秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣預(yù)處理研究

趙志斌，張紅，高冬梅

（1.青島中科華通能源工程有限公司，山東青島266101；2.青島青環(huán)環(huán)?？萍寂c清潔生產(chǎn)服務(wù)中心，山東青島266003）

我國(guó)是全球農(nóng)業(yè)大國(guó)，每年產(chǎn)生的農(nóng)作物秸稈近9 億t，是世界上秸稈資源最為豐富的國(guó)家之一[1]。然而由于綜合利用不充分，秸稈廢棄和違規(guī)焚燒現(xiàn)象嚴(yán)重，帶來(lái)了一系列資源浪費(fèi)和環(huán)境污染問(wèn)題?！敖斩拸U棄物是放錯(cuò)了地方的資源”，其具有易生物降解、可回收生物能源、資源化用途廣和產(chǎn)品附加值高等優(yōu)點(diǎn)。秸稈厭氧消化可產(chǎn)生清潔能源——沼氣，不但可作為農(nóng)民生活用能，也可替代天然氣等用于工業(yè)生產(chǎn)，同時(shí)還能產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的有機(jī)肥，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，促進(jìn)生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展[2]。

近幾年，雖然我國(guó)秸稈沼氣工程取得了很大的進(jìn)步，但由于秸稈的特殊性，在其厭氧產(chǎn)沼氣技術(shù)方面仍然存在很多難題。圍繞秸稈的特性來(lái)探討預(yù)處理對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的影響，以期為秸稈沼氣工程選擇原料和預(yù)處理方式提供一定的借鑒。

1 秸稈的物理組成

農(nóng)作物秸稈主要有水稻、小麥、玉米、谷類、油料作物以及煙草類等，主要成分是纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，但不同秸稈主要成分都不相同，產(chǎn)氣潛力也不同。一般是纖維素的含量最高，質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為40%～55%，半纖維素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～25%，木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%～30%[3]。郭冬生[4]對(duì)水稻、小麥和玉米秸稈的有效成分和產(chǎn)氣規(guī)律進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)玉米秸稈中的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等成分的含量均比水稻和小麥的高，產(chǎn)氣量也最高，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 主要農(nóng)作物秸稈的有效成分%

2 秸稈預(yù)處理技術(shù)

秸稈中的木質(zhì)素、纖維素、半纖維素3 種主要物質(zhì)在細(xì)胞壁中緊密地結(jié)合在一起形成堅(jiān)硬的木質(zhì)纖維素，阻礙微生物對(duì)秸稈內(nèi)部纖維素的消化分解，導(dǎo)致厭氧消化時(shí)間長(zhǎng)、產(chǎn)氣效率低。因此，農(nóng)作物秸稈的預(yù)處理是影響發(fā)酵產(chǎn)氣效率的重要因素。

目前，國(guó)內(nèi)外秸稈發(fā)酵預(yù)處理技術(shù)主要有物理技術(shù)、化學(xué)技術(shù)、生物技術(shù)、物理化學(xué)技術(shù)和化學(xué)生物聯(lián)合處理技術(shù)等。物理技術(shù)主要是機(jī)械加工、高壓、輻射處理，減小原料粒徑，改變物質(zhì)結(jié)構(gòu)以促進(jìn)后期發(fā)酵效果。Clarkson[5]研究發(fā)現(xiàn)，粉碎后的秸稈比未經(jīng)處理的秸稈產(chǎn)氣量提高了近20%?；瘜W(xué)法主要通過(guò)添加酸、堿等破壞秸稈內(nèi)部結(jié)構(gòu)，促進(jìn)纖維素分解。

Gunaseelna[6]用10%的鹽酸對(duì)水稻秸稈進(jìn)行處理發(fā)現(xiàn)，秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣量和甲烷含量分別提高了25%和67%。張鳴[7]等研究表明，4‰NaOH 處理后的玉米秸稈累計(jì)產(chǎn)氣量相比自來(lái)水對(duì)照提高了21.87%，NaOH 預(yù)處理效果好于Ca（OH）2。然而化學(xué)法處理易產(chǎn)生二次污染，環(huán)境友好性差。生物法主要是利用好氧微生物菌群對(duì)纖維素的分解，從而使秸稈更利于厭氧發(fā)酵菌群的利用和分解，如秸稈青貯、菌劑添加和沼液預(yù)處理等。

