农业废弃物资源化利用新方向_沼气干发酵技术

收稿日期:2006201214
项目来源:农业部可再生能源专项“秸秆生物气化技术筛选”项目
作者简介:李想(1982-),男,重庆人,硕士研究生,研究方向为农业废弃物处理及资源化利用,E -mail :Lx6311@ey 。

农业废弃物资源化利用新方向—沼气干发酵技术
李　想1,赵立欣2,韩　捷2,向　欣2
(1.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所,北京　100081;2.农业部规划设计研究院农村能源与环保研究
所,北京　100026)
摘　要:本文简述了我国现存的农业废弃物资源化利用技术及存在的问题,介绍了沼气干发酵的技术概况、工艺条件、产气和造肥效果,最后得出了沼气干发酵技术是我国农业废弃物资源化利用的新方向的结论。

关键词:农业废弃物;秸秆;畜禽粪便;沼气;干发酵
中图分类号:S216.4;TK 6 文献标识码:A 文章编号:1000-1166(2006)04-0023-05
The N ew Direction of Agricultural R esidues U tilization in China :Biogas Dry Fermentation T echnology /LI Xiang ,ZH AO Li 2xin 2,H AN Jie 2,XIANG Xin 2/(1.I nstitute of Agricultural E nvironment and sustainable Development ,Chinese A 2cademy of Agricultural Sciences ,B eijing 100081,China ;2.I nstitute of E nergy and E nvironmental Protection ,Chinese Academy of Agricultural E ngineering ,B eijing 100026,China)
Abstract :This paper summarizes agricultural residue utilization technologies in China and their problems ,mainly introduced biogas dry fermentation on its general situation ,technologic requirements ,biogas production ,and com post quality.Finally it is concluded that biogas dry fermentation technology is the new direction of agricultural residue utilization in China.K ey w ords :agricultural residues ;crop straw ;animal manure ;biogas technology ;dry fermentation
1　引言
农业废弃物形式多种多样,但按其来源分为秸秆和畜禽粪便两大类[1]。

我国是农业生产大国,秸秆资源相当丰富。

根据我国主要农作物产量[2],通过谷草比[3]计算,2004年我国秸秆产量约为6亿吨,其中以稻草、玉米秸、麦秸为主,占秸秆总量的77.2%。

然而,近年来我国农村能源结构正在逐渐发生变化,使用商品能源的农村人口逐渐增加,秸秆利用率呈明显的降低趋势,在麦收和秋收季节,出现了田间直接焚烧秸秆的现象。

大量秸秆的露天燃烧,不仅不能有效利用这部分资源,还导致C O 2,S O 2等气体的排放,污染了空气,加重了全球气候变暖。

同时,随着我国畜牧业的飞速发展,畜禽粪便量也随之增加,2004年我国畜禽粪便量已经达到了27亿吨[4]。

目前,我国大多数养殖场粪便、污水的储存和处理能力不足,90%以上的规模化养殖场没有污染防治措施[5],畜禽粪便已经对土壤、水体、空气和人畜安全构成了严重的威胁。

农业废弃物引发的环境污染问题日益突出,有效地处理和利用农业废弃物
已成为当务之急。

2　我国农业废弃物资源化利用技术及存在的问题
农业废弃物也是物质和能量的载体,是一种特
殊形态的农业资源,具有巨大的开发潜力。

作物秸秆含有丰富的营养成分,并且其表面密度小、韧性大、抗拉、抗弯、抗冲击能力强,可广泛应用于饲料、燃料、肥料、造纸、轻工食品、养殖、建材、编织等各个领域[6]。

畜禽粪便蕴藏的生物质能,可开发产生沼气,具有很好的经济效益[7],另外畜禽粪便含有的氮、磷、钾等多种营养成分,施于农田有助于改良土壤结构,提高土壤有机质含量,促进农作物增产[8]。

近年来,我国农业废弃物资源化利用取得了一定的成就,涌现了秸秆还田技术、秸秆气化技术、秸秆成型及炭化技术、秸秆制沼气技术、秸秆饲料化技术、畜禽粪便肥料化技术、畜禽粪便能源化技术等农业废弃物资源化利用技术。

尽管我国农业废弃物资源化利用技术呈多元化发展态势,但仍然存在一些问题,限制了这些技术在我国农业废弃物资源化利用中发挥作用。

秸秆还田
方面,随着秸秆还田数量的增加,普通脱切机和旋耕机已不能满足实际需要,另外田间管理不到位,秸秆不能充分腐解,以致难以被作物吸收利用。

秸秆气化方面,我国现行的热解气化技术大都采用空气煤气制气法,所得气的热值较低,并且存在焦油问题。

秸秆成型及炭化方面,目前对秸秆压缩成型基础理论研究薄弱,无法满足生物质压缩成型设备开发与研制的需要,关键技术难以解决,另外,对秸秆成型燃烧理论及燃烧特性研究不够深入,先进的秸秆成型燃烧专用设备少,限制了秸秆成型燃料的大量生产。

