秸秆干发酵产沼气技术的概述和展望
秸秆沼气工程技术难点分析及建议詹偶如
秸秆沼气工程技术难点分析及建议詹偶如发布时间：2021-08-08T11:01:37.581Z 来源：《中国科技人才》2021年第12期作者：詹偶如[导读] 中国是一个农业大国，农业秸秆数量多，品种丰富。
随着粮食产量的增加，农作物秸秆年产量也逐年增加。
秸秆有机质含量高，是一种可有效利用的优质资源。
相反，如果没有得到有效的利用或处理，会造成巨大的资源浪费，而大量的秸秆露天焚烧容易造成空气污染、火灾事故等。
因此，“十一五”后，秸秆综合利用的研究引起了国内学者的关注。
詹偶如杭州能源环境工程有限公司浙江杭州 310020摘要：中国是一个农业大国，农业秸秆数量多，品种丰富。
随着粮食产量的增加，农作物秸秆年产量也逐年增加。
秸秆有机质含量高，是一种可有效利用的优质资源。
相反，如果没有得到有效的利用或处理，会造成巨大的资源浪费，而大量的秸秆露天焚烧容易造成空气污染、火灾事故等。
因此，“十一五”后，秸秆综合利用的研究引起了国内学者的关注。
秸秆沼气工程既能解决我国秸秆过剩的问题，又能生产清洁能源，解决能源短缺的问题，因此一直是研究和探讨的重点。
虽然我国已经开展了多年的相关研究和推广，但仍存在许多未解决的问题，导致少数项目实际投入运行。
关键词：秸秆沼气；工程技术；难点；建议1沼气工程技术难点分析1.1秸秆收集运输成本高为了降低单位质量的运输成本，应尽量压实秸秆，提高堆放高度。
在打捆时，应打成高密度的自然捆或大的圆捆。
但是，这种高密度的大捆在使用中又会存在一些问题。
一是包体通风不良，含水率高时易发霉，影响后续贮藏和厌氧发酵。
二是秸秆在使用之前需要被破碎，大型捆包直接放入破碎机是很困难的，需要先进行拆包、打散、筛土，然后再放入破碎机，因此破碎前还需要大型拆包、打散和筛土设备，这无疑增加了秸秆预处理的难度和成本。
1.2秸秆贮存难度大秸秆生产具有季节性，沼气项目需要全年运行，需要长时间储存大量的秸秆。
秸秆含水率变化较大，在10% ~ 50%之间。
世界最新干法(固体)沼气发酵技术简介
世界最新干法（固体）沼气发酵技术简介传统的沼气发酵均采用湿法技术，由于湿法技术发酵耗能高、处理干物质的成本高等一系列缺点，限制了其适应的范围和地域。
由于连续性干法沼气发酵工艺太复杂、成本过高，因此未能得到推广。
从90年代起，德国大量资助了新型的间歇式干法沼气发酵技术的研发。
90年代末，德国间歇式干法沼气工艺和装备通过了中试，2002年，生产出工业级装备并投入实际运行。
新型的间歇式干法沼气发酵技术比起传统的湿法技术有下述优点：1）自身耗能低，冬季仅耗用自身产生的能量10-15%。
而湿法要耗用30%左右的能量，在北方寒冷地区冬季甚至会达到45%，因而大大限制了沼气技术在北方寒冷地区的推广。
2）可以直接处理农作物秸秆和城市垃圾等固体可发酵有机物，大大节省了预处理成本。
3）由于没有搅拌器和管道，发酵不受干扰物质如塑料、木块、沙石等的影响，因而不需花费人力和设备将其在发酵前检出。
4）在发酵罐/室中没有搅拌器等运动部件，因此系统的可靠性很高。
5）沼气质量高（含硫量远远低于湿法沼气，只有50-300ppm，可以不经洗气直接供沼气发动机使用），发酵物出气率高。
6）发酵室为地面车库型不透气混凝土结构，底部管道暖气供热，因而土建费用很低。
7）发酵室为模块化结构，易扩展。
8）建设和运营成本随规模增长很慢，占地省，适于建设年处理可发酵垃圾一万吨以上、年产沼气100万立方米以上的大型沼气工程。
9）进料出料可使用通用的装载机等工程机械，设备效率高，通用性强。
