石祖梁,王久臣,李 想,宋成軍,孫仁華,王 飛※
(1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)生態(tài)與資源保護總站,北京 100125; 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部資源循環(huán)利用技術與模式重點實驗室,北京 100024)
中國是農(nóng)業(yè)大國,是世界上秸稈資源最為豐富的國家。前人研究顯示,我國秸稈總體資源量近10億t,其中可以收集利用的秸稈量為9億t左右[1]。但是由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式和農(nóng)村生活方式的變革,秸稈傳統(tǒng)利用方式難以為繼,約有20%的秸稈被廢棄或露天直接焚燒,不僅污染了大氣和水體等生態(tài)環(huán)境,導致安全隱患,更造成了資源的極大浪費[2-3]。因此,如何合理有效地處置秸稈已成為政府和社會關注的焦點問題。大量研究與實踐表明,秸稈作為優(yōu)質(zhì)的生物質(zhì)能, 2 t秸稈的熱值相當于1 t標準煤[4-5],推動秸稈能源化利用,可以有效改善農(nóng)村清潔用能水平,減少化石能源消耗和二氧化碳排放[6]。而利用農(nóng)作物秸稈進行厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣,則是秸稈能源利用中極其重要的一種途徑。前人研究顯示,相對秸稈直接燃燒而言,秸稈沼氣能量利用效率可以提高1.2~1.9倍[7]。秸稈沼氣發(fā)酵產(chǎn)生的副產(chǎn)物沼渣沼液,因其富含氮、磷等營養(yǎng)元素,是良好的肥料,已經(jīng)在生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)中被廣泛應用[7-8],秸稈沼氣工程越來越受到社會的關注和重視。因此,文章在前人研究的基礎上,系統(tǒng)分析了我國秸稈沼氣面臨的形勢、技術工藝特點、存在問題,并提出下一步的發(fā)展建議,以期為推動秸稈沼氣的快速發(fā)展提供理論支撐。
化石能源的枯竭趨勢是不可逆轉的,能源緊張問題對世界的影響將日益明顯。近年來,各國不斷重視加強太陽能、核能、生物質(zhì)能等新能源的開發(fā)利用,在新興起來的諸多新能源當中,生物質(zhì)能源因其安全、穩(wěn)定、可再生的特點,是國家鼓勵發(fā)展的重點領域之一。特別是農(nóng)作物秸稈,不但產(chǎn)生量大、分布廣散、種類多樣,而且富含80%~90%的有機質(zhì),通過厭氧發(fā)酵能夠產(chǎn)生化石能源的替代品——沼氣[9]。長期以來,沼氣作為一種農(nóng)民家庭戶用的高品質(zhì)清潔能源,一直是我國農(nóng)村能源建設的重要內(nèi)容,對推動農(nóng)村生活方式的改善起到了極大的促進作用[10]。同時對沼氣進行脫碳凈化提純,能夠提升甲烷含量達到95%~97%,從而提高燃氣的熱值達到天然氣標準,可進入天然氣管網(wǎng)替代石化天然氣,也可用作車用燃氣,是能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方式。因此,發(fā)展秸稈沼氣將成為有效緩解我國能源供應壓力的一個重要途徑,并在農(nóng)村節(jié)能減排和農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護中發(fā)揮積極作用。
