摘要:近年來隨著農(nóng)村秸稈的大量棄用，其所帶來的資源浪費及環(huán)境污染問題也越來越受到人們的重視，秸稈的綜合利用成為農(nóng)業(yè)發(fā)展必須要解決的問題。現(xiàn)階段秸稈綜合利用有多種方式，其中秸稈作為能源物質(zhì)，處理方法最為簡單，其所帶來的經(jīng)濟效益也相對較高，逐漸成為我國秸稈綜合利用的主流應(yīng)用。

秸稈作為能源物質(zhì)的處理方式主要包括，秸稈發(fā)電、秸稈固體成型燃料、秸稈制沼氣等方式，其中秸稈制沼氣的項目建設(shè)成本最低、污染最小、在農(nóng)村地區(qū)最容易普及、生態(tài)和經(jīng)濟效益最佳，但是其工藝也相對較為復(fù)雜，本文將重點分析秸稈制沼氣的工藝及技術(shù)發(fā)展方向。

目前秸稈制沼氣根據(jù)反應(yīng)器的類型以及進出料方式的不同可以分為多種，包括豎向推流式厭氧消化工藝、一體化兩相厭氧消化工藝、全混式秸稈發(fā)酵技術(shù)等。但是無論采用哪種工藝，秸稈制沼氣都需要經(jīng)過秸稈原料的預(yù)處理、厭氧消化、進出料管理和沼渣液的處理等環(huán)節(jié)。其中預(yù)處理及厭氧消化步驟決定了秸稈制沼氣的原料利用率、產(chǎn)氣量、產(chǎn)氣濃度等關(guān)鍵指標。

圖1 秸稈制沼氣主要工序

(資料來源：安徽農(nóng)業(yè)科學(xué))

預(yù)處理方式較多 目前多采用多種方式聯(lián)合處理

農(nóng)作物秸稈相比于畜禽類糞便結(jié)構(gòu)更加緊密不容易發(fā)酵，秸稈的主要成分是纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等，這三種物質(zhì)形成了高結(jié)晶度和聚合度的晶體結(jié)構(gòu)，在原狀態(tài)下不容易破壞，微生物難以快速分解秸稈，完整的秸稈發(fā)酵長時間會產(chǎn)生大量的浮渣結(jié)殼，不利于秸稈的完全發(fā)酵，嚴重影響了產(chǎn)氣效率，同時也會影響后期沼渣的出料及二次利用。因此需要對秸稈進行進行預(yù)處理，目前秸稈預(yù)處理方式包括物理法、化學(xué)法及生物法等，經(jīng)過預(yù)處理后秸稈的產(chǎn)氣效率及產(chǎn)氣質(zhì)量都有了顯著的提高。

物理法是指采用人工或者機械手段改變秸稈的物理形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，應(yīng)用較多的主要有機械加工法和蒸汽爆破法。經(jīng)過粉碎秸稈的產(chǎn)氣效率比未預(yù)處理的秸稈提高了17%-20%，而經(jīng)過研磨的秸稈比簡單粉碎的秸稈產(chǎn)氣效率提高了12.5%以上，兩種方式都能有效地提高產(chǎn)氣效率，秸稈研磨效率更高，但是操作也更為復(fù)雜。物理法雖然應(yīng)用效果較好，但是其工作強度較大且需要投入大量的人力物力，操作也相對較為繁瑣，同時針對大型制氣項目無法發(fā)揮出良好的效果，其使用范圍有一定的局限性，因此物理法多為預(yù)處理的第一步驟，之后再結(jié)合其他方式聯(lián)合使用。

化學(xué)法主要采用化學(xué)試劑對秸稈進行處理，包括酸處理和堿處理等。酸處理是對纖維素原料進行水解，主要使用試劑為鹽酸，相關(guān)研究表明，經(jīng)酸處理后的秸稈產(chǎn)氣量提升了25%左右。堿處理可直接通過生化反應(yīng)將木質(zhì)素去除，從而打開纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的晶體結(jié)構(gòu)，主要應(yīng)用試劑有氫氧化鈉及氫氧化鈣，相關(guān)研究表明經(jīng)過氫氧化鈉處理秸稈產(chǎn)氣量提升了21.56%左右。化學(xué)處理法操作較為簡便且無須投入大量精力，但是其增加了一定的成本，同時采用化學(xué)試劑會造成一定的環(huán)境污染，尤其是影響后期沼渣的成分，因此化學(xué)處理很少單獨使用。

生物法則是采用具有生物質(zhì)降解能力的好氧微生物菌群對秸稈進行預(yù)處理，使用菌群將秸稈中的木質(zhì)素分解，再將秸稈進行發(fā)酵處理便于厭氧消化菌群的分解和利用。目前主要采用的好氧微生物菌群包括黃孢原毛平革菌、變色栓菌、芽孢桿菌和某些酵母菌等。經(jīng)過菌群預(yù)處理的秸稈纖維素降解率提升50%以上，產(chǎn)氣效率也明顯提升。與化學(xué)法預(yù)處理和物理法預(yù)處理相比，生物法具有反應(yīng)溫和、能耗較小，設(shè)備簡單，不會帶來環(huán)境污染等優(yōu)點，因此生物法也成為近年主要的研發(fā)方向。

