秸秆沼气工程设计若干问题的探讨

李布青 葛昕

摘要秸秆沼气化是秸秆综合利用的有效途径，受到广泛关注。通过对秸秆沼气工程的调查与分析，总结工程设计中存在的主要问题及解决途径，阐述了针对秸秆特性的沼气工程技术研究进展和秸秆沼气工程设计中的关键技术问题。

关键词秸秆；沼气；工程设计

中图分类号S216.2文献标识码

A文章编号0517-6611（2015）05-354-04

基金项目安徽省农业科学院学科建设与宏观农业研究项目（13A1323）。

作者简介李布青（1962- ），男，安徽太湖人，研究员，从事农村能源研究。

收稿日期2015-01-12

秸秆沼气化利用是秸秆综合利用的有效途径。秸秆原料经微生物厌氧发酵作用产生清洁能源—沼气和优质有机肥，沼气作为农民生活用能，也可替代天然气等用于工业生产。施用沼渣有机肥不仅可节约化肥和农药，增加土壤的有机质含量和肥力，而且能改善土壤理化性状，提高农作物的产量和品质，促进生态农业的发展。 “十二·五”期间，国家将大力发展秸秆沼气，提高可再生能源在能源结构中的比例。

秸秆的密度小、体积大、流动性差，秸秆沼气工程存在进出料困难、浮渣结壳和传质传热慢、效率低等问题。而且秸秆的木质纤维素含量较高，不能被厌氧菌有效地降解。相对于畜禽粪便等易消化的物料，秸秆厌氧消化对工艺技术要求要高得多。该文通过对秸秆沼气工程的调查与分析，总结工程设计中存在的主要问题，阐述了针对秸秆特性的沼气工程技术进展，总结工程设计中存在的主要问题及解决途径，阐述了针对秸秆特性的沼气工程技术进展和秸秆沼气工程设计的关键技术问题，以促进我国规模化秸秆沼气工程的可持续发展。

1秸秆沼气工程存在的主要问题及解决途径

1.1秸秆作为沼气发酵原料的特性

秸秆的结构复杂，其成分中的木质素不能被转化为可发酵的糖类。木质素是植物界中仅次于纤维素的最丰富和最重要的有机高聚物，是一类由苯基丙烷结构单元通过 C-C 键连接而成的三维空间高分子化合物，与纤维素，半纤维素一起构成细胞壁的主要成分，其中 80%存在于植物细胞壁中，20%分布于细胞间隙中，成为细胞联合的粘连剂。秸秆中的木质素包裹在纤维素和半纤维素的表面，并且三者在纤维细胞次生壁中呈不连续的层状结构，彼此粘连相互间断，形成空间阻碍，阻碍了酶和微生物与纤维素、半纤维素的充分接触，降低了纤维素類物质的利用率。因此，秸秆在自然状态下难以被厌氧菌消化，导致消化效率不高，投入产出效益差；秸秆不具有流动性，且密度小、体积大，进出料困难；秸秆在消化开始阶段容易产生酸，消耗不平衡，引起酸积累，造成酸中毒现象，影响正常运行；反应器内传热传质不均匀，物料与接种物接触不充分，消化进程不易控制。

1.2秸秆沼气工程存在的主要问题

将秸秆直接投入沼气池内进行发酵处理，存在启动慢、产气量少、产气率低、浮渣结壳等问题。根据工程经验和对部分大中型沼气工程的调查结果，目前我国秸秆沼气工程中存在着如下突出问题：厌氧消化反应器基本上沿用畜禽粪便沼气工程的厌氧消化器，秸秆本身质地较轻，进料后容易浮在液面上，造成原料分层和结壳；原料漂浮在料液上面不能与微生物充分接触，减缓反应速度。同时，漂浮原料易结壳阻止沼气及时逸出；搅拌阻力大，传质效率低，气体释放困难，启动慢、产气量少、产气率低、原料浪费等问题难以得到根本地解决；部分秸秆沼气工程产生大量的沼液，易在周边形成2次污染。

