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干发酵——秸秆资源化利用的最佳途径
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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。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C02,S02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。
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。 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。
3.2秸秆饲料利用 秸秆饲料是家畜粗饲料的主要来源。但是秸秆饲料一般质地较差,营养成分较低,并且秸秆中含量较高的粗纤维限制了瘤胃中的微生物和消化酶对细胞壁内容物的消化作用,导致秸秆适口性和营养性差,无法被动物高效的吸收利用,必须合理加工调制后才能提高其适口性和营养价值。
3.3秸秆建材利用 秸秆用作建材原料,既可部分代替砖、木等材料,还可有效保护耕地和森林资源。将粉碎后的秸秆按一定比例加入粘合剂、阻燃剂和其他配料,进行机械搅拌、挤压成型、恒温固化后,可制得高质量的轻质建材。但秸秆建材由于其防腐、防霉和阻燃性能不佳以及粘合剂成本过高等缺陷,使其市场占有率较低。
3.4秸秆燃料利用 秸秆易于焚烧,可以作为燃料能源使用。目前秸秆能源化主要有秸秆直燃供热、秸秆气化、秸秆压块成型碳化等。
3.4.1直燃供热 秸秆直接作为农用燃料,具有经济方便、成本低廉、易于推广等特点,可在秸秆主产区为中小型企业、中小学校和相对比较集中的乡镇居民提供生产、生活热水和冬季采暖。但是直接燃烧效率极低,使用的热效率仅为1 0%~30%,无法更满足人们的生活需要,同时污染比较严重,是最初级的秸秆能源利用方式。
3.4.2秸秆气化 秸秆气化是高品位利用秸秆资源的一种生物能转化方式。经适当粉碎后,秸秆在气化装置内不完全燃烧即可获得理论热值为5724kJ.m-3的燃气,其典型成分为CO、H2、N2、CH4等。燃气经降温、多级除尘和除焦油后可作为燃料供用户使用。但是秸秆气化存在投资偏高,燃气热值偏低,以及燃气中氮气与焦油含量偏高等问题,目前还不利于大规模推广。
3.4.3秸秆压块成型碳化 秸秆的基本组织是纤维素、半纤维素和木质素,它们通常在200~ 300℃下软化,将其粉碎后,添加适当的粘结剂和水混合,施加一定的压力使其固化成型,即得到棒状或颗粒状“秸秆碳”,若再利用炭化炉可将其进一步加工处理成具有一定机械强度的“生物碳”。秸秆成型燃料具有近似中质煤炭的燃烧性能,且含硫量低,灰分小等优点,但是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,而且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。 从上面可以看出,尽管我国对秸秆的利用呈现出多元化的发展趋势,但是仍然存在一系列的问题限制秸秆的进一步利用。目前利用秸秆发酵制备沼气,特别是干发酵制备沼气,正成为当今秸秆资源化研究的热点。
4秸秆干发酵技术
4.1干发酵概述 干发酵是以固体有机废弃物为原料(总固体含量在20%以上)进行厌氧发酵。它与湿发酵相比主要优点是节约用水,节省管理沼气池所需的工时,池容产气率较高等。据1 999年De BAERE的调查,20世纪80年代后建立的消化工艺过程多是干发酵工艺。美国等西方发达国家纷纷利用农作物秸秆储存的能量,使之转化成新型的清洁燃料。我国从20世纪80年代起开始了户用沼气干发酵研究,也取得了一定的成果。叶森等从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月至10月)炊事用能及照明用能(5月至1 1月)。
4.2干发酵工艺条件
4.2.1预处理 在发酵前需要对秸秆等原材料进行预处理,目前常用的预处理方法有物理预处理、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。L M Palmowski等人研究发现,有机废弃物厌氧消化时,废弃物颗粒大小对产气效果有影响,对于纤维素含量高的固体废物,粉碎能显著提高沼气产量和有机物的降解率以及缩短消化时间,减小消化体积。而通过添加化学试剂对秸秆原料进行化学预处理能够明显的提高干发酵的甲烷产量。边义等人利用绿秸灵、石灰水和速腐剂对秸秆原理进行预处理后发酵,发现产气率分别达到422.4mL.g-1、401.4mLog-1和418.8mL.g-1。生物预处理主要是指发酵原料的好氧堆沤,邹元良等在农村沼气干发酵的研究中指出,对发酵原料进行3~5天的堆沤,有利于控制发酵原料的酸碱度,使原料获得抗酸化的能力,可有效解决干发酵中易出现酸化的问题。而李东等人利用白腐菌对稻桔进行生物预处理,有效的降低了碳氮比。
4.2.2碳氮比 发酵原料的碳氮比,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,原料的碳氮比是不断下降的,因此进料的碳氮比可适当高些。当原料中氮的含量过高时,高浓度的氨态氮(NH2-N)将抑制厌氧发酵,在消化过程中当氨浓度增加到2000 mg.L-1以上时,甲烷产量降低。目前,一般认为沼气干发酵适宜的碳氮比为25~30。为了保证合适的碳氮比,需要对发酵过程的营养物质进行调控。一般采取添加尿素的方法来达到降低碳氮比的目的。
4.2.3发酵温度 根据发酵温度不同,厌氧干发酵分为常温发酵、中温发酵(30℃~38℃)和高温发酵(50℃~55℃)。常温发酵,产气率低,产气周期长,受环境温度影响大。中温发酵与常温发酵相比,分解快、产气率高、气质好,有利于规模化生产。高温发酵,,分解快、产气率高、环保效果好,但气质稍差、耗能较多。
4.2.4 pH值 厌氧发酵的适合pH值为6.8~7.4,6 4以下或7.6以上都对产气有抑止作用,pH值在5.5以下,产甲烷菌的活动则完全受到抑止。在沼气干发酵过程中,如果水解发酵阶段与产酸阶段的反应速度超过产甲烷阶段,则pH值会降低,影响甲烷菌的生活环境。在沼气干发酵启动过程中,时常有这种现象发生,即酸中毒。对发酵原料进行1-3天的好氧堆沤,可减少挥发性脂肪酸,从而有利于沼气干发酵启动时的pH值处于正常范围内。在发酵过程中,对发酵原料的pH值进行监控,当pH值低于6.4时,可加入石灰水或者氨水调节,可保证沼气干发酵过程的顺利进行。
4.2.5接种物 优质足量的接种物是沼气干发酵顺利启动的重要保证。邹元良等指出,取产气正常的沼气池中的活性污泥为接种物,以比重1.03,波美度4作为一个粗略的指标,可保证接种物质量。孙国朝等旨出,加大接种量,是防止干发酵前期偏酸、缩短干发酵启动时间的关键措施,但是干发酵接种量达到一定时,分解率就达到了一定极限,接种剂量在20%~30%范围内为宜。
4.3产气量及利用效果 一般来讲,秸秆干发酵制备的沼气中其甲烷的含量一般燃烧时几乎不产生有害物质。据调查,燃用沼气,室内CO的浓度比燃煤降低80%, S02浓度降低80%,飘尘浓度降低90%,表明使用沼气作燃料可以有效地减少室内空气污染。
5结语 随着技术的发展和人们环保意识的增强,秸秆作为资源重新利用已经呈现出多元化的趋势,但由于成本或技术的限制,使得大部分秸秆资源化的手段还不成熟,而利用秸秆干发酵制备沼气,不仅能够使秸秆得到最大限度的重新利用,而且还能避免秸秆焚烧的造成的大气污染。因此秸秆用于制取沼气是有效提高农村人口的生活质量和健康水平一个重要途径,大力发展沼气应也是综合利用农业资源的重要手段。