趙志斌，張紅，高冬梅

（1.青島中科華通能源工程有限公司，山東青島266101；2.青島青環(huán)環(huán)?？萍寂c清潔生產(chǎn)服務(wù)中心，山東青島266003）

我國是全球農(nóng)業(yè)大國，每年產(chǎn)生的農(nóng)作物秸稈近9 億t，是世界上秸稈資源最為豐富的國家之一[1]。然而由于綜合利用不充分，秸稈廢棄和違規(guī)焚燒現(xiàn)象嚴(yán)重，帶來了一系列資源浪費和環(huán)境污染問題。“秸稈廢棄物是放錯了地方的資源”，其具有易生物降解、可回收生物能源、資源化用途廣和產(chǎn)品附加值高等優(yōu)點。秸稈厭氧消化可產(chǎn)生清潔能源——沼氣，不但可作為農(nóng)民生活用能，也可替代天然氣等用于工業(yè)生產(chǎn)，同時還能產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的有機肥，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，促進生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展[2]。

近幾年，雖然我國秸稈沼氣工程取得了很大的進步，但由于秸稈的特殊性，在其厭氧產(chǎn)沼氣技術(shù)方面仍然存在很多難題。圍繞秸稈的特性來探討預(yù)處理對厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的影響，以期為秸稈沼氣工程選擇原料和預(yù)處理方式提供一定的借鑒。

1 秸稈的物理組成

農(nóng)作物秸稈主要有水稻、小麥、玉米、谷類、油料作物以及煙草類等，主要成分是纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，但不同秸稈主要成分都不相同，產(chǎn)氣潛力也不同。一般是纖維素的含量最高，質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為40%～55%，半纖維素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～25%，木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%～30%[3]。郭冬生[4]對水稻、小麥和玉米秸稈的有效成分和產(chǎn)氣規(guī)律進行了研究，發(fā)現(xiàn)玉米秸稈中的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等成分的含量均比水稻和小麥的高，產(chǎn)氣量也最高，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 主要農(nóng)作物秸稈的有效成分%

2 秸稈預(yù)處理技術(shù)

秸稈中的木質(zhì)素、纖維素、半纖維素3 種主要物質(zhì)在細胞壁中緊密地結(jié)合在一起形成堅硬的木質(zhì)纖維素，阻礙微生物對秸稈內(nèi)部纖維素的消化分解，導(dǎo)致厭氧消化時間長、產(chǎn)氣效率低。因此，農(nóng)作物秸稈的預(yù)處理是影響發(fā)酵產(chǎn)氣效率的重要因素。

目前，國內(nèi)外秸稈發(fā)酵預(yù)處理技術(shù)主要有物理技術(shù)、化學(xué)技術(shù)、生物技術(shù)、物理化學(xué)技術(shù)和化學(xué)生物聯(lián)合處理技術(shù)等。物理技術(shù)主要是機械加工、高壓、輻射處理，減小原料粒徑，改變物質(zhì)結(jié)構(gòu)以促進后期發(fā)酵效果。Clarkson[5]研究發(fā)現(xiàn)，粉碎后的秸稈比未經(jīng)處理的秸稈產(chǎn)氣量提高了近20%。化學(xué)法主要通過添加酸、堿等破壞秸稈內(nèi)部結(jié)構(gòu)，促進纖維素分解。

Gunaseelna[6]用10%的鹽酸對水稻秸稈進行處理發(fā)現(xiàn)，秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣量和甲烷含量分別提高了25%和67%。張鳴[7]等研究表明，4‰NaOH 處理后的玉米秸稈累計產(chǎn)氣量相比自來水對照提高了21.87%，NaOH 預(yù)處理效果好于Ca（OH）2。然而化學(xué)法處理易產(chǎn)生二次污染，環(huán)境友好性差。生物法主要是利用好氧微生物菌群對纖維素的分解，從而使秸稈更利于厭氧發(fā)酵菌群的利用和分解，如秸稈青貯、菌劑添加和沼液預(yù)處理等。

3 秸稈粉碎預(yù)處理

在實際中物理預(yù)處理技術(shù)應(yīng)用最為普遍，對實際項目成敗的影響更為關(guān)鍵。通常機械粉碎是一種比較經(jīng)濟、易于操作的粉碎方式，粉碎程度在很大程度上決定了預(yù)處理工藝的輸送料設(shè)備和攪拌機配置的選擇。

3.1 原料選取

以黑龍江克東地區(qū)的玉米秸稈為原料進行研究，對秸稈密度、原始粒徑、自然堆積密度、浸潤性能、浸潤后密度、粉碎粒徑、含水率變化等物理特性進行測試。受地區(qū)收割習(xí)慣的限制，當(dāng)?shù)卮蟛糠衷狭綖?0 cm 左右或更長，平均含水率約10%，秸稈散亂形狀不一，大部分為絲狀，寬度較大，原料狀態(tài)見圖1。

圖1 黑龍江地區(qū)玉米秸稈原料

3.2 粉碎設(shè)備選用

（1）選用24 m3雙絞龍TMR 飼料攪拌機作為秸稈粉碎設(shè)備，設(shè)備自身具備稱重功能。TMR 攪拌機是一種將粗料、精料、礦物質(zhì)、維生素和其他添加劑充分混合的設(shè)備，具有強大的粉碎功能，可將長秸稈切碎成絲狀（圖2）。