農(nóng)作物秸稈露天焚燒和隨意丟棄引發(fā)了一系列的環(huán)境問題,已經(jīng)得到政府和人們的廣泛關注。2018年“中央一號”文件明確提出,要加強農(nóng)村突出環(huán)境問題綜合治理,推進農(nóng)作物秸稈綜合利用。國家有關部門更提出了至2020年全國秸稈綜合利用率要達到85%以上的目標任務[11],并鼓勵開展秸稈氣化清潔能源利用工程建設,拓展農(nóng)村清潔能源供給渠道,推動秸稈綜合利用高值化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展[12]。中國每年農(nóng)作物秸稈可收集量超過8億t,其中作為秸稈沼氣良好原料的水稻、小麥和玉米3種秸稈占到80%左右[1],可見我國農(nóng)作物秸稈產(chǎn)沼氣潛力巨大。在堅持農(nóng)用優(yōu)先的基礎上,大力推動秸稈沼氣發(fā)展,有利于進一步拓展利用渠道,切實提高秸稈綜合利用率,減少資源浪費,改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境。
在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中,由于化肥、農(nóng)藥等農(nóng)業(yè)投入品大量使用,不但對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全提出了挑戰(zhàn),也造成了一系列的農(nóng)業(yè)生態(tài)問題。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部將2018年確定為“農(nóng)業(yè)質(zhì)量年”,提出要堅持綠色導向,大力推行農(nóng)業(yè)綠色生產(chǎn)方式,實現(xiàn)投入品減量化、生產(chǎn)清潔化、廢棄物資源化、產(chǎn)業(yè)模式生態(tài)化。沼氣不但有利于快速處理農(nóng)業(yè)廢棄物,其副產(chǎn)物沼渣沼液又是良好的有機肥料,對于提高農(nóng)作物產(chǎn)量并改善品質(zhì)有重要作用,已經(jīng)成為發(fā)展生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)的關鍵紐帶。同時隨著城鎮(zhèn)化和農(nóng)業(yè)供給側結構性改革的快速推進,人畜分離的趨勢越來越明顯,以前被廣泛用作沼氣原料的畜禽糞便逐漸供應不足,極大限制了農(nóng)村沼氣的發(fā)展壯大[9]。前人研究表明,全國約有20%的戶用沼氣池因原料供應不足造成閑置,甚至報廢[13]。同時由于糞便投料麻煩、臟臭等問題難以解決,農(nóng)戶對使用糞便作沼氣原料的積極性逐漸降低。因此推動秸稈沼氣工程建設,不但有利于緩解沼氣池原料不足的矛盾,也有利于發(fā)展生態(tài)循環(huán)經(jīng)濟,推動沼氣產(chǎn)業(yè)健康持續(xù)發(fā)展。
當前我國秸稈沼氣工程建設處于較快的發(fā)展階段,截止2017年,全國建成處理農(nóng)業(yè)廢棄物的沼氣工程約11萬處,其中特大型、大型、中型沼氣工程共1.8萬處,約處理畜禽糞便5.2億t、農(nóng)作物秸稈960.6萬t[14]。根據(jù)反應器的類型以及進出料方式,秸稈沼氣主要可分為以下8種工藝:豎向推流式厭氧消化工藝、全混式秸稈發(fā)酵技術、自載體生物膜秸稈沼氣工藝、覆膜槽秸稈沼氣技術、車庫式秸稈干發(fā)酵工藝、一體化兩相厭氧消化工藝、紅泥塑料厭氧消化技術、分離式兩相厭氧消化工藝。
