農作物秸稈厭氧發酵制沼氣工程設計研究

李布青， 代學猛， 代永志， 葛 昕

(1.安徽省農業科學院農業工程研究所，安徽合肥 230031；2. 安徽永志環能科技有限公司，安徽阜陽 236300)

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農作物秸稈厭氧發酵制沼氣工程設計研究

李布青1， 代學猛2， 代永志2， 葛 昕1

(1.安徽省農業科學院農業工程研究所，安徽合肥 230031；2. 安徽永志環能科技有限公司，安徽阜陽 236300)

農作物秸稈厭氧發酵制沼氣是秸稈綜合利用的有效途徑，受到廣泛關注。結合大型秸稈沼氣工程實例，闡述了針對秸稈特性的農作物秸稈厭氧發酵制沼氣工程特點、工藝流程、關鍵技術設計。

秸稈；厭氧消化；沼氣；工程設計

在化石能源漸趨枯竭的今天，能源緊張對全球和我國的影響都日益突出，世界開始將目光聚集到新生能源領域。在諸多新能源當中,生物質能源是最安全、最穩定的能源，也是目前國家重點鼓勵的新能源領域。農作物秸稈是農作物生產系統中一項重要的生物資源，是富含有機質(80%～90%)的重要生物質能源，為當今世界上僅次于煤炭、石油和天然氣的第四大能源。由于秸稈本身的難降解性和當前處理秸稈的技術水平還有限，目前存在秸稈過剩問題。大量農作物秸稈被廢棄，不僅浪費了寶貴資源，還嚴重污染了大氣和水體，惡化了農村生態環境和農民人居環境。如何充分利用這些資源而又使環境不受污染，是現代農業面臨的難題。通過沼氣發酵獲取生物能源是農作物秸稈資源化利用的一條非常有潛力的途徑。利用秸稈生產沼氣比用畜禽糞便生產沼氣具有原料來源充足，沼液零排放，直接作為有機肥料使用的沼渣可長期貯存、運輸方便、價格較便宜等優勢[1-3]。但是，秸稈的木質纖維素含量較高，不能被厭氧菌有效地降解，相對于畜禽糞便等易消化的物料，秸稈的生物氣化要困難的多。雖然國內外在秸稈的預處理、秸稈厭氧發酵工藝及產業化裝備方面做了大量研究和工程實踐，工程化的秸稈產沼氣技術目前尚處于示范應用階段[4-7]。筆者結合大型秸稈沼氣工程實踐，闡述了針對秸稈特性的農作物秸稈厭氧發酵制沼氣工程特點、工藝流程、關鍵技術設計。

1 農作物秸稈厭氧發酵制沼氣工程的關鍵技術問題

秸稈的結構復雜，其成分中的木質素不能轉化為可發酵的糖類，而且秸稈中的木質素包裹在纖維素和半纖維素的表面，形成空間阻礙，阻礙了酶和微生物與纖維素、半纖維素的充分接觸。因此，秸稈在自然狀態下難以被厭氧菌消化。秸稈密度小、體積大，不具有流動性，進出料困難；秸稈在消化開始階段容易產生酸的消耗不平衡，引起酸積累，造成酸中毒現象，影響正常運行；反應器內傳熱傳質不均勻，物料與接種物接觸不充分，消化條件不易控制。

農作物秸稈厭氧發酵制沼氣工程如果沿用畜禽糞便沼氣工程技術，因秸稈本身質地較輕，進料后容易浮在液面上，造成原料分層和結殼。原料漂浮在料液上面不能與微生物充分接觸，減緩反應速度。同時，漂浮原料的結殼阻止沼氣及時逸出。秸稈不具有流動性，進出料困難，攪拌阻力大，傳質效率低，氣體釋放困難。存在啟動慢、產氣量少、產氣率低、原料浪費等諸多問題。因此，農作物秸稈厭氧發酵制沼氣工程需要針對秸稈密度小、體積大、不具有流動性等特性, 研究設計適合其物料特性的工藝技術裝備，破解工程化秸稈產沼氣技術難題，通過技術的組合運用，提高秸稈發酵產氣效率，實現秸稈高效消化生產沼氣[8]。