1.3秸秆沼气工程存在的主要问题及解决途径

2规模化秸秆沼气工程设计关键技术问题

2.1秸秆原料预处理

2.1.1秸秆预处理工艺概述。在秸秆原料进厌氧消化器发酵前需要进行一定的预处理，主要作用是质地改善和营养调节2个方面。秸秆中的木质素很难被微生物消化，导致了产沼率低下。改善秸秆的成分和结构主要通过物理、化学和生物手段。物理预处理是利用机械、热等方法来改变秸秆的外部形态或内部组织结构。化学预处理是利用化学制剂作用于作物秸秆，破坏细胞壁中半纤维素与木质素形成的共价键，从而达到提高秸秆消化率的目的。生物处理是在人工控制下，利用一些细菌，真菌等微生物的发酵作用来处理秸秆。虽然很多研究结果显示，物理、化学预处理的效果显著，但在工程实践中应用很困难，主要是工艺复杂，投资大，以及潜在的2次污染等问题。

秸秆中碳含量较高，而磷、钾等微生物代谢所必需的元素和微量元素含量较低，不利于微生物发酵利用，营养的不均衡也是秸秆处理效率低的原因。营养调节通常是调整碳氮比，与碳氮比低的发酵原料混和发酵。例如畜禽粪便等，或添加一些化学元素，如尿素或碳酸氢铵。

2.1.2预处理工艺设计。预处理是整个沼气工程的咽喉，通过预处理提高秸秆的可生物消化性能、消化效率和产气率，同时在预处理阶段需要调节进料浓度、进料温度。如果不能通过预处理确保沼气工程的进料质量，将导致沼气工程运行不稳定，难以发挥最佳的处理能力，所以在工程设计时应全面考虑预处理工艺。

从所调查的实际工程情况来看，预处理工艺在实际运行中存在的问题最为突出。综合现有工程的调查情况，在进行预处理工程设计时应考虑如下处理方案：

（1）针对沼气秸秆原料特性，将生物预处理、物理预处理（机械剪切）相结合，质地改善和营养调节相结合，设计秸秆原料秸秆预处理和调质一体化装置，在一个前处理池完成秸秆作为厌氧发酵产沼气原料的秸秆生物预处理、匀浆调质等原料前处理，降低秸秆沼气工程投资，提高处理效率。

（2）搅拌池和调节池合并为前处理池，用筛网取代格栅；前处理池设计为圆形池，减少死角；设置坡底和砂斗，把大部分泥砂沉淀在前处理池底部，定期清渣。

（3）利用回流沼液进行匀浆调质，沼液在系统内循环不外排。待处理的秸秆原料与回流沼液、调质物（微生物和富N原料）在预处理和调质一体化装置中混合匀浆调质的同时，通过机械剪切作用力，改变秸秆的外部形态和内部组织结构，增强微生物的降解效果，加快生物预处理进程，在批次进料的间隙完成秸秆原料的预处理。

（4）秸秆原料经生物预处理和匀浆调质后通过筛网，由进料器送入厌氧发酵装置，提高处理效率，并可有效防止进料设备和管道的堵塞。

2.2秸秆沼气厌氧消化工艺

2.2.1厌氧消化工艺。消化器是沼气发酵的核心设备，其设计取决于选定的厌氧消化工艺。从成功运行的秸秆沼气示范点看，我国秸秆沼气工艺类型多样。根据秸秆物料在反应器中的形态，大致可分为液态消化、固态消化和固液两相消化工艺。

2.2.2液态消化。液态消化工艺较成熟，发酵原料固体含量在8%左右。在厌氧消化器内设有搅拌装置，通过适当搅拌改善厌氧菌群与物料接触和传质传热效果。由于采用了搅拌装置，消化装置内物料处于完全均匀或基本均匀的状态，因此微生物能和原料充分接触。

