劉 晶

(中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，北京 100083)

0 引言

沼氣是一種具有綠色環(huán)保、易生產(chǎn)、使用方便、生產(chǎn)成本低等特點(diǎn)的可再生能源。農(nóng)村廢棄物用來生產(chǎn)沼氣，不僅可以減少環(huán)境污染，還可以為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供優(yōu)質(zhì)能源。目前，用于生產(chǎn)沼氣的原料有多種，主要是牲畜糞便和農(nóng)作物秸稈。我國是農(nóng)業(yè)大國，每年產(chǎn)生農(nóng)作物秸稈約7億t，但是秸稈利用率只有30%左右，大量未被利用的農(nóng)作物秸稈有的被就地焚燒，有的被隨意丟棄，不僅是資源浪費(fèi)，更造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。國內(nèi)對(duì)農(nóng)作物秸稈綜合利用開展了大量研究，其中利用農(nóng)作物秸稈生產(chǎn)沼氣能源是主要方向之一。在諸多農(nóng)作物秸稈中，玉米秸稈因產(chǎn)量大受關(guān)注更多，本文介紹以玉米秸稈為主要原料生產(chǎn)沼氣的研究概況、關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展前景[1-2]。

1 玉米秸稈生產(chǎn)和利用現(xiàn)狀

隨著國家對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)越來越重視，相關(guān)科技人員對(duì)農(nóng)作物秸稈綜合利用研究不斷深入。秸稈的用途很多，可以用于制作飼料、木材、造紙、一次性餐具等，但在能源生產(chǎn)方面應(yīng)用較少。

1.1玉米飼料

目前，用作牲畜飼料的玉米秸稈類型主要有2種，一種是黃貯秸稈，一種是青貯秸稈。青貯秸稈的營養(yǎng)物質(zhì)含量高于黃貯秸稈，近幾年青貯玉米收獲技術(shù)發(fā)展迅速，主要是為了滿足日益發(fā)展的畜牧業(yè)對(duì)飼料的需求。

1.2燃料乙醇

研究表明，利用硫酸處理玉米秸稈，可以將秸稈中的半纖維水解成葡萄糖、木糖和阿拉伯糖等混合液體，與一定數(shù)量的酵母混合后直接發(fā)酵成燃料乙醇。

1.3秸稈氣化能源

將秸稈氣化產(chǎn)生清潔能源沼氣，不僅能提高秸稈利用率，還可以降低由于秸稈焚燒帶來的環(huán)境污染，并且可以有效促進(jìn)農(nóng)村節(jié)能環(huán)保工作的進(jìn)程。

1.4秸稈還田

秸稈還田覆蓋地表可以更好地調(diào)節(jié)土壤溫度，降低由于土壤溫度變化對(duì)農(nóng)作物生長的影響；另外，地表覆蓋秸稈可以降低土壤表面的可溶性鹽含量，增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，有效降低土壤pH值，保持土壤水分含量。覆蓋秸稈的土壤含水率比未覆蓋秸稈高約5%，對(duì)提高農(nóng)作物產(chǎn)量有重要作用。目前，還田方式有3種：直接還田、間接還田和生化分解還田。由于直接還田作業(yè)成本較低，是應(yīng)用較多的一種方式。

2 玉米秸稈生產(chǎn)沼氣研究概況

目前，國內(nèi)對(duì)以秸稈為原料生產(chǎn)沼氣技術(shù)的研究較多，涉及的秸稈主要是小麥秸稈、水稻秸稈、玉米秸稈等，其中，部分研究表明，采用玉米青貯秸稈生產(chǎn)沼氣開發(fā)潛力較大。