2 農作物秸稈厭氧發酵制沼氣工程設計

該研究以安徽省阜南縣洪河橋秸稈沼氣集中供氣示范工程實踐為例，闡述針對秸稈特性的農作物秸稈厭氧發酵制沼氣工程特點、工藝流程和關鍵技術設計。

2.1 工程概況安徽省阜南縣洪河橋秸稈沼氣集中供氣示范工程位于洪河橋鎮釤崗行政村的胡臺移民新村，工程占地0.3 hm2，投資約256萬元，建有碳鋼厭氧發酵罐800 m3，膜式儲氣柜300 m3，沼液回收循環利用池50 m3。采用中溫發酵，發酵原料為秸稈，發酵濃度10%～18%。設計日處理秸稈1.5 t，年可消納秸桿600 t，年產沼氣約26萬 m3，可供應周邊500戶居民[9]。

2.2 工藝設計從成功運行的秸稈沼氣示范點看，我國秸稈沼氣工藝類型多樣。根據秸稈物料在反應器中的形態，大致可分為液態消化、固態消化和固液兩相消化工藝[8]。

液態消化工藝較成熟，發酵原料固體含量在8%左右。液態消化技術已被大量應用于混合原料沼氣工程，目前我國已建秸稈沼氣工程也多采用液體消化工藝。主要問題是所用物料TS較低，消化器體積較大，加熱和攪拌能耗高，且微生物容易隨出料流失。

固態消化(干法發酵)工藝特點是發酵原料干物質濃度高，一般干物質含量>15%。優點是發酵原料干物質含量高，提高了池容產氣率，一次性裝料，中途無需進出料，適應大規模的秸稈處理，發酵過程中運行費用低。缺點是不能連續生產沼氣，大出料時安全性差、投資大。

固液兩相消化工藝針對秸稈特性，固態產酸與液態產甲烷相結合，綜合了液態消化、固態消化的優點，反應器連續運行，無需停產大出料、機械化自動化程度高、運行可靠、處理量大、運行能耗低、管理方便。

秸稈兩相(循環接種式)厭氧消化技術以秸稈為原料，從消化器頂部投料，依靠秸稈和沼液的比重差異形成固液兩相分離；同時，通過進料時攜帶的沼液循環，達到物料循環接種效果的秸稈厭氧消化技術，適合處理各種秸稈類物料或秸稈與糞便等的混合性物料。基本不產生沼液，有效解決了大量消化產物如何有效處理的難題。綜上，該工程厭氧消化器設計采用一體兩相厭氧消化技術，工藝流程見圖1。

2.3 單元設計

2.3.1原料預處理。

2.3.1.1秸稈預處理工藝概況。秸稈原料預處理主要作用是質地改善和營養調節兩個方面。秸稈中的木質素很難被微生物消化，成分和結構導致了產沼率低下，改善秸稈的成分和結構主要通過物理、化學和生物手段。物理預處理是利用機械、熱等方法來改變秸稈的外部形態或內部組織結構。化學預處理是利用化學制劑作用于作物秸稈，破壞細胞壁中半纖維素與木質素形成的共價鍵，從而達到提高秸稈消化率的目的。生物處理是在人工控制下，利用一些細菌、真菌等微生物的發酵作用來處理秸稈。雖然很多研究結果顯示，物理、化學預處理的效果顯著，但在工程實踐中應用很困難，主要是工藝復雜、投資大以及潛在的二次污染等問題[8]。

秸稈中碳含量較高，而磷、鉀等微生物代謝所必需的元素和微量元素含量較低，不利于微生物發酵利用，營養的不均衡也是秸稈處理效率低的原因。營養調節通常是調整碳氮比，與碳氮比低的發酵原料混和發酵，例如畜禽糞便等，或添加一些化學元素，如尿素或碳酸氫銨。

2.3.1.2預處理工藝設計。該工程針對沼氣秸稈原料特性，將生物預處理、物理預處理(機械剪切)相結合，質地改善和營養調節相結合，在一個前處理池完成秸稈作為厭氧發酵產沼氣原料的秸稈生物預處理、勻漿調質等原料前處理。攪拌池和調節池合并為前處理池，設計為圓形池，較少死角。地下鋼砼結構，內設切割泵、格柵等。池容設計800 m3,水力停留時間為8～12 h。利用回流沼液進行勻漿調質，沼液在系統內循環不外排。待處理的秸稈原料與回流沼液、調質物(微生物和富氮原料)在預處理和調質一體化裝置中混合勻漿調質的同時，通過機械剪切作用力，改變秸稈的外部形態和內部組織結構，增強微生物的降解效果，加快生物預處理進程，在批次進料的間隙完成秸稈原料的預處理，提高處理效率，并有效防止進料設備和管道的堵塞。