3 秸稈粉碎預(yù)處理

在實(shí)際中物理預(yù)處理技術(shù)應(yīng)用最為普遍，對(duì)實(shí)際項(xiàng)目成敗的影響更為關(guān)鍵。通常機(jī)械粉碎是一種比較經(jīng)濟(jì)、易于操作的粉碎方式，粉碎程度在很大程度上決定了預(yù)處理工藝的輸送料設(shè)備和攪拌機(jī)配置的選擇。

3.1 原料選取

以黑龍江克東地區(qū)的玉米秸稈為原料進(jìn)行研究，對(duì)秸稈密度、原始粒徑、自然堆積密度、浸潤(rùn)性能、浸潤(rùn)后密度、粉碎粒徑、含水率變化等物理特性進(jìn)行測(cè)試。受地區(qū)收割習(xí)慣的限制，當(dāng)?shù)卮蟛糠衷狭綖?0 cm 左右或更長(zhǎng)，平均含水率約10%，秸稈散亂形狀不一，大部分為絲狀，寬度較大，原料狀態(tài)見(jiàn)圖1。

圖1 黑龍江地區(qū)玉米秸稈原料

3.2 粉碎設(shè)備選用

（1）選用24 m3雙絞龍TMR 飼料攪拌機(jī)作為秸稈粉碎設(shè)備，設(shè)備自身具備稱重功能。TMR 攪拌機(jī)是一種將粗料、精料、礦物質(zhì)、維生素和其他添加劑充分混合的設(shè)備，具有強(qiáng)大的粉碎功能，可將長(zhǎng)秸稈切碎成絲狀（圖2）。

圖2 TMR 攪拌機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

（2）設(shè)備旁安裝自來(lái)水管，水管出水口接軟管以實(shí)現(xiàn)人工干預(yù)噴灑，自來(lái)水管適當(dāng)位置安裝流量計(jì)1 套，并對(duì)流量計(jì)校正使其能正常準(zhǔn)確顯示用水量。

（3）抓草車，去掉捆繩的秸稈通過(guò)抓草車投入到TMR 攪拌機(jī)內(nèi)。

3.3 粉碎與浸潤(rùn)

首先開(kāi)啟TMR 攪拌機(jī)調(diào)整旋轉(zhuǎn)速度，然后將秸稈投入到攪拌機(jī)內(nèi)攪拌均勻，之后再次投加，直至投加量達(dá)到設(shè)計(jì)量。每批次取樣玉米秸稈原料20 m3，粉碎5 個(gè)批次，共計(jì)100 m3。操作步驟及要點(diǎn)如下。

（1）投料時(shí)每次加至接近需求容積后通過(guò)人工投加調(diào)整至需求容積，其誤差控制在±5%范圍。

（2）容積通過(guò)測(cè)量裝入原料后剩余空間的體積值與總體積相減得出，取5 次體積的平均值。

（3）裝填物料達(dá)到設(shè)計(jì)容量后停止加料，可在設(shè)備上直接讀取重量，進(jìn)而計(jì)算原料的自然堆積密度。

（4）開(kāi)啟電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)絞龍，觀察并計(jì)時(shí)運(yùn)行40 min。測(cè)定粉碎后秸稈總體積。

（5）分批次向秸稈料箱內(nèi)加水，每次注水后運(yùn)行一段時(shí)間絞龍保證秸稈攪拌均勻并觀察秸稈含水狀態(tài)，直至下方出料口有銷量水流出，停止加水，繼續(xù)攪拌至無(wú)水流出（圖3）。

（6）停止絞龍運(yùn)轉(zhuǎn)，平整物料后測(cè)定其體積，讀取重量數(shù)據(jù)。

圖3 粉碎浸潤(rùn)后秸稈

3.4 秸稈粉碎后物理性質(zhì)測(cè)算

（1）原始秸稈捆直徑約2 m，寬度約1.5 m，計(jì)算單捆體積約為4.71 m3，質(zhì)量750～800 kg；測(cè)得含水率約10%（質(zhì)量比），平均密度約0.17 t/m3。