龐云芝等[3]以秸稈為原料規(guī)?；a(chǎn)沼氣，闡述了小麥秸稈、水稻秸稈和玉米秸稈的預(yù)處理技術(shù)、專用反應(yīng)器研制和發(fā)酵工藝參數(shù)優(yōu)化3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。另外，還介紹了秸稈高效厭氧消化工藝和工程應(yīng)用情況，為我國秸稈的能源化轉(zhuǎn)化和生態(tài)循環(huán)利用提供新的技術(shù)。薛民琪等[4]研究了秸稈沼氣關(guān)鍵技術(shù)，研制出菌種的工廠化生產(chǎn)工藝流程和秸稈好氣-沼氣接力發(fā)酵技術(shù)(二次發(fā)酵法)，建立了秸稈沼氣的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)體系。

劉京等[5]介紹了瑞典的沼氣生產(chǎn)及利用現(xiàn)狀，分析影響沼氣產(chǎn)業(yè)的動(dòng)力及阻力，并結(jié)合相關(guān)科研和工業(yè)實(shí)例，對(duì)中國沼氣產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)利用和發(fā)展提出建議。程序等[6]分析了中國產(chǎn)業(yè)沼氣的開發(fā)及應(yīng)用前景，提出將整株青貯玉米、馬鈴薯等作為能源作物生產(chǎn)沼氣，并且指出使用玉米秸稈生產(chǎn)沼氣開發(fā)潛力大。柏章榮[7]以生態(tài)學(xué)原理為基礎(chǔ)，闡述了沼氣生態(tài)農(nóng)業(yè)技術(shù)，并分析了該技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的具體應(yīng)用和帶來的經(jīng)濟(jì)效益。

3 關(guān)鍵技術(shù)

玉米秸稈主要通過厭氧發(fā)酵產(chǎn)生沼氣，玉米秸稈木質(zhì)纖維素含量較高，不易被厭氧菌消化，因此，厭氧消化過程存在時(shí)間長、產(chǎn)氣率低等問題。鑒于此，發(fā)酵前需要對(duì)秸稈進(jìn)行預(yù)處理，主要目的是改變秸稈的物理結(jié)構(gòu)，秸稈預(yù)處理后進(jìn)行發(fā)酵可以獲得較高的產(chǎn)氣率。除了預(yù)處理技術(shù)外，玉米秸稈生產(chǎn)沼氣關(guān)鍵技術(shù)還有秸稈干發(fā)酵技術(shù)和秸稈混合物料發(fā)酵技術(shù)。

3.1預(yù)處理技術(shù)

近幾年，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)秸稈預(yù)處理技術(shù)進(jìn)行了較多研究，取得了一定進(jìn)展，主要方法包括物理法、化學(xué)法和生物法。

3.1.1物理法

物理法主要是借用外部手段來改變秸稈的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，常用方法包括機(jī)械加工、蒸汽爆破、輻射處理、熱液處理、超聲處理和微波處理等，其中機(jī)械加工和蒸汽爆破較為常用，輻射處理、熱液處理、超聲處理和微波處理等應(yīng)用較少。機(jī)械加工的目的是減小秸稈的長度或直徑，這兩項(xiàng)參數(shù)對(duì)發(fā)酵效果有較大影響，通過減小秸稈的長度或直徑可以提高厭氧發(fā)酵效率，還可以提高產(chǎn)氣量。蒸汽爆破的原理是破壞秸稈中的木質(zhì)纖維素，使秸稈容易被厭氧菌消化，從而達(dá)到提高產(chǎn)氣量的目的。其他如輻射處理、熱液處理等也都是為了破壞秸稈結(jié)構(gòu)，從而提高產(chǎn)氣量。

3.1.2化學(xué)法

化學(xué)法主要是利用化學(xué)試劑改變秸稈的結(jié)構(gòu)，這種方法操作時(shí)間短、處理效率高，常用的化學(xué)預(yù)處理方法有堿法、酸法等。堿法處理是使用堿性溶液溶解玉米秸稈中的纖維素，達(dá)到提高厭氧發(fā)酵效率的目的，從而提高產(chǎn)氣量。同樣，酸法處理使用的是酸性溶液，都是為了加快厭氧發(fā)酵過程，提高沼氣產(chǎn)出率。