秸秆饲料化方面,我国在秸秆发酵饲料的微生物菌种及相应的发酵工艺方面、发酵秸秆饲料对各类家畜的营养效果方面等,都缺乏深入的研究,且研究的领域大都集中在反刍动物。

畜禽粪便肥料化利用方面,好氧发酵生产有机肥的过程中排放大量NH3,既污染了环境,又损失了肥力。

3　沼气干发酵的技术概况
沼气干发酵是指以秸秆、畜禽粪便等有机废弃物为原料(干物质浓度在20%以上),利用厌氧菌将其分解为CH4,C O2,H2S等气体的发酵工艺。

沼气干发酵由于其发酵原料的干物质浓度高而导致的进出料难、传热传质不均匀、酸中毒等问题,是沼气干发酵的技术难点,对此国内外都进行了深入的研究。

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[9]从1986年开始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,于1988年8月通过了由农业部能源环保局主持的技术鉴定。

马云瑞等[10]研制了分离储气恒压干发酵池,其产气量基本能够满足四口之家一日两餐(6月～10月)炊事用能及照明用能(5月～l1月)。

康恒德[11]发明了小型高效稳压式自动漫渗滤干发酵沼气池。

北京合百意生态能源科技开发有限公司对沼气干发酵菌种进行了研究,研制了预处理秸秆复合菌剂和低温高效甲烷菌,目前正在进行推广示范[12]。

我国在21世纪初开始了大型沼气干发酵研究,目前还处于小试研究阶段。

甘如海[13]对畜禽粪便厌氧干发酵处理搅拌反应器进行了研究,设计试制出卧式螺带搅拌发酵罐,通过试验得出了操作参数对发酵产气过程的影响情况,确定了最优操作参数。

晏水平[14]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,其具体研究内容是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的工程化提供了一定的基础理论。

国外对沼气干发酵技术的研究比我国早,整体技术水平较我国领先。

从20世纪40年代起,德国、法国和阿尔及利亚就开始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,在90年代末,该项工艺和装备通过了中试,并于2002年生产出产业化装备,投入实际运行。

目前,国外的沼气干发酵技术已经成熟,如车库型干发酵系统、气袋型干发酵系统、干湿联合型发酵系统、渗滤液储存桶型干发酵系统[15～17]等大型沼气干发酵系统,已经投入生产性应用,可进行规模化的沼气生产。

4　沼气干发酵的工艺条件
4.1　原料的C/N比
发酵原料的C/N比,是指原料中有机碳素和氮素含量的比例关系。

在沼气发酵过程中,由于有CH4不断生成,原料的C/N比是不断下降的,因此进料的C/N比可适当高些。

当原料中N的含量过高时,高浓度的氨态氮(NH32N)将抑制厌氧发酵,在消化过程中当氨浓度增加到2000mg・L-1以上时,甲烷产量降低[18]。

目前,一般认为沼气干发酵适宜的C/N比为25～30[19]。

为了保证合适的C/N比,需要对发酵过程的营养物质进行调控。

孙国朝等[19]在干发酵的工艺条件研究中,以不同的草粪比1∶1, 2∶1进行试验,研究结果表明两者的发酵效果均良好,产气效果没有明显区别。

邹元良等[20]选用猪粪、麦秸为原料进行原料的配比试验,结果表明配比为7∶3或者6∶4是比较合适的。

Zhang Ruihong[21]在试验研究中把NH3添加到稻草消化液中,作为N源的补充,以调节发酵原料的碳氮比为25左右。

4.2　原料的预处理
原料预处理包括物理预处理、化学预处理和生物预处理。

物理预处理包括切碎、研磨等方法。

Zhang Ruihong[21]在用稻草为底物的沼气干发酵试验中,采用研磨和切碎两种物理预处理方法处理稻草,研磨比切碎在沼气产量上高出12.5%。

L M Pal2 m owski等[22]研究了有机废弃物厌氧消化时,废弃物颗粒大小对产气效果的影响,对于纤维素含量高的
固体废物,粉碎能显著提高沼气产量和有机物的降解率以及缩短消化时间,减小了消化体积。