（2）選取5 個(gè)批次原始秸稈進(jìn)行粉碎和浸潤(rùn)后物理特性測(cè)定結(jié)果表明：原始秸稈自然堆密度平均值為0.061 t/m3，粉碎后秸稈堆密度增大為0.077 t/m3；浸潤(rùn)后的秸稈（含水率70%，TS=30%）的堆密度顯著增加，為0.336 t/m3，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

（3）經(jīng)篩分比選粉碎后秸稈粒徑分布為：小于2 cm的約為80%，2～5 cm 的約為10%，5～10 cm 的約為5%。

3.5 秸稈進(jìn)料系統(tǒng)

經(jīng)過(guò)對(duì)秸稈原料的粉碎、浸潤(rùn)測(cè)試以確定風(fēng)干玉米秸稈的吸水性能及切割效果，可根據(jù)進(jìn)料批次、批次持續(xù)時(shí)間、秸稈密度等確定布料器的容積，從而確保進(jìn)料機(jī)制的完備和進(jìn)料量的精確。從節(jié)能及原料的特性方面考慮，秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣工程可采用兩種進(jìn)料方式：干式進(jìn)料和濕式進(jìn)料。干式進(jìn)料即采用布料器、螺旋輸送機(jī)等設(shè)備將秸稈直接投入?yún)捬醢l(fā)酵罐內(nèi)。濕式進(jìn)料即將原料與水或沼液在調(diào)配池內(nèi)預(yù)先混合，混合均勻后再通過(guò)輸送泵輸送至發(fā)酵罐內(nèi)。目前，在線混合濕式進(jìn)料設(shè)備應(yīng)用較多，可將沼液、水等和原料在較小的與泵一體的料箱內(nèi)迅速混合并直接輸送至發(fā)酵罐內(nèi)，建設(shè)簡(jiǎn)單，易于管理。

表2 秸稈預(yù)處理前后物理參數(shù)變化統(tǒng)計(jì)表

4 建議

4.1 秸稈收集儲(chǔ)存

考慮到秸稈的成分穩(wěn)定，需要盡可能早地進(jìn)行儲(chǔ)存，對(duì)收割下來(lái)的原料，邊收邊貯，盡量減少曝曬，避免堆積發(fā)熱，以保證貯料新鮮。同時(shí)避免在雨天進(jìn)行收割、運(yùn)輸貯料，以減少泥土的污染。貯窖內(nèi)設(shè)有專人及設(shè)備將原料攤平。當(dāng)貯料裝填距窖口40～50 cm 時(shí)，緊貼窖的四壁圍上專用塑料薄膜，市面上多為黑白膜。裝填的期限不能過(guò)長(zhǎng)，最好在短時(shí)間內(nèi)裝填完并密封。

4.2 秸稈加水浸潤(rùn)

黃貯的成敗關(guān)鍵在于加水，所以需要安排有經(jīng)驗(yàn)的人員專門加水。加水要本著先少后多、邊裝填、邊壓實(shí)、邊加水的原則，加水量要根據(jù)原料實(shí)際水分含量而定，以貯料的總水分含量達(dá)到65%～75%為宜，過(guò)多過(guò)少都會(huì)影響發(fā)酵效果。

4.3 秸稈預(yù)處理

秸稈類原料中纖維類物質(zhì)含量比較高，且密度小不易分解，如果原料不能得到有效的粉碎及浸潤(rùn)，在發(fā)酵過(guò)程中非常容易上浮，在發(fā)酵環(huán)境中如果得不到很好的混合，則會(huì)形成浮渣殼，厚度和強(qiáng)度都隨時(shí)間的增加及進(jìn)料量的增加而增厚增強(qiáng)，會(huì)嚴(yán)重限制其沼氣化利用效率，甚至?xí)黾庸摅w的承受壓力。因此，在粉碎設(shè)備方面還需要進(jìn)行創(chuàng)新和突破，同時(shí)在沼液回流浸潤(rùn)方面進(jìn)行深入的研究，以期減少沼液對(duì)沼氣工程帶來(lái)的困惑，使秸稈沼氣工程走上可持續(xù)發(fā)展之路。