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