秸秆厌氧发酵产沼气预处理研究

赵志斌，张红，高冬梅

（1.青岛中科华通能源工程有限公司，山东青岛266101；2.青岛青环环保科技与清洁生产服务中心，山东青岛266003）

我国是全球农业大国，每年产生的农作物秸秆近9 亿t，是世界上秸秆资源最为丰富的国家之一[1]。然而由于综合利用不充分，秸秆废弃和违规焚烧现象严重，带来了一系列资源浪费和环境污染问题。“秸秆废弃物是放错了地方的资源”，其具有易生物降解、可回收生物能源、资源化用途广和产品附加值高等优点。秸秆厌氧消化可产生清洁能源——沼气，不但可作为农民生活用能，也可替代天然气等用于工业生产，同时还能产出优质的有机肥，提高农作物的产量和品质，促进生态农业发展[2]。

近几年，虽然我国秸秆沼气工程取得了很大的进步，但由于秸秆的特殊性，在其厌氧产沼气技术方面仍然存在很多难题。围绕秸秆的特性来探讨预处理对厌氧发酵产沼气的影响，以期为秸秆沼气工程选择原料和预处理方式提供一定的借鉴。

1 秸秆的物理组成

农作物秸秆主要有水稻、小麦、玉米、谷类、油料作物以及烟草类等，主要成分是纤维素、半纤维素和木质素，但不同秸秆主要成分都不相同，产气潜力也不同。一般是纤维素的含量最高，质量分数约为40%～55%，半纤维素的质量分数为10%～25%，木质素质量分数为20%～30%[3]。郭冬生[4]对水稻、小麦和玉米秸秆的有效成分和产气规律进行了研究，发现玉米秸秆中的纤维素、半纤维素和木质素等成分的含量均比水稻和小麦的高，产气量也最高，具体数据见表1。

表1 主要农作物秸秆的有效成分%

2 秸秆预处理技术

秸秆中的木质素、纤维素、半纤维素3 种主要物质在细胞壁中紧密地结合在一起形成坚硬的木质纤维素，阻碍微生物对秸秆内部纤维素的消化分解，导致厌氧消化时间长、产气效率低。因此，农作物秸秆的预处理是影响发酵产气效率的重要因素。

目前，国内外秸秆发酵预处理技术主要有物理技术、化学技术、生物技术、物理化学技术和化学生物联合处理技术等。物理技术主要是机械加工、高压、辐射处理，减小原料粒径，改变物质结构以促进后期发酵效果。Clarkson[5]研究发现，粉碎后的秸秆比未经处理的秸秆产气量提高了近20%。化学法主要通过添加酸、碱等破坏秸秆内部结构，促进纤维素分解。

Gunaseelna[6]用10%的盐酸对水稻秸秆进行处理发现，秸秆厌氧发酵产沼气量和甲烷含量分别提高了25%和67%。张鸣[7]等研究表明，4‰NaOH 处理后的玉米秸秆累计产气量相比自来水对照提高了21.87%，NaOH 预处理效果好于Ca（OH）2。然而化学法处理易产生二次污染，环境友好性差。生物法主要是利用好氧微生物菌群对纤维素的分解，从而使秸秆更利于厌氧发酵菌群的利用和分解，如秸秆青贮、菌剂添加和沼液预处理等。

3 秸秆粉碎预处理

在实际中物理预处理技术应用最为普遍，对实际项目成败的影响更为关键。通常机械粉碎是一种比较经济、易于操作的粉碎方式，粉碎程度在很大程度上决定了预处理工艺的输送料设备和搅拌机配置的选择。

3.1 原料选取

以黑龙江克东地区的玉米秸秆为原料进行研究，对秸秆密度、原始粒径、自然堆积密度、浸润性能、浸润后密度、粉碎粒径、含水率变化等物理特性进行测试。受地区收割习惯的限制，当地大部分原料粒径为10 cm 左右或更长，平均含水率约10%，秸秆散乱形状不一，大部分为丝状，宽度较大，原料状态见图1。

图1 黑龙江地区玉米秸秆原料

3.2 粉碎设备选用

（1）选用24 m3双绞龙TMR 饲料搅拌机作为秸秆粉碎设备，设备自身具备称重功能。TMR 搅拌机是一种将粗料、精料、矿物质、维生素和其他添加剂充分混合的设备，具有强大的粉碎功能，可将长秸秆切碎成丝状（图2）。