3.1.3生物法

近幾年，采用生物方法預(yù)處理秸稈倍受關(guān)注。自然界有可以降解木質(zhì)素的微生物，如真菌、放線菌和細(xì)菌等，目前，降解效果較好、較徹底的是白腐真菌。

3.2干發(fā)酵技術(shù)

厭氧發(fā)酵分為干式厭氧發(fā)酵和濕式厭氧發(fā)酵兩種，分類依據(jù)是發(fā)酵底物固含率的大小。干式厭氧發(fā)酵技術(shù)具有需水量少、負(fù)荷高、成本低、無二次污染等特點(diǎn)，發(fā)展前景較好，是目前被大量使用的發(fā)酵方式。但干發(fā)酵技術(shù)還存在一些瓶頸問題有待解決，如怎樣保持發(fā)酵過程穩(wěn)定性、確保攪拌過程流暢等。

3.3混合物料發(fā)酵技術(shù)

為了解決單一物料厭氧發(fā)酵過程中出現(xiàn)的問題，對(duì)兩種或兩種以上的混合物料進(jìn)行厭氧發(fā)酵可以更好地調(diào)節(jié)微生物發(fā)酵環(huán)境，補(bǔ)充微生物發(fā)酵過程所需的營養(yǎng)物質(zhì)，進(jìn)而提高厭氧消化效率和產(chǎn)氣量。秸稈混合物料通常是在秸稈中添加一些牛糞、雞糞等動(dòng)物糞便，比單一玉米秸稈發(fā)酵產(chǎn)氣量提高30%左右。

4 發(fā)展前景

我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)作物秸稈以水稻、小麥和玉米等為主。其中，稻草秸稈占比約為1/4，小麥秸稈占比約為1/5，玉米秸稈占比約為1/3，棉稈、油料作物秸稈等占比較少。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，每年玉米秸稈的產(chǎn)量最大，可以作為生產(chǎn)沼氣的主要原料。目前，玉米秸稈綜合利用主要包括牲畜飼料、沼氣、燃料乙醇、造紙和板材等。玉米含有豐富的纖維素，是一種可再生的寶貴資源，玉米秸稈生產(chǎn)沼氣也是近年來的研究熱點(diǎn)，從生態(tài)環(huán)境發(fā)展理念和趨勢來看，今后玉米秸稈綜合利用的途徑會(huì)更多，使用玉米秸稈產(chǎn)生清潔能源，降低環(huán)境污染具有良好的發(fā)展前景[8-12]。

5 結(jié)束語

一直以來，我國都存在農(nóng)作物秸稈資源浪費(fèi)、焚燒污染嚴(yán)重等問題。近些年，國家十分重視生態(tài)文明建設(shè)，不斷強(qiáng)調(diào)綠色發(fā)展理念，將秸稈通過厭氧發(fā)酵技術(shù)產(chǎn)生沼氣等清潔能源的研究越來越多。隨著國家在環(huán)境治理方面的不斷推進(jìn)，沼氣作為未來農(nóng)村的主要清潔能源，不僅能夠改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，還能降低能源壓力，對(duì)促進(jìn)生物質(zhì)良性循環(huán)、構(gòu)建生態(tài)農(nóng)業(yè)平衡發(fā)展有重要作用。

玉米秸稈厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣技術(shù)成為重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)容，與之相關(guān)的秸稈預(yù)處理技術(shù)、干發(fā)酵技術(shù)、混合物料發(fā)酵技術(shù)等實(shí)驗(yàn)室研究逐步走向成熟，但是，有些技術(shù)還未能在工程實(shí)踐中應(yīng)用。只有在工程應(yīng)用中實(shí)踐成功，才能真正推動(dòng)生態(tài)環(huán)境不斷向良性發(fā)展，未來有望通過綠色生態(tài)引領(lǐng)高質(zhì)量發(fā)展。