秸稈生產(chǎn)沼氣利用現(xiàn)狀和預(yù)處理建議

徐文波 濉溪縣農(nóng)村社會事業(yè)服務(wù)中心

一、引言

當(dāng)前，人類可持續(xù)發(fā)展中環(huán)境污染與能源稀缺是主要難題之一，大力減少對化石能源的依賴，尋求可再生能源與資源，保護環(huán)境是我們研究的重要課題。地球上有一種繼續(xù)性資源--生物質(zhì)能，生物質(zhì)能的主要存在形式一般是制氫、沼氣、生物柴油以及燃料乙醇。其中，在汽油中加入一定比例的乙醇能夠作為代替汽油的汽車燃料；內(nèi)燃機可以使用生物柴油，生物柴油是代替柴油石油的有效能源；沼氣的主要成分是甲烷，它是一類混合可燃?xì)猓谌紵笮纬啥趸己退託鉄嶂岛芨撸?立方米沼氣燃燒所釋放的能量與0.8千克汽油或1.3千克煤炭燃燒所釋放的熱量相同；氫氣燃燒后只會生成水，不會對環(huán)境產(chǎn)生然和污染，是一種高效清潔型能源。所以說，當(dāng)前解決環(huán)境污染與能源稀缺問題的有效手段就是大力發(fā)展生物質(zhì)能。

我國是世界農(nóng)業(yè)國家之一，秸稈資源豐富，秸稈產(chǎn)量大約為6.78億噸。所以說，有效處理秸稈問題，不僅僅能夠解決當(dāng)前能源稀缺問題，還能夠有效防止二次環(huán)境污染。

二、秸稈的結(jié)構(gòu)特性以及化學(xué)組成

農(nóng)作物秸稈主要由少許無機物、大量有機物以及部分水構(gòu)成，有機物主要是木質(zhì)素、碳水化合物，這都是纖維類有機物，除此之外還有少許粗脂肪、組蛋白質(zhì)以及可溶性糖。木質(zhì)素、半纖維素和纖維素共同構(gòu)成了植物細(xì)胞壁的基本骨架。在農(nóng)作物秸稈里，這三種組成成分所占其總質(zhì)量分?jǐn)?shù)的七成左右，所占比例因秸稈種類而異。

三、當(dāng)前秸稈現(xiàn)狀及存在的主要問題

隨著世界經(jīng)濟不斷發(fā)展，生產(chǎn)力不斷進步，人們對能源有著越來越廣泛的需求。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計，地球上植物每年通過光合作用所固定的碳達(dá)到2022t，這些碳的能量為3063焦耳。通過光合作用，植物會在其葉、枝、莖中儲存太陽能，其儲存量相當(dāng)于全世界每年耗費能量的11倍。但是這其中能被有效利用的生物質(zhì)能缺不足百分之一。

在地球上，每年大約可以形成1012t木質(zhì)纖維素生物質(zhì)能，是自然界中含量最高，分布最廣泛，同時地價格低廉的可再生能源。當(dāng)前，世界第一大能源消費與生產(chǎn)國是美國，其相關(guān)部門在20世紀(jì)90年代就已經(jīng)提出生物質(zhì)能發(fā)電計劃。近幾年來，我國能源形勢面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，我國相關(guān)部門在2006年也提出來相應(yīng)的生物質(zhì)能源發(fā)展策略，同時啟動十一五國家科技支撐計劃以及農(nóng)林生物質(zhì)工程等大型項目。當(dāng)下轉(zhuǎn)化畝植纖維素類生物質(zhì)的主要形式是沼氣與燃料乙醇。

秸稈中木質(zhì)纖維素含量非常高，纖維素自身結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，在其分子內(nèi)部有大量氫鍵、結(jié)晶區(qū)與非結(jié)晶區(qū)，非常難以溶入常見溶劑里。所以說，氧化菌消化起來比較困難，最終造成經(jīng)濟效益低下、發(fā)酵產(chǎn)氣量不高的結(jié)果，這也就致使無法利用秸稈大規(guī)模生產(chǎn)沼氣。

當(dāng)下解決這個問題的最好方法就是在厭氧發(fā)酵之前對秸稈進行預(yù)處理工作。預(yù)處理的主要目的在于將包裹纖維素的木質(zhì)素解除、將纖維素中的結(jié)晶區(qū)破壞掉，這樣能夠?qū)⑵浣Y(jié)晶度與聚合度降低，進而使得其在溶劑中的溶解性增強，最終能夠提升轉(zhuǎn)化速率。由此可以看出，在將木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化降解為沼氣的工作中，預(yù)處理是非常重要且不可缺少的一步。