液态消化反应器为立式或卧式，通常采用序批式或连续式进出料方式，沼液回流循环使用，减少了沼液外排。液态消化技术已被大量应用于混合原料沼气工程，目前我国已建的秸秆沼气工程也多采用液体消化工艺。主要问题是所用物料TS较低，消化器体积较大，加热和搅拌能耗高，且微生物容易随出料流失。

全混式反应器（CSTR）。该消化器常采用恒温连续投料或半连续投料运行，适用于高浓度及含有大量悬浮固体原料的处理。中温发酵时负荷为3～4 kg/（m3·d）COD，高温发酵为5～6 kg/（m3·d）COD。在该消化器内，新进入的原料由于搅拌作用很快与发酵器内的全部发酵液混合，使发酵底物浓度始终保持相对较低状态。排出的料液与发酵液的底物浓度相等，并且在出料时微生物也一起被排出。该装置出料浓度一般较高，一方面不利于沼肥的后续利用，另一方面沼渣停留时间短，消化不完全。该消化器是典型的HRT、SRT和MRT完全相等的消化器，为了使生长缓慢的产甲烷菌的增殖和冲出速度保持平衡，要求HRT较长，一般要10～15 d或更长的时间。原料利用率低，出料COD浓度较高，沼液量大，存在2次污染隐患。虽在早期的秸秆沼气工程中被广泛应用，但是并不适于秸秆沼气工程的落后工艺，为此在工程实践中有很多改进。

对CSTR机械搅拌的改进。将CSTR的机械搅拌改为沼液、沼气回流搅拌，以沼液、沼气作搅拌动力，无需搅拌设备，浮渣直接从排液管排出，排液管出口设一水封池（沼液储存池），沼气循环于反应器发酵液中可大大减少沼气中的二氧化碳含量。该新工艺通过对CSTR工艺的内部优化整合，简化了反应器结构，节省了搅拌装置的投资及运行费，实现了混合原料沼气化处理的高效、安全、稳定运行。而且原料的总产沼气量相对增加，沼气中二氧化碳含量低。

对CSTR进出料的改进。为有利于厌氧发酵，方便进出料，克服浮壳沉渣等问题，改进全混式厌氧消化器内部结构，采用多点进出料。特点是一个反应器内分成上中下3层，上层为1级反应区，高浓度，高温度；中层为2级反应区，为主反应区；下层为3级反应区，低浓度，中温发酵，剩余物便于出口排出。该工艺解决了秸秆进出难、浮壳沉渣、产气变化大、2次污染等一系列问题。

2.2.3固态消化。固态消化（干法发酵）工艺特点是发酵原料干物质浓度高，一般干物质含量大于15%。优点是发酵原料干物质含量高，提高了池容产气率，一次性装料，中途无需进出料，适应大规模的秸秆处理，发酵过程中运行费用低。缺点是不能连续生产沼气（需要多个池子交替使用），大出料时安全性差、投资大。根据投料方式不同，可分为序批式和连续式工艺。

由于固态消化工艺秸秆浓度高，进出料困难，因此我国采用固态消化的秸秆沼气工程以序批式投料为主，主要有覆膜槽干式、车库（集装箱）式和红泥塑料厌氧消化工艺。由于单个消化周期内存在产气高峰、低谷明显等特点，因此序批式沼气工程大都采用多个不同消化阶段反应器并联的方式运行，以保证整个系统产气稳定。

（1）覆膜槽干式消化工艺。通过好氧前处理——厌氧消化产气——剩余物处理3 个阶段进行沼气生产的厌氧消化技术。首先以好氧堆肥方法对物料进行机械搅拌，利用生物能使原料升温（同时实施秸秆生物预处理），再辅以高效的保温措施，不用外加热源就能达到中温厌氧消化所需温度，减少了系统的能耗。

（2）车库式厌氧消化工艺。固体混合物料在多个并联的车库型或集装箱型厌氧反应器中进行的序批式厌氧消化技术。经粉碎的秸秆直接与富含菌种的沼渣接种，用铲车送入反应器进行批式消化，通过渗滤液回流喷淋达到连续接种和缓解过度酸化的效果。该工艺运行能耗低，易于操作，且无沼液排放。对车库门的密封和反应仓内甲烷含量检测要求较高。