2.3.2厭氧消化器設計。厭氧消化器是沼氣發酵的核心設備，其設計取決于選定的厭氧消化工藝。秸稈一體化兩相厭氧發酵裝置主體由物料輸送系統、進料器、固液兩相發酵裝置和沼液循環(接種)系統組成。

2.3.2.1固液兩相發酵裝置。固液兩相發酵裝置包括設有物料進口(進料器)、沼氣出口、沼渣出口、沼液出口的立式發酵罐、均勻布料器和水力(沼液循環)攪拌器。沼氣出口設在發酵罐的頂部，物料進口設在發酵罐的中上部，沼渣出口設在發酵罐的中下部，沼液出口設在發酵罐的底部，均勻布料器裝在發酵罐的上部，水力(沼液循環)攪拌器裝在發酵罐的頂部，料液下設置有抗浮壓渣網。料池通過物料輸送系統與進料口相連，進料口通過物料輸送系統與發酵罐的物料進口連接，發酵罐的沼液出口與料池沼液進口連接。采用28～36 ℃中溫發酵，水力滯留時間20 d，容積產氣率1 m3/(m3·d)。厭氧發酵罐有效容積800 m3,平均日產沼氣600～800 m3。

2.3.2.2物料輸送系統和進料器。預處理后原料經過輸送裝置被送進消化器(沼氣池)進行發酵進而產生沼氣。在秸稈沼氣系統工程中，秸桿和水(沼液)在預處理經攪拌混合后，由于原料本身比較輕，往往漂浮在表層，而且物料密度高，顆粒大。在輸送的過程中，使用傳統的壓力泵等上料措施，容易造成管道的堵塞，也影響消化器(沼氣池)的產氣量，秸稈沼氣料液輸送問題是一個難題。該工程采用開式物料輸送機和活塞進料器。經預處理的高濃度固態物料用提升機(提升固體物料的斗式提升機)送至罐頂，再經輸送帶送到上料口。上料口內設置活塞，通過活塞將固態物料送入發酵罐進料口，從而實現將料池內的料液輸送給發酵罐。進料口在發酵罐內液面下，并設有均勻布料器，通過水力(沼液循環)攪拌器均勻布料。

2.3.2.3沼液循環(接種)系統。沼液循環(接種)系統由沼液循環泵、沼液池、發酵罐上部的水力(沼液循環)攪拌裝置等組成。需要回流的沼液通過沼液循環泵打入發酵罐。發酵罐頂部均勻布設沼液回流總管，總管下設分管，分布在頂部不同位置，可以在一定程度上提高上料的均勻性，并且起到一定的攪拌作用。

2.3.3沼氣的凈化、貯存與利用。厭氧發酵產生的沼氣通過輸氣管路匯總，經過脫水、脫硫等凈化裝置后，進入輸氣管道用于居民炊事采暖用氣。為保證供氣的穩定性，沼氣貯存在氣柜內，以調節沼氣生產量與使用量的均衡，保證居民生活用氣不出現較大的波動。選擇雙膜干式貯氣柜貯存沼氣。雙膜干式沼氣貯氣柜由外層膜和內層膜組成，外層膜構成貯氣柜外部球體形狀，內層膜與底部圍成內腔以貯存沼氣。貯氣柜設有防爆風機，以保持貯氣柜內氣壓的穩定。外層膜設有一道上下走向的軟管，由上述防爆風機把外面空氣經此軟管輸送進外層膜與內層膜之間的空間，使外層膜保持球體形狀并同時把沼氣壓送出去。