四、秸稈預(yù)處理建議

農(nóng)作物秸稈屬于農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中寶貴的生物質(zhì)能資源。據(jù)統(tǒng)計，我國每年可生成秸稈逾8億t。秸稈還田能改善土壤的理化性狀，增加土壤有機質(zhì)。農(nóng)作物秸稈可用來代替煤發(fā)電、氣化、炭化的燃料等，同時是造紙的優(yōu)質(zhì)原料、良好的飼料和很好的肥料資源，還是生產(chǎn)建筑用壓板的理想材料。總而言之，提高農(nóng)作物秸稈綜合利用率，對促進社會主義新農(nóng)村建設(shè)將起到巨大的推動作用，濉溪縣是農(nóng)業(yè)大縣，春秋兩季農(nóng)作物種植面積可達(dá)400萬畝以上，除去機械化還田可收集秸稈量200萬噸以上，在“五化”利用中秸稈制沼氣只占1%，秸稈制沼氣氣利用較大空間，提高農(nóng)作物秸稈制沼氣一直是濉溪縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村部門探討的重要課題。

氫離子濃度決定了秸稈預(yù)處理工作的效果，在水解過程中，雖然無機強酸能夠提供充足的氫離子，保證水解效果。但是，在利用秸稈生產(chǎn)沼氣時并不適合使用無機強酸進行與處理工作。在某種條件下，也可以是使用有機酸對秸稈進行預(yù)處理工作，有機酸不僅能夠促進秸稈水解，還能夠不對水解液中的糖產(chǎn)生副作用。但是有機酸的酸性不夠強，所能提供的氫離子濃度有限，這勢必會增加成本。因此應(yīng)當(dāng)在其中添加適當(dāng)?shù)闹呋瘎@樣不僅能夠促進預(yù)處理秸稈的工作效率，還能夠降低生產(chǎn)沼氣的成本，同時又解決了使用無機強酸進行預(yù)處理時帶來的各種麻煩。

研究發(fā)現(xiàn)，在秸稈水解過程中，金屬離子也可以起到一定催化作用。金屬離子能夠促使秸稈生成有機酸，進而增強酸度，或是促進秸稈中的多酚類和有機酸氧化為自由基，這能夠大大增強其自身氧化效果，易于秸稈內(nèi)部鏈接纖維素、木質(zhì)素以及半纖維素結(jié)構(gòu)鍵的打開，促進半纖維素降解的效果。

五、常用的預(yù)處理方法

在利用秸稈生產(chǎn)沼氣時，沼氣池板結(jié)硬化是當(dāng)前亟須解決的問題，預(yù)處理工作能夠?qū)⒔斩捴械哪举|(zhì)素祛除，將其晶體結(jié)構(gòu)破壞，最終提升其轉(zhuǎn)換效率。在進行預(yù)處理工作時，應(yīng)當(dāng)注意以下幾點：第一，應(yīng)盡可能促進糖的生成，這樣有利于后續(xù)發(fā)酵；第二，避免糖出現(xiàn)降解現(xiàn)象；第三，盡量避免出現(xiàn)對后續(xù)酸化有反作用的產(chǎn)物；第四，節(jié)約成本，提高效率。一般來講可以將預(yù)處理方法分成生物法、化學(xué)法、物理法或化學(xué)物理結(jié)合法。當(dāng)前，化學(xué)物理法與化學(xué)法是最主要的研究與使用方法。

六、秸稈其他處理方式

秸稈還田。秸稈還田能夠充分平衡與補充土壤中各類養(yǎng)分，能夠有效改善土壤質(zhì)量，畝產(chǎn)量增強在12%之上，是當(dāng)前建設(shè)高產(chǎn)良田的主要方式之一。

秸稈基料化，作為食用菌基質(zhì)；秸稈飼料化，利用秸稈生物發(fā)酵、高效生化蛋白、秸稈熱噴、氨化青貯或直接粉碎鉰喂；秸稈肥料化，高溫堆肥、發(fā)酵菌及氨基酸液制肥；秸稈工業(yè)化，人造板材、清潔制漿；秸稈能源化，秸稈電廠、固化成型燃料、熱解制氣。

將秸稈還田或“五化”利用也是一種對秸稈的回收利用方式，雖然無法直接產(chǎn)生沼氣，但是也從其他方面保護了環(huán)境，促進了可再生資源的利用與發(fā)展。

七、結(jié)束語

綜上所述，當(dāng)前應(yīng)當(dāng)重視秸稈預(yù)處理方式，不斷促進秸稈生產(chǎn)沼氣工作的開展，尋找經(jīng)濟高效的預(yù)處理方法，促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，提高農(nóng)村能源有效利用。