（3）红泥塑料厌氧消化技术。采用地下砖混或钢筋混凝土结构作为厌氧消化器，并用红泥塑料覆盖收集沼气的技术。对秸秆预处理要求不高，不需切碎或粉碎，分层添加畜禽粪便作为接种物和营养调节剂，直接在地面或敞开的消化器内堆制处理5～10 d。進料时往消化器内注入可淹没池内物料的水量，覆上红泥塑料盖并通过水封将消化器密封，进行厌氧消化。消化器顶部的四周设置喷淋管，定期添加液体或回流沼液，以防止结壳，提高产气效率。换料时可直接揭开红泥塑料覆皮，采用机械式进出料。红泥塑料吸热性能好，能迅速提高消化器的温度。需要的动力设备装置少，能耗低，且操作简便。

2.2.4固液两相消化工艺。固液两相消化工艺针对秸秆特性，固态产酸与液态产甲烷相结合，综合了液态消化、固态消化的优点，反应器连续运行，无需停产大出料、机械化自动化程度高、运行可靠、处理量大、运行能耗低、管理方便。两相（循环接种式）厌氧消化技术将固相和液相发酵原料分在不同区域，以达到产酸相和产甲烷相分离，并利用沼液回流实现循环接种。根据反应器个数的不同，可分为分离式两相和一体两相厌氧消化技术。

（1）分离式两相消化工艺。固相和液相分别在不同消化器中进行，两相分离有利于产酸菌和产甲烷菌在各自的反应区内保持适宜的生长环境。同时，秸秆在产酸反应器中转化成易于消化的渗滤液，作为产甲烷消化器的原料生产沼气，沼液作为接种物回流至产酸反应器。通过固相消化器的连续投料或多个处于不同消化阶段的序批消化器并联达到整个系统的连续稳定运行。整个工艺过程中，系统没有液体排出，产生的固体残渣可以通过后续处理生产有机肥。通过渗滤液集中收集、沼液喷淋和搅拌等方式，提高系统的消化速率和稳定性，解决传统固体废弃物厌氧发酵中出现的易酸化、难搅拌、产气不稳定等难题。

（2）一体两相（循环接种式）厌氧消化技术。两相（循环接种式）厌氧消化技术是在中温条件下，以秸秆为原料，从消化器顶部投料，依靠秸秆和沼液的比重差异形成固液两相分离；同时，通过进料时携带的沼液循环，达到物料循环接种效果的秸秆厌氧消化技术。适合处理干秸秆、青贮秸秆等秸秆类物料或秸秆与粪便等的混合性物料。发酵过程中不加水或加少量水，产生沼液循环用于接种和调节原料特性，基本不产生沼液，有效解决了大量消化产物如何有效处理的难题。

2.2.5抗浮防结壳设计。由于秸秆原料的生化特性，秸秆原料在厌氧发酵中由于密度小，容易随沼气气体上浮，发酵初期原料上浮和上浮的秸秆浮渣中微生物在固体原料表面形成的生物膜相互作用在液面形成一层不透气的硬壳，对厌氧发酵产生很多不利影响。结壳上浮使秸秆原料不能与发酵液充分接触，原料不能被彻底分解，降低原料利用率。浮渣结壳导致发酵产生的沼气在发酵液中累积，不仅增加了发酵液中的沼气分压，而且沼气中较多的CO2溶解于沼液中，使沼液的pH值下降，影响产气；秸秆上浮积聚结壳，影响发酵装置内固、液、气3相传质、传热和流动性，传统搅拌装置和动力配置很难应用。发酵装置内传质不均匀，容易造成局部酸积累。

秸秆原料浮渣结壳直接影响产气效率和运行稳定性，是制约秸秆厌氧发酵的关键因素之一，所以秸秆原料的沼气工程需要进行抗浮防结壳设计。搅拌是使微生物与发酵原料接触的有效手段，适度的搅拌可以防止结壳或者打破已有的结壳层，使得固体有机物质均匀分布在沼液中。利用发酵罐内已有的料液，每隔一定时间段通过泵对料液进行水力循环，可通过料液的液体流动抗浮防结壳。

