依赖．缓解我国的能源消费压力。我国是一个经济迅 速发展的国家，面临着经济增长和环境保护的双重压 力，正在开展的规模庞大社会主义新农村建设，要求 农村在能源和环境两方面取得突破，通过沼气发酵获 取生物能源是农作物秸秆的资源化利用一条非常有
３沼气干发酵发展前景
随着我国现阶段经济的快速发展．正面临着能源 和环境保护的双重压力，为了走出这种困境。开展大规 模的农业废弃物资源能源化、无害化综合利用势在必 行，农业固体废弃物发酵产沼气技术具有其独特的优 势特点，当前已成为世界各国的研究与应用热点。我国 从２００５年开始，就组织相关科研单位和企业开展秸秆 沼气技术研发与示范，目前初具规模，正在向着健康方 向发展。以秸秆为原料生产沼气的技术可以为农村地 区。秸秆沼气发酵后 不仅可以为农户提供清洁的能源，而且厌氧消化后的 沼渣还是优质的有机肥料，能有效地提高土地肥力和 增强作物的抗逆能力。若能解决我国当前沼气发酵中 存在的产气率低、产气不稳定、进出料难、传质传热效 果差、增温保温功能低等关键问题，可促进我国沼气产 业的快速健康发展，大规模沼气生产，减少污染，合理有
国内外沼气干法发酵技术状况
国外沼气干发酵技术 国外对沼气干发酵技术的研究比我国早，整体
技术水平也较高。厌氧干发酵技术在欧洲被广泛应 用，主要是处理城市有机垃圾以及家禽粪便。早在２０ 世纪４０年代，德国、法国和阿尔及利亚就开始研究 并运用批量式沼气干发酵技术，２０世纪８０年代，德 国、荷兰、瑞士、布基纳法索、尼日尔等国家对沼气干 发酵进行了深入的研究，２０世纪９０年代，德国大量 资助新型的间歇式干法沼气发酵技术的研发。并于 ９０年代末该项工艺和装备通过中试，目前，国外的 干发酵技术已经成熟。工程化沼气干法发酵技术有 车库型、气袋型、干湿联合型、渗滤液储存桶型、储罐 型等多种技术类型，已经投入生产使用，可以进行规模 化的沼气生产【７～。２００６年１０月美国加州大学ＤＡＶＩＳ 分校研制的储罐型干法沼气发酵装置点火成功。德 国间歇式干法沼气发酵技术的研发取得成功可解决 大规模快速进出料与反应器厌氧密封之间的矛盾。
表１
解率、缩短发酵时间和减小发酵体积。化学预处理是 指酸碱浸泡和热处理．研究人员发现．采用不同温度 处理对稻草结果是预处理的温度越高，甲烷生成量越 多。生物预处理主要指发酵原料的好氧堆沤，使易于 分解产酸的有机物在好氧条件下大部分分解掉，防止 干发酵过程中易出现的酸化问题，研究表明，堆沤５ｄ 的畜禽粪便经接种后其ｐＨ值达到７，发酵就不会出 现酸化现象。
中图分类号：Ｓ２１６．４
文献标识码：Ａ
ｄｏｉ：ｌＯ．３９６９，ｊ．ｉ８８ｎ．１００６—７２０５．２０１１．０４．０１４
朱德文，曹成茂，陈永生，李瑞容，曲浩丽．秸秆厌氧干发酵产沼气关键技术及问题探讨阴．中国农机化，２０１１，（４）：５６～５９
ＺＨＵ Ｄｅ—ｗｅｎ，ＣＡ０ Ｃｈｅｎｇ—ｍａｏ，ＣＨＥＮ Ｙｏｎｇ—ｓｈｅｎｇ，ＩＪＩ ｄｒｙ—ａＩｌａｅｍｂｉｃ
收稿日期：２０１１年４月１１日