3 主要工藝技術特點

3.1 原料預處理在秸稈原料進厭氧消化器發酵前需要進行一定的預處理，主要作用是質地改善和營養調節兩個方面。通過預處理提高秸稈的可生物消化性能、消化效率和產氣率，同時在預處理階段需要調節進料濃度、進料溫度。如果不能通過預處理確保沼氣工程的進料質量，將導致沼氣工程運行不穩定，難以發揮最佳的處理能力。從實際工程情況來看，預處理工藝在實際運行中存在的問題最為突出。

該工程針對沼氣秸稈原料特性將生物預處理、物理預處理(機械剪切)相結合，質地改善和營養調節相結合，利用回流沼液進行勻漿調質，沼液在系統內循環不外排。待處理的秸稈原料與回流沼液、調質物(微生物和富氮原料)在混合勻漿調質的同時，通過機械剪切作用力，改變秸稈的外部形態和內部組織結構，增強微生物的降解效果，加快生物預處理進程，在批次進料的間隙完成秸稈原料的預處理。降低了工程投資，提高了處理效率，并有效防止進料設備和管道堵塞。

3.2 沼液控制大型沼氣工程產生的沼液在儲存和使用過程中會對周圍環境構成污染，其主要表現為沼液儲存過程中有害氣體釋放、沼液直排造成的水體污染、農田長期大量施用造成的重金屬沉積和沼液滲濾造成的地下水惡化。由于單位土地面積對沼液的容納能力有限，沼液的長距離運輸成本又較高，加上氣候變化及農作物復種情況影響，大型沼氣工程所產的沼液無法完全利用，而現階段對多余沼液的凈化處理或者對沼液的濃縮減容處理成本很高。因此，在秸稈沼氣工程設計中，避免沼液外排是基本要求[8]。該工程通過工藝措施，使沼液在系統內循環，并處于收縮狀態。

3.3 抗浮防結殼和攪拌設計由于秸稈原料的生化特性，秸稈原料在厭氧發酵中由于密度小容易隨沼氣氣體上浮，發酵初期原料上浮和上浮的秸稈浮渣中微生物在固體原料表面形成的生物膜相互作用在液面形成一層不透氣的硬殼，對厭氧發酵產生很多不利影響[10]。結殼上浮使秸稈原料不能與發酵液充分接觸，原料不能被徹底分解，降低原料利用率。浮渣結殼導致發酵產生的沼氣在發酵液中累積，不僅增加了發酵液中的沼氣分壓，而且沼氣中較多的CO2溶解于沼液中，使沼液的pH下降，影響產氣；秸稈上浮積聚結殼，影響發酵裝置內固、液、氣三相傳質、傳熱和流動性，傳統攪拌裝置和動力配置很難應用。發酵裝置內傳質不均勻，容易造成局部酸積累。攪拌通過促進水動力循環，促進微生物和底質的良好接觸，通常是提高沼氣發酵效率的有效手段。攪拌可使反應器內的物料混合均勻，溫度、pH、微生物種群等保持均勻一致，還可大大降低池底沉積及液面浮渣結殼。對于秸稈發酵，從工程運行情況看，適當的攪拌是有利的，可提高產氣率。然而攪拌過度則可能會影響微生物的活性。

該工程抗浮防結殼和攪拌設計采用頂置水力循環攪拌，是利用發酵罐內已有的料液，每隔一定時間段通過泵將料液進行水力循環攪拌，通過料液的液體流動抗浮防結殼。攪拌效果較好，尤其是能耗較低。

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Design Studies of Anaerobic Fermentation Biogas Project by Straw

LI Bu-qing1，DAI Xue-meng2, DAI Yong-zhi2et al

(1.Agricultural Engineering Research Institute, Anhui Academy of Agricultural Sciences，Hefei, Anhui 230031; 2.Anhui Yongzhi Environmental Energy Technology Co., Ltd., Fuyang, Anhui 236300)

Straw anaerobic fermentation biogas is an effective way of straw utilization, and attracts widespread attention. Combined with straw biogas engineering examples, straw anaerobic fermentation biogas plant characteristics for straw characteristics, process and key technical design are elaborated.

Straw; Anaerobic digestion; Biogas; Engineering design

安徽省農業科學院學科建設與宏觀農業研究項目(13A1323)。

李布青(1962- )，男，安徽太湖人，研究員，碩士，從事農村能源研究。

2015-02-09

S 181.3

A

0517-6611(2015)09-268-03