冷成保等[23]在暗河式生活垃圾干发酵处理研究中,把垃圾用破碎机破碎以减少垃圾的粒径。

化学预处理包括酸碱浸泡、热处理等。

G hosh等[24]研究了用碱预处理城市固体垃圾后进行高温(55℃)两相消化处理,甲烷产量提高35%。

Zhang Ruihong[21]在进行稻草固体厌氧消化的研究中,对稻草分别进行60℃,90℃,110℃的热处理,结果是预处理的温度越高,甲烷生成量越多。

生物预处理主要是指发酵原料的好氧堆沤,邹元良等[20]在农村沼气干发酵的研究中指出,对发酵原料进行3～5天的堆沤,有利于控制发酵原料的酸碱度,使原料获得抗酸化的能力,可有效解决干发酵中易出现酸化的问题。

4.3　干物质浓度
水分是微生物活动不可缺少的重要因素,在干发酵过程中如果干物质浓度过高而水分含量过低,会导致挥发性酸的积累,引发酸中毒,从而导致干发酵过程的终止。

刘晓风等[25]对城市有机垃圾进行干发酵研究发现,TS浓度在30%～40%是比较理想的干物质浓度。

冷成保[23]在暗河式生活垃圾干发酵处理研究中指出,在控制总C/N(为30∶1左右)满足厌氧消化顺利进行的情况下,对垃圾固体含量从8%～40%进行实验,认为25%～30%是较理想的干物质浓度。

孙国朝[19]等以草和粪为发酵原料,在TS含量为8%～30%时,随着TS含量的增加,产生的沼气中甲烷含量有所下降,C O2含量有所上升,但产生的总沼气量相应增加,当TS含量为35%时,pH 为5.5～5.6,发生酸积累,沼气发酵受抑制。

4.4　接种物
优质足量的接种物是沼气干发酵顺利启动的重要保证。

邹元良等[20]指出,取产气正常的沼气池中的活性污泥为接种物,以比重1.03,波美度4作为一个粗略的指标,可保证接种物质量。

刘晓风等[25]对城市有机垃圾厌氧进行干发酵研究中,选择厌氧消化污泥作为接种物,按试验原料的总TS量与接种物量10∶1进行接种,结果表明发酵和产气均正常。

孙国朝等[19]指出,加大接种量,是防止干发酵前期偏酸、缩短干发酵启动时间的关键措施,但是干发酵接种量达到一定时,分解率就达到了一定极限,接种剂量在20%～30%范围内为宜。

4.5　发酵温度
根据发酵温度不同,厌氧干发酵分为常温发酵、中温发酵(30℃～38℃)和高温发酵(50℃～55℃)[27]。

常温发酵,产气率低,产气周期长,受环境温度影响大。

中温发酵与常温发酵相比,分解快、产气率高、气质好,有利于规模化生产。

高温发酵,分解快、产气率高、环保效果好,但气质稍差、耗能较多。

4.6　pH值
厌氧发酵的适合pH值为6.8～7.4,6.4以下或7.6以上都对产气有抑止作用,pH值在5.5以下,产甲烷菌的活动则完全受到抑止[28]。

在沼气干发酵过程中,如果水解发酵阶段与产酸阶段的反应速度超过产甲烷阶段,则pH值会降低,影响甲烷菌的生活环境。

在沼气干发酵启动过程中,时常有这种现象发生,即酸中毒。

对发酵原料进行1～3天的好氧堆沤,可减少挥发性脂肪酸,从而有利于沼气干发酵启动时的pH值处于正常范围内[15]。

在发酵过程中,对发酵原料的pH值进行监控,当pH值低于6.4时,可加入石灰水或者氨水调节,可保证沼气干发酵过程的顺利进行[29]。

4.7　搅拌
对发酵物进行适当的搅拌,可使微生物与发酵原料充分接触,增加原料的分解速度,扩大活性层,使得所产生的沼气容易分离而逸出,提高产气率[30]。

常用的搅拌方法有液流搅拌和机械搅拌。

液流搅拌即从外部将发酵液从反应器底部抽出,再从反应器顶部以一定角度喷回。

车库型干发酵系统、渗滤液储存桶型干发酵系统都采用了液流搅拌。

机械搅拌是指在反应器内安装叶轮等进行的搅拌。

目前,已有对沼气干发酵机械搅拌进行的试验研究,如甘如海[13]对畜禽粪便厌氧干发酵处理搅拌反应器的试验研究。

5　沼气干发酵的产气和造肥效果
5.1　产气效果
国内外大量的研究结果表明,沼气干发酵产气效果良好。

M.kottner[15]采用车库型沼气干发酵系统,以牛粪和50%的接种物进行中温(35℃)发酵,在沼气干发酵开始后的2～5天后产气趋于稳定,甲烷含量保持在60%～65%之间,产气高峰在10～28天内。

F.K aiser等[31]采用德国Bioferm公司的车库型干发酵系统进行中温发酵,饲草的产气率为191138L・kg-1干物质,绿化废弃物的产气率为188164L・kg-1干物质,牛粪产气率为218.48L・kg-1
干物质,产气高峰都在前30天内。