｝基金项目：２０ＩＯ年江苏省科技支撑计划（ＢＥ２０１０３５３）——农作物秸秆开发沼气及工业化应用关键技术研究与开发；２０１０年安徽省 科技攻关项目ｆ１０１４０７０２０２４卜—一秸秆干发酵制沼气工业化应用关键技术研究与开发 朱德文，男，１９７０年生，安徽滁州人，农业部南京农业机械化研究所副研究员，博士；研究方向为农业机械和能源与环境工程技术。 曹成茂，男，１９６４年生，安徽六安人，安徽农业大学工学院教授，博士；研究方向为能源与环境工程技术。 陈永生，男，１９６４年生，江苏泰兴人，农业部南京农业机械化研究所研究员；研究方向为设施农业和农业资源开发。 李瑞容，女，１９８４年生，江苏淮安人，农业部南京农业机械化研究所实习研究员；研究方向为农业废弃物综合利用。 曲浩丽，女，１９８５年生，山东莱州人，农业部南京农业机械化研究所实习研究员；研究方向为农业废弃物综合利用。
２
２．１
搅拌发酵罐来进行厌氧干发酵。韩杰等１１３研制出新型
沼气干法发酵反应器一覆膜槽生物反应器。改进和优 化集成现有沼气技术，开发出新型规模化干法沼气发 酵技术与成套装备。晏水平对大中型集约化养殖场畜 禽粪便高温厌氧干发酵处理工程中的罐体加热保温装 置进行了研究。研究罐体加热保温装置的选型和操作 参数设计，为大型沼气干发酵系统工程化提供了一定 基础理论。 ２．２．１沼气干发酵装置类型及特点 ２．２．１．１钢结构秸秆厌氧发酵装置 这种发酵装置多采用钢板焊接或搪瓷拼装而成． 分为立式发酵罐体和卧式发酵罐体丽种。例如，云南洱 源县新龙应用的太阳能加温立式搪瓷拼装厌氧发酵装 置和北京化工大学研制的卧式钢板焊接厌氧发酵装
置，适合于低浓度（秸秆俗在１０％以下）的湿发酵，原
料输送用泵送方式，产气效率较高，但其存在进出料较 难、投资成本较高，秸秆需要粉碎得较细（粒径在ｌ∞ 左右）、运行能耗高等问题。 ２．２．１．２弹性膜覆盖厌氧干发酵装置 发酵池顶部采用弹性膜覆盖。弹性膜与发酵池 上端面四周采用水密封或冲气圈密封，可分地上发 酵池体和地下式发酵池体。例如，由福州北环环保技 术开发有限公司开发、在江苏省金坛市汀湘村应用 的地下式弹性膜覆盖发酵池，其优点是使用弹性膜 覆盖能一次性将池内余气排尽，保温性较好，但其出 料较难，存在安全隐患、且不适用于地下水位较高的 地区。农业部规划设计院研究的敞口式覆膜槽生物 反应器，其特点是进出料方便，槽内多余气体能排 尽，但其存在弹性膜密封面积过大，密封性很难保 障．存在安全隐患等问题。另外这种覆膜槽因为深度 浅，容量也不大。 ２．２．１．３新型柔性顶膜车库式干发酵装置 农业部南京农机化所研究开发的沼气厌氧干式发 酵装置，可用装载机或铲车从设于发酵槽体侧壁的门
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ｆｅｎｎｅｎｔａｔｉｏｎ叨．Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａ卵ｃｕｌｔｕｒａＪ Ｍｅｃｈ锄ｉｚａｔｉｏｎ，２０１ｌ，（４）：５６～５９
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引言
自２０世纪中后期以来，由于世界性的石油、煤炭
潜力的途径，沼气作为可再生能源，具有可再生性、成 本低廉、对环境污染小、热值高等优点。据了解，农业 部从２００５年开始，就组织相关科研单位和企业开展 秸秆沼气技术研发与示范，并在江西、山东、江苏、浙 江、四川、河南、北京、河北、辽宁、黑龙江和大连等１１ 个省市的１００多个县进行试点示范。北方以玉米秸秆 和麦秸为主要原料，南方以稻草为主要原料，户用秸秆 沼气和规模化秸秆沼气集中供气试点成效十分明 显，与此同时在农作物秸秆产沼气的技术环节上也 取得可喜进展。