該工藝技術特點是液態(tài)發(fā)酵,秸稈經(jīng)粉碎至2~3mm,加水調(diào)節(jié)固體含量至8%左右,每天定時、定量通過泵提升至發(fā)酵罐頂部均勻布料,進料時按照順序成層狀向下推壓,出料時則依靠自壓力從發(fā)酵罐底部排出,每天定期對沼液進行循環(huán)噴淋[15]。其優(yōu)點:一是實現(xiàn)了連續(xù)進料,使發(fā)酵達到連續(xù)穩(wěn)定的狀態(tài),解決了沼氣穩(wěn)定生產(chǎn)的問題; 二是利用系統(tǒng)內(nèi)部沼液進行循環(huán)噴淋,不但有利于維持發(fā)酵罐上部秸稈料的濕度,而且實現(xiàn)了新入秸稈原料的快速接種,顯著提高了消化和產(chǎn)氣速率。其缺點是秸稈原料粉碎粒度小,能耗和運行成本較高。
該工藝技術特點是采用液態(tài)發(fā)酵,立式反應器。在消化器內(nèi)安裝有攪拌裝置,使發(fā)酵原料和微生物實現(xiàn)完全混合,有利于改善傳質(zhì)傳熱效果等[16]。優(yōu)點是由于采用了攪拌裝置,容器內(nèi)的厭氧微生物能夠與物料更充分、更均勻地接觸,極大提高了物料產(chǎn)氣率; 同時秸稈粉碎較細,發(fā)酵濃度較低,物料流動性好,也有利于進出料。缺點是秸稈粉碎過細,能耗高,預處理成本大; 發(fā)酵物料濃度較低,所需厭氧發(fā)酵罐體積較大,加熱和攪拌能耗高,單位產(chǎn)氣量所耗的投資成本也較高。
該工藝技術特點是濕式發(fā)酵,針對秸稈吸濕膨脹從而產(chǎn)生的飄浮、分層現(xiàn)象,通過強化反應器(臥式反應器)與攪拌方式(斜攪拌與側攪拌組合)等工藝方法的集成創(chuàng)新,不斷增加物料的混合程度[17]。秸稈先經(jīng)搓揉處理后,再使用固態(tài)化學預處理劑進行預處理,時間為3d,然后送入半地下的臥式厭氧發(fā)酵池。此時,發(fā)酵池中的秸稈同時就具備了食料和載體的雙重功能。該工藝的優(yōu)點:一是秸稈經(jīng)短時間的專門預處理后,產(chǎn)氣率可提高50%~120%,且操作簡單快捷; 二是通過臥式反應器設備和攪拌方法的集成組合,可使秸稈物料與厭氧微生物充分接觸,顯著提高消化效率。缺點是采用的秸稈預處理劑是化學試劑,存在二次污染的風險; 同時秸稈原料通過物理化學方法預處理后再轉移至發(fā)酵罐,存在二次搬運問題。
該工藝技術特點是干式發(fā)酵(固態(tài)發(fā)酵),整個過程分為好氧升溫—沼氣發(fā)酵—脫水制有機肥等3個階段[5]。首先以好氧堆肥方法對物料進行好氧升溫; 其次將好氧升溫后的物料與接種物進行混勻,然后在發(fā)酵槽上使用柔性密封膜進行密封,開始厭氧發(fā)酵; 最后發(fā)酵結束時需將膜內(nèi)沼氣抽空,收起密封膜,對反應器內(nèi)物料進行翻攪,以好氧發(fā)酵方式脫水生產(chǎn)有機肥。優(yōu)點:一是前期利用好氧發(fā)酵使物料升溫,中期再做好反應器保溫措施,可以不加熱源,能夠保持物料在中溫條件下進行發(fā)酵產(chǎn)沼氣,有利于降低系統(tǒng)能耗和運行成本,并提高產(chǎn)氣率; 二是解決了常規(guī)干法發(fā)酵方式中的進出料難題,該工藝采用軟管充氣壓力密封方式,使發(fā)酵槽體能夠?qū)崿F(xiàn)快速的密封或解封,有利于裝載機等進出料設備的使用,大大提高了進出料效率; 三是模塊化、單元化設計,可以增加或減少發(fā)酵反應器的啟動數(shù)量,來滿足不同用氣規(guī)模的需求; 四是適應性廣,對原料要求限制低,有利于畜禽糞污、農(nóng)作物秸稈、生活垃圾等多種廢棄物的轉化利用。缺點是初始投資較大,對運行管理人員要求高; 頂部和側面均依靠彈性膜密封,對膜密封性要求高,存在安全隱患。