秸稈預(yù)處理是發(fā)酵制沼氣的重要工序之一，其關(guān)系到產(chǎn)氣量及產(chǎn)氣效率，目前我國已建成的秸稈氣化工程主要采用物理化學(xué)預(yù)處理方式聯(lián)合處理的方式，可以有效地提升秸稈產(chǎn)氣效率，但是仍存在一定的弊端。未來我國應(yīng)研發(fā)出更加高效的預(yù)處理手段及工藝，同時著重研發(fā)生物預(yù)處理的高效菌群，建立更為高效的聯(lián)合預(yù)處理手段，保障秸稈制沼氣的工程的高效運行。

厭氧消化工藝以液態(tài)消化為主 固—液兩相厭氧消化工藝是未來發(fā)展方向

厭氧消化工藝過程是秸稈制沼氣的主要工序，也是厭氧消化微生物生長繁殖和代謝有機物質(zhì)的過程。厭氧消化主要有三個階段，每一個階段都有不同的菌落參與。第一個階段主要是水解與消化細菌;第二個階段是產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌;第三個階段則主要是產(chǎn)甲烷菌，三個階段是連續(xù)發(fā)生且聯(lián)系緊密。秸稈的厭氧消化也符合這一原理，但是由于秸稈與傳統(tǒng)的糞便組成不同，其體積大、流動性差，難以分解，有效氮、磷成分少，不利于微生物消化利用，因此傳統(tǒng)的糞便厭氧消化工藝不適用于秸稈制沼氣。基于秸稈自身物理化學(xué)性質(zhì)導(dǎo)致的厭氧消化處理效果不理想的問題，科研人員研發(fā)了多種工藝，根據(jù)秸稈的濃度和形態(tài)劃分目前應(yīng)用最多的工藝包括液態(tài)消化、固態(tài)消化和固—液兩相厭氧消化工藝。

圖2 三級厭氧消化及后續(xù)工藝流程圖

(資料來源：中國知網(wǎng))

液態(tài)消化工藝技術(shù)較為成熟應(yīng)用較為廣泛，主要以自載體生物膜厭氧消化工藝為主，其可以有效的降低原料的固體含量，一般可以降低到8%左右。該工藝需要在厭氧消化器內(nèi)安裝有攪拌裝置，通過適當攪拌改善厭氧菌群與物料接觸和傳質(zhì)傳熱等效果，以提高產(chǎn)氣效率。但是由于水分含量較多且需要加裝攪拌裝置，消化器體積一般較大、占地較廣，同時攪拌也需要消耗一定的能量。

固態(tài)消化是指秸稈在無流動水的條件下進行厭氧消化，無需機械攪拌，沼渣可以直接作為肥料使用，不需脫水等其他處理。但是固態(tài)消化的固體含量較高，進出料較為復(fù)雜。固—液兩相消化工藝通過將固相和液相發(fā)酵原料分在不同區(qū)域，以達到產(chǎn)酸相和產(chǎn)甲烷相分離，并利用沼液回流實現(xiàn)循環(huán)接種。這種方式避免了一體化消化罐的進出料難問題，也不會產(chǎn)生結(jié)殼，提高了產(chǎn)沼氣速率，但是工藝較為復(fù)雜，且裝備成本較高。

目前我國秸稈氣化工程主要采用液態(tài)消化工藝，其產(chǎn)氣效率相對其他兩種較低，但是工藝較為成熟。未來我國針對厭氧消化這一過程需要研發(fā)出更高效的菌種，同時針對產(chǎn)氣效率最高的固—液兩相消化工藝進行深入研究，優(yōu)化其工藝及裝備，使先進工藝能得到大范圍的推廣。

結(jié)語

隨著農(nóng)村秸稈遺棄或焚燒帶來的資源及環(huán)境問題越發(fā)嚴峻，秸稈的綜合利用也受到人們的重視，結(jié)合我國農(nóng)村地區(qū)的實際情況秸稈制沼氣成為解決這一問題的有效途徑。目前秸稈制沼氣有多種技術(shù)路線，其主要步驟包括預(yù)處理、厭氧消化、進出料管理和沼渣液的處理等環(huán)節(jié)。其中預(yù)處理及厭氧消化步驟決定了秸稈制沼氣的原料利用率、產(chǎn)氣量、產(chǎn)氣濃度等關(guān)鍵指標，目前我國秸稈預(yù)處理主要采用物理、化學(xué)及生物法等多種方式聯(lián)合處理，其中生物法是未來發(fā)展的主要方向。厭氧消化我國目前以液態(tài)消化工藝為主，其技術(shù)較為成熟但是能耗較高且工序復(fù)雜，未來發(fā)展方向為固—液兩相消化工藝。