T K Bhattacharya 等[31]对未稀释的牛粪和稀释后的牛粪(粪水比为1∶1)在35℃进行60天的厌氧干发酵,实验结果表明未稀释的牛粪的生物可降解性为30.7%,稀释后的牛粪的生物可降解性为32.5%,认为35℃时厌氧干发酵的产气效果与传统湿发酵的产气效果基本一样。

曲静霞等[32]的研究结果表明:当发酵温度为(35±1)℃,TS含量为20%,原料滞留期为60天,平均池容产气率为2L・L-1d-1,甲烷含量达65%以上。

5.2　造肥效果
营养成分是评价沼气干发酵造肥效果的一个重要方面。

国内学者对沼气干发酵过程的营养物质损失情况进行了研究,研究结果表明沼气干发酵过程营养成分损失少。

孙国朝等[33]的研究指出,沼气干发酵的全氮损失率为1.2%～2.5%。

王天光[34]的研究指出,沼气干发酵、水压式沼气发酵、敞口沤肥、堆肥的全氮保存率分别为91.7%,8818%,74.9%和69.5%。

何丽红[26]指出,在发酵温度为55℃,C/N 比为12.5,没有搅拌操作的工艺条件下,全氮损失率为1.1804%。

卫生指标是评价沼气干发酵造肥效果的另一个重要依据。

国外学者对沼气干发酵沼渣的卫生情况进行了研究,研究结果表明沼气干发酵的杀卵灭菌效果好。

T en Brummeler[35]的实验结果表明:在经过21天的发酵后,沼气干发酵对肠细菌、沙门氏菌、假单细胞菌、镰刀菌的去除率都大于99.99%。

6　结语
沼气干发酵技术,能够保证畜禽粪便和作物秸秆在干物质浓度较高的情况下正常发酵,产生清洁能源(沼气)和优质有机肥,基本上达到零排放,符合我国广大农村地区对优良环境、清洁能源和优质有机肥的需求。

目前我国已经开展了户用沼气干发酵技术示范,但是随着农村城镇化以及养殖的集约化发展,对秸秆气化集中供气及畜禽养殖场能环工程的需求将不断加大,大型沼气干发酵将成为农业废弃物利用的重要选择。

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(上接19页)与追施化肥土壤有机质含量的差异达极显著水平,与追施沼液的差异未达到5%显著水平,说明追施沼液和追施化肥在提高土壤有机质的含量方面作用不及不追肥处理。

这可能是因为在施用基肥(猪粪、沼渣)的基础上追施沼液或化肥促进了土壤有机质的矿化,从而导致土壤有机质含量降低。

追施沼液比追施化肥土壤有机质含量高2.67g・kg-1,含量差异极显著,说明追施沼液比追施化肥有利于提高土壤有机质的含量。

3　结论
本文以等有机质含量的猪粪、沼渣为基肥,追肥(化肥与沼液)以等N、等P、等K进行施用,通过不同施肥处理对保护地土壤速效养分及土壤有机质含量影响的分析、讨论,得出如下结论:
(1)番茄收获期,各处理土壤pH有下降的趋势,但没有酸化现象发生。

(2)与施用猪粪相比,施用沼渣土壤pH值降低的幅度减小,且能够提高土壤碱解N的含量,但其土壤速效K的含量不及施用猪粪处理,而土壤有机质及土壤速效P含量差异不大。

与施用化肥相比,施用沼液使土壤pH值变化幅度增大,土壤有机质的含量提高,而土壤速效P的含量则不及施用化肥处理,对土壤碱解N、速效K含量影响的差异较小。

(3)与猪粪和沼液配合施用相比,猪粪与化肥配合施用土壤pH下降幅度减小,有机质含量降低,土壤碱解N和速效P的含量均增高,土壤速效K含量差异不大。

与沼渣和化肥配合施用相比,沼渣与沼液配合施用土壤pH值含量降低的差异不显著,但使土壤有机质和碱解N的含量更高,这对于提高土壤肥力、改善土壤环境条件具有重要的意义,而土壤速效P和土壤速效K含量未表现出明显差异。

综上所述,在保护地蔬菜栽培土壤中施用沼渣有利于防止土壤pH值的下降,施用沼渣、沼液在提高土壤有机质含量方面的效果分别优于施用猪粪、化肥,沼渣与沼液配合施用在提高土壤有机质及碱解N含量方面效果显著,猪粪与化肥配合施用有利于提高土壤速效P和速效K的含量。

因此在生产中,推广、施用沼肥对保护地土壤物理化学性质的改善有重要的意义,应加大力度进行推广。

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