該工藝技術特點是干式發(fā)酵(固態(tài)發(fā)酵),采用序批式進料的方式。前期將秸稈進行粉碎,并用富含菌種的沼渣進行接種,而后可用鏟車等設備直接送入車庫式反應器中,通過滲濾液回流噴淋達到連續(xù)接種和緩解過度酸化的目的[18]。優(yōu)點:一是方便快捷,系統(tǒng)解決了干發(fā)酵進出料難的問題; 二是車庫式反應器內(nèi)設計沼液回流噴淋系統(tǒng),實現(xiàn)了沼液循環(huán)利用,無排放污染的問題; 三是水密封、機械密封和氣密封多項技術耦合使用,解決了發(fā)酵庫難密封的問題; 四是適應性廣,對原料要求限制低,有利于多種農(nóng)業(yè)廢棄物的轉化利用。缺點:一是容積利用率低,工程建設初始投資大; 二是對密封性、物料的導氣性、滲濾液的噴淋傳質(zhì)要求均較高,換料前需進行氣體置換。
該工藝技術特點是干式發(fā)酵。秸稈經(jīng)粉碎、青貯等預處理后,裝入?yún)捬醴磻鲀?nèi),從反應器頂部均勻噴灑沼液,秸稈在頂部呈現(xiàn)出相對靜止的“填料”狀態(tài),而沼液則部分向下流動,從而形成兩相反應區(qū)[19]。該技術優(yōu)點:一是在同一反應器中實現(xiàn)了兩相分區(qū),即固相濾池產(chǎn)酸和液相全混產(chǎn)甲烷,保證了兩種菌類(產(chǎn)酸菌、產(chǎn)甲烷菌)在各自反應區(qū)內(nèi)的適宜環(huán)境,從而有利于提高產(chǎn)氣率; 二是實現(xiàn)連續(xù)進料和沼液回流循環(huán)接種,有效解決了秸稈發(fā)酵易酸化的難題。缺點是工程建設初始投資大,對運行管理人員素質(zhì)要求高; 同時兩相反應處于同一反應器中,難以得到優(yōu)化調(diào)控,池容產(chǎn)氣率不高。
該工藝條件下,厭氧反應器為敞口式的鋼筋混凝土結構,反應器上使用紅泥塑料進行覆蓋產(chǎn)氣[20]。秸稈可進行粉碎處理,也可不進行粉碎,直接在消化器內(nèi)堆制5~10 d。秸稈堆制時,需要分層添加畜禽糞便作為接種物和營養(yǎng)調(diào)節(jié)劑。堆制結束,往敞口式反應器內(nèi)注入可淹沒物料的水量后覆上紅泥塑料,并進行水密封,進行厭氧消化。該技術優(yōu)點:一是紅泥塑料吸熱性能好,能夠有效維持反應器內(nèi)的發(fā)酵溫度,利于提高產(chǎn)氣效率; 二是可采用機械進出料,能耗低、操作簡單、換料方便; 三是反應器頂部和四周設置循環(huán)噴淋系統(tǒng),能夠定期實現(xiàn)沼液回流,防止結殼現(xiàn)象。缺點是秸稈容易飄浮,物料傳質(zhì)不均; 反應器上層1/3左右的秸稈無法降解,氣體逸出困難,原料產(chǎn)氣率低。
該工藝技術特點是干濕兩相發(fā)酵,固相和液相分別在產(chǎn)酸反應器和產(chǎn)甲烷反應器進行。秸稈首先在產(chǎn)酸反應器中轉化為有機酸進入水解液,然后在產(chǎn)甲烷反應器中進行消化產(chǎn)沼氣,而沼液則作為接種物再回流至產(chǎn)酸反應器中應用[21]。優(yōu)點:一是工藝可以靈活組合,產(chǎn)酸相既可濕式發(fā)酵也可干式發(fā)酵,對產(chǎn)甲烷發(fā)應器要求低,常規(guī)的CSTR、AF、UASB等均可用; 二是原料適應性廣泛,管理方便,可實現(xiàn)連續(xù)進出料,不影響產(chǎn)氣的連續(xù)性; 三是可控性強,產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌均能保持適宜的生長環(huán)境,同時通過調(diào)節(jié)沼液循環(huán)回流,能夠控制產(chǎn)氣數(shù)量; 四是提高了沼氣產(chǎn)量和品質(zhì),采用兩相發(fā)酵,可通過產(chǎn)酸相與產(chǎn)甲烷相分別進行優(yōu)化,獲得最大水解率與甲烷產(chǎn)率。缺點是相分離工藝控制條件尚未完善,水解產(chǎn)酸相也會產(chǎn)生一部分甲烷。