10）因为发酵剩余物无湿法发酵的沼液，所以不用脱水处理，发酵剩余物经简单的过筛和短时间的堆肥即可用作园林肥料或农作物肥料，因而存储和后处理费用低，价值高。
11）耗水量比起湿法大大降低，几乎没有污水排放，大大节省了水费和污水处理费。
12）由于上述的原因，因而新型的间歇式干法沼气发酵工艺的初期投资、运营成本和环境成本都远远低于湿法技术。
间歇式干法沼气发酵技术与湿法沼气技术相比，有两个关键的技术问题需要解决：1）发酵初期与发酵结束时发酵室沼气浓度与空气浓度达到临界点15:85时的防爆安全，需要高度安全可靠的自动控制系统。
农业废弃物利用沼气技术
汇报人：
促进农业可持续发展，提高农民收 入
农业废弃物沼气技术可以提供清洁能源，减少对化石燃料的依赖。 沼气是一种可再生能源，可以减少温室气体排放，降低环境污染。 沼气技术可以改善农村能源结构，提高农村能源利用效率。 沼气技术可以促进农业废弃物的资源化利用，提高农业废弃物的附加值。
提高资源利用率：将农业废弃 物转化为沼气，提高资源利用 率
农业废弃物沼气技术在提高农 民收入中的应用效果
推广方式：政府支持、企业合作、 农民参与
经验总结：技术成熟，经济效益显 著，社会效益明显
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推广效果：提高能源利用效率，减 少环境污染
推广建议：加强政策支持，扩大推 广范围，提高农民参与度
PART SIX
未来发展方向：沼气技术将更 加智能化、自动化，实现远程 监控和管理
技术发展趋势：沼气技术将 更加高效、环保、经济
挑战：需要解决沼气技术在推 广和应用中遇到的技术难题和
成本问题
机遇：随着环保意识的提高和 政策的支持，沼气技术将迎来
更大的发展机遇
成本问题：建设沼气设施需要 投入大量资金，运营成本也较 高
技术成熟度：沼气技术尚处于 发展阶段，需要进一步研究和 改进
环境问题：沼气生产过程中会 产生废气、废水等污染物，需
国外案例：某国利用农业废弃物进 行沼气发电，降低碳排放
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中国案例：某地农村利用农业废弃 物进行沼气供热，提高冬季取暖效 率
国外案例：某国利用农业废弃物进 行沼气供热，提高能源利用效率
农业废弃物沼气技术在农业生 产中的应用效果
农业废弃物沼气技术在环境保 护中的应用效果
浙江省农作物秸秆综合利用主推技术——秸秆沼气生产技术
实用技术·种植技术·新农村2018.91．技术原理概述该技术是利用沼气设备，以秸秆和畜禽粪便为发酵原料，在严格的厌氧环境和一定的温度、水分、酸碱度等条件下，经过厌氧发酵获得沼气、沼液等产品的一种秸秆利用技术。
2．技术流程秸秆沼气生产技术通过采用秸秆粉碎堆肥、残液厌氧发酵、沼液肥水同灌、沼渣制作基质、沼气脱硫发电这五大工艺，实现秸秆、残菜的无害化处理和资源化利用，消除环境污染，保持和提高耕地的土壤质量，解决农村的能源短缺，促进农业的可持续发展。
秸秆沼气生产技术操作流程图3．技术要点（1）沼渣制作基质将生产过程中产生的秸秆、残菜等废弃物粉碎，用移动式输送带输送至太阳能发酵房进行厌氧堆沤发酵，产生的有机质可加工制成育苗基质。
（2）残液厌氧发酵发酵过程中产生的渗滤液进入渗滤液池，然后自流进入匀浆池。
把附近养殖场收集的猪粪倒入匀浆池，与渗滤液混合后搅拌均匀，调配成TS=10%的混合料液后泵至一体化厌氧罐（沼气池）进行厌氧发酵。
（3）沼气脱硫发电厌氧产生的沼气经脱硫净化后通过沼气发电机发电为企业提供电能，沼气发电机余热可用于匀浆池和厌氧罐的增温。