图2 TMR 搅拌机结构示意图

（2）设备旁安装自来水管，水管出水口接软管以实现人工干预喷洒，自来水管适当位置安装流量计1 套，并对流量计校正使其能正常准确显示用水量。

（3）抓草车，去掉捆绳的秸秆通过抓草车投入到TMR 搅拌机内。

3.3 粉碎与浸润

首先开启TMR 搅拌机调整旋转速度，然后将秸秆投入到搅拌机内搅拌均匀，之后再次投加，直至投加量达到设计量。每批次取样玉米秸秆原料20 m3，粉碎5 个批次，共计100 m3。操作步骤及要点如下。

（1）投料时每次加至接近需求容积后通过人工投加调整至需求容积，其误差控制在±5%范围。

（2）容积通过测量装入原料后剩余空间的体积值与总体积相减得出，取5 次体积的平均值。

（3）装填物料达到设计容量后停止加料，可在设备上直接读取重量，进而计算原料的自然堆积密度。

（4）开启电机运转绞龙，观察并计时运行40 min。测定粉碎后秸秆总体积。

（5）分批次向秸秆料箱内加水，每次注水后运行一段时间绞龙保证秸秆搅拌均匀并观察秸秆含水状态，直至下方出料口有销量水流出，停止加水，继续搅拌至无水流出（图3）。

（6）停止绞龙运转，平整物料后测定其体积，读取重量数据。

图3 粉碎浸润后秸秆

3.4 秸秆粉碎后物理性质测算

（1）原始秸秆捆直径约2 m，宽度约1.5 m，计算单捆体积约为4.71 m3，质量750～800 kg；测得含水率约10%（质量比），平均密度约0.17 t/m3。

（2）选取5 个批次原始秸秆进行粉碎和浸润后物理特性测定结果表明：原始秸秆自然堆密度平均值为0.061 t/m3，粉碎后秸秆堆密度增大为0.077 t/m3；浸润后的秸秆（含水率70%，TS=30%）的堆密度显著增加，为0.336 t/m3，具体数据见表2。

（3）经筛分比选粉碎后秸秆粒径分布为：小于2 cm的约为80%，2～5 cm 的约为10%，5～10 cm 的约为5%。

3.5 秸秆进料系统

经过对秸秆原料的粉碎、浸润测试以确定风干玉米秸秆的吸水性能及切割效果，可根据进料批次、批次持续时间、秸秆密度等确定布料器的容积，从而确保进料机制的完备和进料量的精确。从节能及原料的特性方面考虑，秸秆厌氧发酵产沼气工程可采用两种进料方式：干式进料和湿式进料。干式进料即采用布料器、螺旋输送机等设备将秸秆直接投入厌氧发酵罐内。湿式进料即将原料与水或沼液在调配池内预先混合，混合均匀后再通过输送泵输送至发酵罐内。目前，在线混合湿式进料设备应用较多，可将沼液、水等和原料在较小的与泵一体的料箱内迅速混合并直接输送至发酵罐内，建设简单，易于管理。

表2 秸秆预处理前后物理参数变化统计表

4 建议

4.1 秸秆收集储存

考虑到秸秆的成分稳定，需要尽可能早地进行储存，对收割下来的原料，边收边贮，尽量减少曝晒，避免堆积发热，以保证贮料新鲜。同时避免在雨天进行收割、运输贮料，以减少泥土的污染。贮窖内设有专人及设备将原料摊平。当贮料装填距窖口40～50 cm 时，紧贴窖的四壁围上专用塑料薄膜，市面上多为黑白膜。装填的期限不能过长，最好在短时间内装填完并密封。

4.2 秸秆加水浸润

黄贮的成败关键在于加水，所以需要安排有经验的人员专门加水。加水要本着先少后多、边装填、边压实、边加水的原则，加水量要根据原料实际水分含量而定，以贮料的总水分含量达到65%～75%为宜，过多过少都会影响发酵效果。

4.3 秸秆预处理

秸秆类原料中纤维类物质含量比较高，且密度小不易分解，如果原料不能得到有效的粉碎及浸润，在发酵过程中非常容易上浮，在发酵环境中如果得不到很好的混合，则会形成浮渣壳，厚度和强度都随时间的增加及进料量的增加而增厚增强，会严重限制其沼气化利用效率，甚至会增加罐体的承受压力。因此，在粉碎设备方面还需要进行创新和突破，同时在沼液回流浸润方面进行深入的研究，以期减少沼液对沼气工程带来的困惑，使秸秆沼气工程走上可持续发展之路。