農(nóng)作物秸稈是伴隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)而產(chǎn)生的,因此秸稈的來源受季節(jié)、氣候、地形、收獲條件等因素的影響較大。在中國,作物收獲和種植之間的時間短,季節(jié)緊湊,不容許秸稈在田間有過多的存放時間[2]。同時分散性農(nóng)戶種植規(guī)模小、田塊分散,機械化操作不便等原因,也使秸稈難以實現(xiàn)快速、集中的收集運輸; 加之我國秸稈收儲運體系建設尚不完善,導致秸稈收儲市場化、專業(yè)化水平較低,原料來源成本較高,對秸稈沼氣工程的正常運行提出嚴峻挑戰(zhàn)。因此,如何保證秸稈沼氣工程原料的持續(xù)供給將是產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要重點解決的難題。
秸稈雖然富含有機質(zhì),產(chǎn)甲烷潛力較高,但其也富含40%~55%的纖維素、10%~25%的半纖維素和20%~30%的木質(zhì)素[22],這3者在秸稈中相互纏繞,空間結構致密堅固,不易被厭氧微生物降解,導致秸稈中水溶性物質(zhì)析出較慢,容易造成厭氧發(fā)酵周期長、秸稈降解程度不充分等一系列問題[23]。同時農(nóng)作物秸稈的C/N一般高于正常發(fā)酵所需的20~30 ∶1,啟動發(fā)酵時需要添加氮素原料進行調(diào)節(jié),以減少發(fā)酵啟動時間,提高沼氣產(chǎn)量[24]。因此一般在沼氣發(fā)酵前需對秸稈進行預處理[25-26]。目前的預處理技術有物理法、化學法、熱處理法、生物法、青貯預處理法、超聲波與稀堿法聯(lián)合法等,但無論何種預處理技術均會增加運行成本,影響了規(guī)?;斩捳託夤こ踢\行主體采用預處理技術的積極性; 同時現(xiàn)有的單項處理技術雖然在一定程度上提高了秸稈厭氧消化率和產(chǎn)氣率,但是在能耗、環(huán)境污染、處理周期等方面還有待進一步提升和改進,對適宜高效的預處理技術方法還需要進行深入研究。
秸稈產(chǎn)沼氣后,一些較難分解的物質(zhì)以沼渣形式殘留于沼氣池內(nèi),會顯著影響沼氣池有效容積,減少產(chǎn)氣量。因此需要定期對沼氣池進行清池,以保證正常產(chǎn)氣功效[27]。而在生產(chǎn)實際中,采用常規(guī)的抽吸式出料車進行作業(yè)時,極易出現(xiàn)秸稈物料的堵塞現(xiàn)象,尤其是沉淀的纖維沼渣在放料時難以放出。目前,戶用秸稈沼氣一般采取袋裝式整進整出的方法,但大型秸稈沼氣工程的出料主要使用挖掘機來完成,不僅費用和能耗較高,而且在作業(yè)過程中極易損壞沼氣池池壁[28]。因此,針對大中型秸稈沼氣池快速出料的高效設備和方法還有待進一步研發(fā)。
發(fā)達國家的沼氣主要用于發(fā)電和提純并入天然氣管網(wǎng),且政府對于可再生能源的政策支持力度較大,能夠保障沼氣工程在經(jīng)濟上持續(xù)運行[29]。而我國生產(chǎn)沼氣主要以戶用和集中供氣為主,主要是用作農(nóng)村的炊事用能,高質(zhì)量的利用比例還較低。其后續(xù)產(chǎn)品——沼液、沼渣,養(yǎng)分含量極其豐富,是良好的有機肥,但目前對沼渣、沼液的綜合利用還未達到產(chǎn)業(yè)化發(fā)展,加上清潔發(fā)展機制暫未引入,沼渣、沼液安全利用規(guī)范和沼肥的深加工技術還有待進一步完善和提升,沼氣工程的整體收益不高,造成秸稈沼氣工程自負盈虧能力較差。