（4）沼液肥水同灌厌氧发酵后产生的沼液流入沼液池内沉淀储存，用于蔬菜基地肥水喷灌或用封闭式运输车拉至田间沼液池作灌溉用。
（5）污泥接种菌种一体化厌氧罐（沼气池）和沼液池产生的污泥回流进入菌种池，用于太阳能发酵房厌氧菌接种。
4．适宜范围该技术适用于浙江省大部分粮食产区和蔬菜生产基地，即农作物秸秆量大、尾菜就地利用压力大的区域。
可根据收集的农作物秸秆种类和特性，选择适宜的沼气工程发酵工艺。
5．应用效果例举浙江省杭州市萧山舒兰农业有限公司以秸秆沼气为核心的农业废弃物循环利用示范工程，建有一体化厌氧罐300m 3、双膜贮气柜120m 3、沼液池200m 3、秸秆残菜堆棚150m 2，并配有沼气发电机、沼液输送管网等设备。
年处理秸秆废弃物910吨，年产沼气3．3万m 3，沼液用于800亩蔬菜基地。
干发酵_秸秆资源化利用的最佳途径
干发酵——秸秆资源化利用的最佳途径齐 岳农业部规划设计研究院摘 要：秸秆利用在我国已经呈现出多元化的趋势。
本文介绍了我国在秸秆还田、用作饲料、建筑材料和 燃料等方面的应用，比较其各自优缺点，指出利用秸秆进行干发酵制备沼气是资源化利用的有效 途径，并讨论秸秆干发酵相关工艺条件对产气量的影响。
关键词：秸秆;干发酵;沼气 1 引言 秸秆作为农业生产的主要废弃物，我国每年约产生6.4亿吨[1]。
目前主要以焚烧的手段进行处理。
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CO2, SO2等气体的排放, 污染了空气, 加重了全球气候变暖。
因此，研究适用的方法处理利用秸秆，实现其资源化，既是农业可持续发展的需要，也是缓解当今中国面临的资源、能源、环境危机的重要途径。
2 秸秆的组成和特点 尽管秸秆是农业废弃物，但其也是一种物质和能量的载体，是一种特殊形态的农业资源。
他们不仅具有较高的热值和粗纤维含量，且含有丰富的有机质、氮、磷、钾等营养元素，以及镁、钙、硫和其它重要的微量元素。
根据其化学组成和营养成分的不同特点，可以适当的开发研究其在燃料、有机肥、建材、饲料、工业原料等方面的应用[2]。
3 我国秸秆资源化利用现状及存在问题 近年来, 我国秸秆资源化利用取得了一定的成就，主要表现在以下几个方面。
3.1 秸秆还田利用 将秸秆直接或加工后还田，不仅可增加土壤有机质和速效养分含量，培肥地力，缓解氮、磷、钾肥比例失调的矛盾；调节土壤物理性能，改造中低产田；形成土壤有机质覆盖，抗旱保墒；还可以增加农作物产量，优化农田生态环境。
新能源产业17 但秸秆还田不当会引来不良后果。
由于我国人均耕地少，机械化程度较低，耕地复种指数高，倒茬时间短，而且秸秆碳氮比高，给秸秆还田带来困难。
常因翻压量过大、土壤水分不够、施氮肥不够、翻压质量不好等原因，出现妨碍耕作、影响出苗、烧苗、病虫害增加等现象，严重的还会造成减产[3]。
秸秆沼气技术流程
秸秆沼气技术流程秸秆沼气技术是利用秸秆作为原料进行沼气发酵，将秸秆转化为沼气，从而实现能源的利用和环境保护的双重目的。
具体的技术流程如下：1. 秸秆收集清洗与切碎秸秆收集后需要进行清洗和切碎。
清洗是为了去除秸秆表面的杂质和污染物质。
切碎是为了增加秸秆的表面积，加速菌群的附着和沼气发酵速度。
2. 秸秆预处理秸秆预处理是为了提高秸秆的易发性和降低沼气发酵过程中的酸度。
常用的预处理方法包括碱处理和水热处理。
碱处理时将秸秆浸泡在碱液中，使秸秆表面水分和碱液反应形成碱化层，从而使秸秆易于分解和发酵。
水热处理是将秸秆加水或蒸汽处理，快速升温到高温，然后迅速冷却，使秸秆中的纤维素、半纤维素等糖类部分降解，从而提高秸秆产气量和减轻沼气发酵过程中的酸蚀。
3. 沼气发酵发酵系统一般采用连续式厌氧消化系统。