圖2 TMR 攪拌機結(jié)構(gòu)示意圖

（2）設(shè)備旁安裝自來水管，水管出水口接軟管以實現(xiàn)人工干預(yù)噴灑，自來水管適當(dāng)位置安裝流量計1 套，并對流量計校正使其能正常準(zhǔn)確顯示用水量。

（3）抓草車，去掉捆繩的秸稈通過抓草車投入到TMR 攪拌機內(nèi)。

3.3 粉碎與浸潤

首先開啟TMR 攪拌機調(diào)整旋轉(zhuǎn)速度，然后將秸稈投入到攪拌機內(nèi)攪拌均勻，之后再次投加，直至投加量達到設(shè)計量。每批次取樣玉米秸稈原料20 m3，粉碎5 個批次，共計100 m3。操作步驟及要點如下。

（1）投料時每次加至接近需求容積后通過人工投加調(diào)整至需求容積，其誤差控制在±5%范圍。

（2）容積通過測量裝入原料后剩余空間的體積值與總體積相減得出，取5 次體積的平均值。

（3）裝填物料達到設(shè)計容量后停止加料，可在設(shè)備上直接讀取重量，進而計算原料的自然堆積密度。

（4）開啟電機運轉(zhuǎn)絞龍，觀察并計時運行40 min。測定粉碎后秸稈總體積。

（5）分批次向秸稈料箱內(nèi)加水，每次注水后運行一段時間絞龍保證秸稈攪拌均勻并觀察秸稈含水狀態(tài)，直至下方出料口有銷量水流出，停止加水，繼續(xù)攪拌至無水流出（圖3）。

（6）停止絞龍運轉(zhuǎn)，平整物料后測定其體積，讀取重量數(shù)據(jù)。

圖3 粉碎浸潤后秸稈

3.4 秸稈粉碎后物理性質(zhì)測算

（1）原始秸稈捆直徑約2 m，寬度約1.5 m，計算單捆體積約為4.71 m3，質(zhì)量750～800 kg；測得含水率約10%（質(zhì)量比），平均密度約0.17 t/m3。

（2）選取5 個批次原始秸稈進行粉碎和浸潤后物理特性測定結(jié)果表明：原始秸稈自然堆密度平均值為0.061 t/m3，粉碎后秸稈堆密度增大為0.077 t/m3；浸潤后的秸稈（含水率70%，TS=30%）的堆密度顯著增加，為0.336 t/m3，具體數(shù)據(jù)見表2。

（3）經(jīng)篩分比選粉碎后秸稈粒徑分布為：小于2 cm的約為80%，2～5 cm 的約為10%，5～10 cm 的約為5%。

3.5 秸稈進料系統(tǒng)

經(jīng)過對秸稈原料的粉碎、浸潤測試以確定風(fēng)干玉米秸稈的吸水性能及切割效果，可根據(jù)進料批次、批次持續(xù)時間、秸稈密度等確定布料器的容積，從而確保進料機制的完備和進料量的精確。從節(jié)能及原料的特性方面考慮，秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣工程可采用兩種進料方式：干式進料和濕式進料。干式進料即采用布料器、螺旋輸送機等設(shè)備將秸稈直接投入?yún)捬醢l(fā)酵罐內(nèi)。濕式進料即將原料與水或沼液在調(diào)配池內(nèi)預(yù)先混合，混合均勻后再通過輸送泵輸送至發(fā)酵罐內(nèi)。目前，在線混合濕式進料設(shè)備應(yīng)用較多，可將沼液、水等和原料在較小的與泵一體的料箱內(nèi)迅速混合并直接輸送至發(fā)酵罐內(nèi)，建設(shè)簡單，易于管理。

表2 秸稈預(yù)處理前后物理參數(shù)變化統(tǒng)計表

4 建議

4.1 秸稈收集儲存

考慮到秸稈的成分穩(wěn)定，需要盡可能早地進行儲存，對收割下來的原料，邊收邊貯，盡量減少曝曬，避免堆積發(fā)熱，以保證貯料新鮮。同時避免在雨天進行收割、運輸貯料，以減少泥土的污染。貯窖內(nèi)設(shè)有專人及設(shè)備將原料攤平。當(dāng)貯料裝填距窖口40～50 cm 時，緊貼窖的四壁圍上專用塑料薄膜，市面上多為黑白膜。裝填的期限不能過長，最好在短時間內(nèi)裝填完并密封。

4.2 秸稈加水浸潤

黃貯的成敗關(guān)鍵在于加水，所以需要安排有經(jīng)驗的人員專門加水。加水要本著先少后多、邊裝填、邊壓實、邊加水的原則，加水量要根據(jù)原料實際水分含量而定，以貯料的總水分含量達到65%～75%為宜，過多過少都會影響發(fā)酵效果。

4.3 秸稈預(yù)處理

秸稈類原料中纖維類物質(zhì)含量比較高，且密度小不易分解，如果原料不能得到有效的粉碎及浸潤，在發(fā)酵過程中非常容易上浮，在發(fā)酵環(huán)境中如果得不到很好的混合，則會形成浮渣殼，厚度和強度都隨時間的增加及進料量的增加而增厚增強，會嚴(yán)重限制其沼氣化利用效率，甚至?xí)黾庸摅w的承受壓力。因此，在粉碎設(shè)備方面還需要進行創(chuàng)新和突破，同時在沼液回流浸潤方面進行深入的研究，以期減少沼液對沼氣工程帶來的困惑，使秸稈沼氣工程走上可持續(xù)發(fā)展之路。