為鼓勵發(fā)展沼氣,我國政府出臺了一系列激勵政策。但中央財政資金重點支持的是土建、設備等方面的投資,很少有針對工程運行服務和終端產(chǎn)品利用方面的政策補貼機制; 部分法規(guī)和部門規(guī)章規(guī)定對可再生能源發(fā)電實行價格補貼,但未實行強制性的可再生能源發(fā)電收購策略,導致沼氣工程發(fā)電上網(wǎng)困難[30]。長期以來,我國農(nóng)村沼氣發(fā)展存在重建設輕管理的局面,一缺沼氣運行維護服務網(wǎng)絡,二缺專業(yè)性的技術人員,三缺專門的設備、配件,導致大量沼氣池壽命短,運行率不高,有些還存在一定的安全隱患,嚴重挫傷了企業(yè)、農(nóng)戶建設使用秸稈沼氣的積極性[31]。
加強農(nóng)機農(nóng)藝的有效融合,加快研制改進作物收獲——秸稈收集打捆一體化裝備,實現(xiàn)秸稈的快速收儲; 研究完善配套農(nóng)藝措施,引進作物新品種、改進種植方式,在保證作物產(chǎn)量的基礎上,延長茬口的收種時間,為秸稈的收集提供時間保障; 明確不同作物地上部木質(zhì)素、纖維素含量空間分布特征,研究制定留茬高度,積極探索只收集秸稈木質(zhì)纖維素含量較低部分的可能性; 加快秸稈收儲運體系建設,為秸稈沼氣工程提供充足、穩(wěn)定的原料供給。
面對能源緊張越來越重的趨勢,沼氣高附加值產(chǎn)品的開發(fā)利用將是整個社會的發(fā)展趨勢。應進一步加強沼氣提純后作為車用燃料、民用燃料的關鍵技術和模式研究。針對目前沼渣沼液受農(nóng)作物不同生長周期對水肥需要的季節(jié)性限制等問題,配套建設相應規(guī)模的儲存裝置來緩解農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與沼肥生產(chǎn)不同步的矛盾,并大力研發(fā)沼渣沼液快速出料和有效儲存技術或減容處理技術,以促進秸稈沼氣工程產(chǎn)業(yè)化程度的提高和完整產(chǎn)業(yè)鏈的形成,實現(xiàn)秸稈資源化高效利用和秸稈沼氣工程的可持續(xù)發(fā)展。
明確不同作物秸稈厭氧發(fā)酵時沼液、沼渣的理論產(chǎn)生量,對沼液儲存池的結構進行改進設計,并研究從農(nóng)藝技術上減少揮發(fā)性氣體的排放,如制定沼渣、沼液的施用的具體技術規(guī)程等(明確溫度、風速、濕度等環(huán)境條件)、添加適量酸以降低溶液 pH 值減少氨的揮發(fā)等??茖W施用沼肥,研究單位土地面積對沼渣、沼液的容納能力,針對不同土壤、不同作物制定配方施肥、按需施肥、按季節(jié)施肥的技術標準,發(fā)揮沼肥在種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)中綜合利用的生態(tài)作用。
加大政策工具的創(chuàng)設研究,建立從工程建設、到沼氣生產(chǎn)、到市場運營的配套激勵機制,加大對相關環(huán)節(jié)的財政專項扶持和補貼力度。同時按照《中辦國辦關于創(chuàng)新體制機制推進農(nóng)業(yè)色發(fā)展的意見》要求,積極探索沼氣發(fā)電并網(wǎng)、提純灌裝、熱能回收、沼肥綜合利用的政策工具,推動“秸—沼—肥”循環(huán)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)模式發(fā)展。探索建立秸稈沼氣工程后續(xù)服務管理模式和機制,建立完善的秸稈沼氣物業(yè)管理服務網(wǎng)點,提供燃氣用具安裝、零配件更換、故障排除、計費繳費等全方位服務,確保秸稈沼氣工程建設取得實效并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化運營。