秸秆经预处理后，进入发酵罐内，加入菌剂进行发酵。
菌剂一般是从其他成熟的沼气池中分离出来的，也可以使用活性污泥和其他量合适的微生物。
发酵反应主要包括两个阶段，即酸化阶段和甲烷发酵阶段。
酸化阶段主要是由厌氧消化菌将秸秆中的有机物分解为短链化合物，包括氨基酸、酸、丙酮酸等一系列有机物。
甲烷发酵阶段则是由甲基化菌和硫醇化菌等菌群将短链化合物进一步转化为甲烷和CO2等气体，并释放出能量。
4. 沼气处理发酵产生的沼气需要进行处理才能达到要求。
沼气处理主要包括除硫、除水、除杂和压缩四个过程。
除硫是将沼气中的H2S通过氧化还原反应转化为硫酸盐和硫酸等水溶性物质，从而降低了沼气中H2S含量和气味。
除水是消除沼气中的水分，避免水与其他成分反应，使沼气体系出现气液两相。
除杂是消除沼气中的杂质，如颗粒、灰尘等，提高沼气的纯度。
压缩则是将处理后的沼气进行压缩，方便运输和储存。
5. 沼渣利用沼渣是发酵过程中秸秆未能转化的残留物，含有较多的有机质和营养物质。
沼渣可以用作肥料或动物饲料等，在环境保护和农业生产方面发挥作用。
同时沼渣还可以作为土壤改良剂、燃料和造纸原料等。
秸秆生产沼气利用现状和预处理建议
秸秆生产沼气利用现状和预处理建议摘要：利用秸秆生产沼气是实现秸秆生物转化的有效途径，也是秸秆能源利用中最接近工业化应用的技术之一。
目前要实现工业化产沼气仍然存在着很多问题，如成本高、发酵效率低、沼气纯度较低等。
但如果对秸秆进行预处理，将其中难以水解的纤维素、半纤维素转化为可溶性发酵糖，则秸秆的厌氧发酵率及利用率均大幅提高。
本文建议利用铁盐催化乙酸对秸秆进行水解。
关键词：玉米秸秆；Fe（NO3）3；乙酸；预处理1 绪论能源短缺与环境危机已成为人类社会可持续发展的主要障碍，寻找可再生资源和能源，降低对化石能源的依赖，保护生态环境，已经成为人类发展的共识[1]。
生物质是世界上最广泛存在的一种持续性资源[2]。
目前生物质能的主要形式有燃料乙醇、生物柴油、沼气和制氢。
其中乙醇以一定比例掺入汽油作为汽车的燃料可替代部分汽油；生物柴油可供内燃机使用，是优质的石油柴油代用品；而沼气是以甲烷为主体的混合可燃气体，燃烧后生成CO2和H2O，沼气还具有很高的热值，1 m3的沼气大约相当于1.2 kg的煤或者0.7 kg的汽油；氢气燃烧时只生成水，不产生任何污染物，是一种清洁能源[3]。
因此，发展利用生物质能源是解决目前能源短缺和环境问题的最有效途径之一。
我国是农业大国，也是秸秆资源最为丰富的国家之一，每年可收集的各种农作物秸秆量约为6.87亿吨[4]。
因此，如果能将秸秆有效处理并进行资源或能源化利用，则能有效避免二次污染，还能缓解目前能源短缺问题。
2 秸秆的化学组成及结构特性秸秆是由大量有机物、水及少量无机物组成，其有机物主要成分为纤维素类的碳水化合物和木质素，此外还有少量的可溶性糖、粗蛋白质和粗脂肪。
纤维素、半纤维素及木质素一起构成植物细胞壁的支持骨架。
常见农作物秸秆中，这三种组分占总质量分数的70%~85%，它们所占的比例因秸秆种类不同而各异 [5、6，7]。
3 木质纤维素类生物质的利用现状及存在的问题随着生产力的发展，人类对能源的需求越来越大，而严峻的能源形势日益成为全世界关注的焦点。
秸秆发酵的发展趋势
秸秆发酵的发展趋势秸秆是指作物收割后剩余的茎秆部分，如稻秆、麦秸等。
一直以来，秸秆的处理一直是农业生产过程中的难题之一。
随着环境保护意识的增强和可再生能源的重要性的认识加深，秸秆发酵作为秸秆处理的一种有效方式，逐渐受到人们关注。
而秸秆发酵的发展趋势主要体现在以下几个方面。
首先，秸秆发酵技术的不断改进。