但因户用沼气管理不规范，产气率和 处理效率低，并且存在低温条件下难运行，冬季不能 正常产气等缺点，目前规模化秸秆沼气存在技术设 备不足，尤其是沼气干发酵技术，由于干发酵原料的 物质浓度高而导致的进出料难、传热传质不均匀、产 气率低且产气不稳定等问题，这是干发酵的技术难 点【５＇６１。为此，本文介绍了以秸秆原料为主并兼顾其 他农村有机废弃物的新型干法厌氧发酵技术．采用 工程化装备实现原料预处理、进出料的机械化和秸 秆沼气干发酵产物的高值利用技术，这对提高我国 包括秸秆在内的农业废弃物综合利用水平具有重大 的现实意义。
反应器建造管理技术成熟等优点．适合处理浓度较低 的废水、废液，是当前处理有机污染物生产沼气的主流 技术，但是该技术也有明显的缺点，如发酵所需的反应 器容积较大，沼液和沼渣分离难，需要建较大的沼液池 存贮沼液，占地面积大，并且需要大量的水，冬季耗能 大．处理效率低，运行和后处理成本高等。而沼气干法 发酵能够在干物质浓度较高的情况下仍能正常发酵 （干物质浓度≥２０％），能生产清洁能源和优质有机肥， 基本上达到零排放。满足现代农业对友好环境、清洁能 源和优质肥料的需求。并且厌氧干发酵能够保证全年 正常生产，具有用水量少、冬季耗能低、占地省、产气率 高、管理方便、后处理成本低等优点，目前已经广泛应 用于大规模地处理畜禽粪便、农作物秸秆以及生活垃 圾等农业固体废弃物，生产沼气和绿色有机肥，净化环 境，创造经济效益，已经成为我国厌氧发酵技术的研究 热点。
万方数据
因
！里奎垫些
垫！！！
内进出料（也可从顶部加料并压实），在工程意义上解 决了沼气干法发酵进出料难的问题。进出料门采用钢 骨玻璃钢结构，其四周采用充气密封圈密封，避免了大 面积采用充气密封圈密封造成密封不安全、不可靠的 问题：在发酵槽体上覆盖弹性膜，可直观判断反应器气 囊中的沼气存量以及能将发酵槽体内的沼气排除干 净。从而避免沼气安全事故的发生。弹性膜的密封采用 水密封的结构，该水密封结构密封安全、可靠。在进出 料门的密封技术方面。２００８年南京农机化所为配合同 济大学生物质能中心在江西奉新县利用稻草所进行的 二相法厌氧发酵试验．设计了一种车库式秸秆水解装 置，该库采用Ｍ型充气圈密封门结构，在库内贮水水 位达到２．２ｍ时，仍然密封良好，无渗漏。如果是用作干 发酵库，内部所产生沼气的最大气压不过在二、三百毫 米水柱。可用此项技术密封沼气干发酵库效果较好。现 将我国主要秸秆沼气发酵装置性能结构及生产应用情 况见表ｌ。 ２。３国内外沼气干发酵原料预处理研究 对发酵底物进行一定的预处理，不仅可以促进有 机物的分解．而且还可以为微生物生长繁殖创造适宜 的环境，增大微生物与发酵底物的接触面积。主要预 处理方法有物理法、化学法、物理化学法、生物法。物 理预处理是指去除畜禽粪便中的不易降解或不能降 解的杂质（如塑料、石块等），对秸秆是进行切碎、研磨 等处理。研究表明，有机废弃物颗粒大小对产气效果 的影响，减小粉碎粒度能提高沼气产量、有机物的降
生物质发酵可分为好氧发酵技术和厌氧发酵技术两 类．好氧发酵技术在发酵的过程中排放大量ＮＨ３，既污 染了环境，又损失了肥力，此项技术多用在生物质厌氧 干发酵技术的原料预处理方面。再根据发酵底物状态 的不同．生物质厌氧发酵技术又可分为厌氧湿发酵技 术和厌氧干发酵技术。厌氧湿发酵反应体系中的总固
体㈣含量一般在１０％以内，厌氧湿发酵具有启动快、