安徽农业科学2015年

2.2.6搅拌设计。搅拌通过促进水动力循环，促进微生物和底质的良好接触，通常是提高沼气发酵效率的有效手段。搅拌可以使反应器内的物料混合均匀，温度、pH微生物种群等保持均匀一致，还可以大大降低池底沉积及液面浮渣结壳。对于秸秆发酵，从工程运行情况看，适当的搅拌是有利的，可以提高产气率。

目前秸秆沼气工程常用的有机械搅拌、水力循环搅拌、沼气搅拌。机械搅拌是使用各种安装形式的机械装置，通过各种形式的机械运动使物料达到充分混合状态的一种搅拌方式。此种搅拌方式可以产生强大的剪切作用，可以借助搅拌叶片的转动能来打碎消化原料，有利于高粘度物料混合。机械搅拌过程中涡旋剪切力为主导动力，涡旋速度梯度、欧拉准数、雷诺数的相互结合可以作为搅拌效果的综合控制指标。秸秆原料厌氧消化器内的流体是一种非牛顿流体。在间歇式搅拌条件下，需要一定的流场速度，才能使底部沉积的污泥扬起并随流场位移，搅拌阻力大，能耗高。为了克服搅拌死区的存在，应增加搅拌强度，产气量呈曲线变化，先是增加，达到最大值时，随后又呈下降趋势。

适度的搅拌混合能增加微生物与底物的接触程度，使得池内温度场更加均匀，然而搅拌过度，则可能会影响微生物的活性。当厌氧消化器中物料满足临界起始强度时，短时间内的搅拌形成的剪切力对微生物的破坏会在短期内恢复。随着时间的延长，物料已经充分混合，持续的剪切力会造成不可逆破坏，同时增加能耗。过长的搅拌间歇，也会造成底部污泥内代谢物质的积累，发酵底物的过度消耗，而上部发酵液底物又不能及时补给，进而造成发酵效率降低。水力循环搅拌、沼气搅拌在控制搅拌剪切力的情况下增加搅拌的扰动区域，防止过高剪切力对微生物代谢链造成紊乱。

2.2.7沼液控制。大型沼气工程产生的沼液在储存和使用过程中会对周围环境构成污染，其主要表现为沼液储存过程中有害气体释放、沼液直排造成的水体污染、农田长期大量施用造成的重金属沉积和沼液渗滤造成的地下水恶化。由于单位土地面积对沼液的容纳能力有限，沼液的长距离运输成本又较高，加上气候变化及农作物复种情况影响，大型沼气工程所产的沼液无法完全利用，而现阶段对多余沼液的净化处理或者对沼液的浓缩减容处理成本很高。因此，在秸秆沼气工程设计中，避免沼液外排是基本要求。通过工艺措施，使沼液在系统内循环，并处于收缩状态是必要的。

3结语

通过沼气发酵获取生物能源是农作物秸秆的资源化利用一条非常有潜力的途径。由于秸秆的密度小、体积大、流动性差，存在进出料困难、浮渣结壳和传质传热慢、效率低等问题。而且秸秆的木质纤维素含量较高，不能被厌氧菌有效地降解。秸秆沼气工程日益受到普遍关注，国内外在秸秆的预处理、秸秆厌氧发酵工艺及产业化装备方面做了大量研究和工程实践，已经获得了许多有益的成果，取得可喜进展。但工程化的秸秆沼气技术目前尚处于试验示范阶段，秸秆沼气特殊的关键技术问题仍未有经济成熟的解决方案。尤其是目前运行的示范工程采用的秸秆沼气工程技术并不具备商业化运营要求，集成秸秆沼气工程先进技术提高工程經济性是秸秆沼气工程可持续发展的关键。

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责任编辑夏静责任校对况玲玲