传统的秸秆处理方式主要是露天焚烧，这种方式不仅污染环境，还造成资源的浪费。
而发酵技术能够将秸秆转化为有机肥料或生物质能源，提高资源利用效率和环境效益。
目前，国内外已经涌现出许多秸秆发酵技术，如高温腐熟发酵、厌氧发酵、静态堆肥等。
这些技术在提高发酵效率、减少臭味、杀灭害虫等方面取得了显著的成果，为秸秆发酵的开展提供了技术保障。
其次，政策和法律法规的支持。
随着环境问题的日益严重，各国政府纷纷加大了对环境保护的力度。
秸秆发酵作为解决农业废弃物处理难题和推动农业可持续发展的重要措施，得到了政府的重视和支持。
许多国家都出台了相关的政策和法律法规，鼓励农民发展秸秆发酵产业，给予补贴和税收优惠等政策支持。
这无疑将进一步推动秸秆发酵行业的发展。
再次，市场需求的增长。
随着人们环保意识的增强和可再生能源的需求不断增加，秸秆发酵产业正逐渐从政府的补贴支持中走向市场经济化。
有机肥料和生物质能源作为秸秆发酵的重要产品，受到了广大农民和企业的青睐。
有机肥料的施用可以提高土壤肥力，改善土壤环境；生物质能源的利用则可以替代传统能源，减少对化石能源的依赖。
这些都为秸秆发酵产业的发展提供了广阔的市场空间和机遇。
最后，科技创新的推动。
科技创新是推动秸秆发酵产业发展的重要驱动力。
通过利用生物技术、工程技术等手段，优化发酵工艺，提高发酵效率和产品质量，降低生产成本，是发展秸秆发酵产业的关键。
目前，国内外的科研机构和企业已经在秸秆发酵技术上取得了重要突破，如利用特殊微生物进行酶解发酵，改良物料处理设备，推动发酵技术的自动化等。
这些创新成果的应用将进一步推动秸秆发酵产业的发展。
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© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net收稿日期:2008204216 修回日期:2008206214
作者简介:武少菁(1983-),女,在读硕士研究生,主要从事可再生能源研究。通讯作者:刘圣勇,E2mail:liushy@vip.sina.com
秸秆干发酵产沼气技术的概述和展望武少菁,刘圣勇,王晓东,刘小二,王 森(河南农业大学农业部可再生能源重点开放实验室,河南郑州 450002)
摘 要:随着我国农村循环经济的发展,农作物秸秆作为一种可再生能源,它的开发利用也越来越受到人们的重视;本文主要提出了一种农作物秸秆资源化利用方式,即秸秆干发酵产沼气技术,介绍了它与传统发酵技术的区别,以及它的技术难点和研究现状,并对这项技术的未来发展进行了展望,指出了与传统发酵技术相比的优点所在和技术难点的解决方法,以及这项技术的发展前景。关键词:秸秆;资源化利用;干发酵;沼气中图分类号:S216.4;X705 文献标识码:A 文章编号:1000-1166(2008)04-0020-04
SummarizationandProspectofDryFermentationTeclonogyforStrawBiogasProduction/WUShao2jing,LIUSheng2yong,WANGXiao2dong,LIUXiao2er,WANGSen/(KeyLaboratoryofRenewableEnergy,HenanAgri2culturalUniversity,Zhengzhou450002,China)Abstract:Amethodofresourcereuseofcropstrawbydrybiogasfermentationwassummarizedanddiscussedinthispa2per.Itsdifferenceswithtraditionalfermentationtechnology,aswellastechnicaldifficultiesandresearchstatus,wereintro2duced,pointingoutthetechnicaldifficultiesandadvantagescomparingwiththetraditionaltechnology.Andthefuturede2velopmentandapplicationswereprospected.Keywords:cropstraw;resourcereuse;dryfermentation;biogas
我国是一个农业大国,农作物播种面积居世界第一位,据统计,目前我国每年秸秆产量大约有7亿吨[1]。在过去农作物秸秆多被作为燃料使用,但随着我国人民生活水平的不断提高,以及农村经济的发展和能源供应的改善,近些年来,农民对秸秆的燃烧利用也逐渐减少,剩余农作物秸秆的数量越来越大,据估计每年已达到4亿吨左右[2]。大量剩余秸秆的随地堆弃和任意焚烧,造成了大气污染、土壤矿化、火灾事故、堵塞交通等大量的社会、经济和生态问题[3];与此同时,秸秆作为一种可再生能源,蕴含着巨大的生物质能量,它的资源化利用,对节约能源、改善生态环境、实现社会的可持续发展,有着重大意义。虽然目前我国农作物秸秆的资源化利用技术正朝着多元化的方向发展,主要的资源化利用途径有秸秆肥料利用技术、秸秆饲料利用技术、秸秆原料利用技术以及秸秆能源利用技术等[4,5],国内外的理论研究和生产实践都取得了一定的成果,但是技术还不成熟,尤其由于秸秆本身的结构复杂,致使能量转换率不高,而利用率低、成本高,一定程度上制约了农作物秸秆的资源化利用。由于农作物秸秆在农村的储存量大,虽然部分已经得到资源化的利用,但是仍有剩余;加之秸秆资源化利用技术还不完善,又阻碍了资源化利用的大规模发展。所以,还需要继续寻找秸秆资源化利用的新技术,而发展秸秆干发酵产沼气技术就是一个很好的新方向。
1 秸秆干发酵产沼气技术的概述111 秸秆干发酵产沼气原理秸秆干发酵产沼气是水稻、玉米、花生等农作物秸秆作为原料,经过粉碎并添加发酵菌剂做堆沤等预处理后,加入沼气池进行厌氧发酵来生产沼气和有机肥料。农作物秸秆干发酵产沼气技术主要是以厌氧消化和生物酶技术为主。厌氧消化反应的主要机理是有机物在厌氧的条件下被微生物分解,转化成甲烷和二氧化碳等,并合成自身细胞物质的过程[6]。秸秆的厌氧消化反应是一个生物化学转化过程,一般可分三个阶段[7～8]:第一阶段是水解阶段,将秸秆中
不可溶复合有机物转化成可溶化合物;第二阶段是
02中国沼气ChinaBiogas2008,26(4
)© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net产酸阶段,可溶化合物再转化成短链酸与乙醇;第三阶段是产甲烷阶段,上述产物再经各种厌氧菌转化成为以甲烷与二氧化碳为主的可燃混合气体,即沼气。112 与传统发酵技术的区别传统的秸秆发酵技术都是采用湿发酵技术[9],即将秸秆与人畜粪便、工业废水等有机物混合,在厌氧菌的作用下生成沼气。而秸秆干发酵产沼气技术与传统的发酵技术相比有以下区别:(1)不需要大量的水。传统的发酵方法需要的水量较大,而干发酵的发酵池中的需水量远远少于湿法的用水量。(2)不需要接种物。秸秆干发酵的原料只有农作物秸秆,而传统的发酵还要有人畜粪便、工业废水等有机废弃物来作为接种物,和农作物秸秆在发酵池中共同作用,带动秸秆发酵最初的启动。(3)需要预处理。由于秸秆自身的结构复杂,不易分解,所以在入池前,要先对秸秆进行粉碎、添加发酵菌剂、堆沤等预处理,不能像传统的发酵那样,直接将原料加入发酵池中。(4)后处理容易。由于用水量少,几乎没有污水的排放,所以污水处理要比传统的发酵更容易,而且发酵后的剩余物中只有沼渣,不用进行脱水就可以作为有机肥利用。另外,干发酵产生的沼气的含硫量也低于传统的发酵,因此不用再对混合气体脱硫,可以直接利用。(5)装置简单。与传统的发酵装置相比,干发酵装置的结构更简单,因为原料秸秆已经经过预处理,不添加其他的接种物,所以发酵室内不需要安装搅拌器。113 秸秆干发酵的技术难点农作物秸秆细胞非常坚实,细胞壁的结构高度木质化,且细胞壁构成干物质的80%。其中的木质素作为秸秆细胞壁的主要成分,构成木质细胞壁的15%～30%。它在结构中含有生物化学上十分稳定的各种复杂结合形式,难于被一般微生物分解。尽管纤维素、半纤维素多糖类有机物质容易被微生物或酶分解,但是,木质素与半纤维素在一起,将纤维素紧紧包裹在内,成为外围基质,阻止纤维素与微生物和降解酶的接触[10]。因此,在秸秆厌氧发酵产甲烷过程中,厌氧微生物对木质纤维素的降解消化能力较弱,导致水解过程缓慢、水解程度低,从而影响随后的酸化和气化过程,表现为作物秸秆的厌氧消化时间长、消化效率低、产气量少、投入产出效率差等,从而限制了农作物秸秆用于生物气生产方面的大规模应用。114 研究现状国外对生物质能源和可再生能源利用的研究十分重视,其中沼气利用的研究和实践也取得进展。20世纪90年代以来,德国在间歇式干法沼气发酵技术的研发上取得了新的成绩,2002年生产出工业级装备并投入实际运行[11]。目前已经有科研单位和企业开发出了用于秸秆预处理的复合菌剂,在沼气发酵技术上取得了新突破[12]。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(也称秸秆生物气化)研发与示范,并且在江西、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,户用秸秆沼气和秸秆沼气集中供气试点成效十分明显[13]。
2 秸秆干发酵产沼气技术的展望211 发展背景条件近年来,秸秆产沼气在技术方面进行了许多探索,通过营养调节改善原料发酵特性、在反应器中增加格栅防止漂浮结壳、时差进料调节产气平衡、变换反应器接种物和接种浓度、加速反应启动以及改进发酵工艺调控反应条件等,提高了产气率,获得了有益成果,也为秸秆资源化利用进一步发展指明了方向[14]。但是,目前秸秆产沼气技术的研究[15],主要
是秸秆与其他接种物,如生活垃圾、人畜粪便等有机物混合后,在厌氧环境及一定的温度、酸碱度、水分、碳氮比条件下,通过微生物发酵作用生产沼气。但是随着农村经济的发展和农业结构调整,农村人畜分离趋势也在上升,接种物的来源也在减少。秸秆干发酵产沼气技术势在改变农村沼气只能以人畜粪便为主要发酵原料的传统做法,拓宽农村秸秆资源利用的途径,打破沼气建设对畜禽饲养的依赖性,使没有畜禽粪便的农户也能用上沼气。而且,发酵后的秸秆沼渣也可直接用作农田肥料,改良土壤结构,生产优质无公害或绿色有机农产品,实现资源的合理利用。212 干发酵的优点传统的沼气发酵均采用湿发酵技术,由于湿发酵技术有耗能高、处理干物质的成本高等缺点,限制了其适应的范围和地域。而秸秆干发酵产沼气技术与传统的湿发酵技术相比有以下优点[16]:
(1)自身耗能低。冬季仅耗用自身产生的能量
10%～15%。而湿法要耗用30%左右的能量,在北
12中国沼气ChinaBiogas2008,26(4
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