以秸秆为原料的二相发酵沼气新技术

罗永成

(开化县农村能源办公室,浙江324300)

我国农业生产每年产生大量的秸秆,这些秸秆过去曾经是农民的主要生活用燃料,但是随着农村生活水平的提高秸秆已经被其他能源替代,大量的秸秆往往只能在田间焚烧,不仅浪费了资源,而且严重污染了环境。另一方面随着我国的农村沼气利用技术推广工作的开展,许多农村都建设了沼气池,但是由于农村养殖业向规模化发展,分散养殖农户的比例逐年降低,以禽兽粪便为主的户用沼气原料严重缺乏,影响了户用沼气的发展。秸秆也可以作为制取沼气的原料,20世纪70年代,我国有些地区的农村曾以秸秆为原料制取沼气,将秸秆直接投入或粉碎后投入发酵池,但是这种粗放的形式在使用中遇到许多问题,特别是秸秆在池内结壳影响了沼气池正常产气,而且出料也非常困难,因此以秸秆为原料的沼气技术无法推广。以秸秆为原料的二相发酵沼气技术,将秸秆的产酸和产甲烷二个阶段分别放在二个不同的反应池中,避免了秸秆直接入池发酵可能引起的弊病,为沼气发酵的原料提供了一条新途径,同时也可以化废为宝,充分利用我国丰富的秸秆资源。本文将结合开化县黄石村示范工程,介绍该技术的特点和效果。

1 二相发酵沼气工程的特点

以秸秆为原料的二相发酵沼气技术的关键是将秸秆的产酸和产甲烷二个阶段分别放在二个不同的反应池中。秸杆在产酸阶段主要采用堆沤方式,首先将秸秆切短到3～10 cm,用水喷湿添加复合菌剂,搅拌均匀后用塑料薄膜覆盖进行堆沤,堆沤可选择在水泥地上或酸化池中。堆沤一周后秸秆纤维素在复合菌剂的作用下被分解,在表面的蜡质层被破坏发黑后,再向酸化池里加入清水,一直加到酸化池中堆放的秸秆全部被水淹满,堆沤产物的溶液就成为“秸秆营养液”,作为产甲烷阶段的原料,送入厌氧发酵池中生产沼气。采用这种方法,酸化池的秸秆剩渣可以反复利用也可用于还田,由于剩渣不进入发酵池,因此厌氧发酵池不需要定期清渣;另一方面,在产甲烷阶段进行的厌氧发酵采用已经酸化了的“秸秆营养液”,因此可以防止厌氧发酵池可能出现的酸化现象,大大提高了发酵池的产气效率,同时厌氧发酵池内产气后残留的沼液可以回流进入秸秆的水解酸化池,利用其中残留的菌种分解秸秆纤维素,不但可以提高堆沤酸化的效率而且还减少了沼液的排放。

2 黄石村示范工程

2008年开化县黄石村建造了第一个以秸秆为原料的二相发酵沼气示范工程,该工程配置了单池容积25 m3的地上酸化池2个,单池容积25 m3的地下厌氧发酵池2个。2个酸化池一备一用。工程投入运行后,每1 kg秸秆产沼气0.2 m3,一个酸化池一次投放秸秆4 t左右,常温下可供厌氧池连续正常产气80天,产生的沼气足够供10多户农户正常炊事用气。

示范项目的运行经验表明,秸秆纤维素在复合水解菌的作用下,只要堆沤一周,秸秆表面的蜡质层快速被破坏,20天后纤维素快速被分解得到“秸秆营养液”,“秸秆营养液”进入厌氧发酵池产气很快,一年堆沤周转可以达到10多批次,酸化池和厌氧发酵池的设备利用率很高。示范项目的水解酸化池建在地上,便于不断添加秸秆原料进行水解酸化操作。此外,厌氧发酵池口采用水封,只要打开防护盖就可以直通池子深部,便于池内沼液回抽泵的安装和操作,厌氧发酵池的沼液通过循环回流到酸化池,增加了厌氧发酵池与水解酸化池循环传质效率,可以有效调节“秸秆营养液”的浓度和沼气产气量的控制,提高厌氧发酵池的池容产气率,为集中供气提供了有利条件。将秸秆的产酸和产气二相分离进行,仅仅使“秸秆营养液”进入厌氧发酵池,完全解决了秸秆直接进入厌氧发酵池产生结壳的问题,不需要定期出渣换料,使发酵保持连续进行。示范项目的运行结果表明,水解酸化池的秸秆剩渣可以反复与新的秸秆拌和,有利于加快新秸秆的分解,沼液完全循环回用,实现了零排放,因此秸秆沼气工程管理方便,省工省时,工程连续运行率很高。工程研发的复合菌剂能使各种秸秆纤维素酸化分解,包括稻草、麦秆、豆杆、玉米杆以及茅草、果壳、有机垃圾、树叶、禽畜粪便等各种农林有机废弃物,原料适应性广泛,尤其是禽畜粪便或新鲜秸秆制取的“秸秆营养液”产气率更高。

在示范工程成功运行的基础上,2009年又在5个乡镇9个行政村新建工程9个,每个工程供气户数在30～60户。图1和图2分别是供10户和供60户的秸秆沼气工程的现场照片。

供气户数50户左右的工程总投资18万元,主要包括秸秆堆放大棚及切割预处理设备、秸秆堆沤酸化池及太阳能温室大棚设施、厌氧发酵池及沼液回流系统、贮气柜及输配管网系统、用气设备及流量表、工程运行维护管理房建设等。按照供50户工程规模计算,秸秆收购成本费125元/t,工程每年消耗秸秆80 t,共计秸秆原料费1万元;当地的电价0.52元/kWh,全年用电480 kWh共计电费248元;水价120元/t,全年用水280 t共计水费336元;秸杆的粉碎预处理及大换料每年5次,每次用工费600元共计3000元;修理费用每年1400元;专管员的工资年支出15000元;这样估算工程每年的运行成本为3万元左右。

图1 供10户的秸秆沼气工程

图2 供60户的秸秆沼气工程

目前部分新建工程已投料运行,其中团结村秸秆沼气工程配置了单池容积25m3的地上酸化池2个,单池容积50m3的地下厌氧发酵池2个。2个酸化池先后分别一次投放秸秆各7 t左右,常温下可以供厌氧池正常产气90天,每1 kg秸秆产沼气0.225 m3,容积产气率0.35m3/m3,产生的沼气供30户农户正常炊事用气。沼气按1.2元/m3计量收费,90天可计收费3780元。运行期间实际支出共4380元,包括秸秆原料费1400元,电费30元,水费50元,粉碎预处理用工费800元,专管员的工资三个月支出2100元。该项目亏损,收支负600元。

息村秸秆沼气工程配置了单池容积30m3的地上酸化池2个,单池容积60 m3的地下厌氧发酵池2个。2个酸化池先后分别一次投放秸秆各8.5 t左右,常温下供厌氧池正常产气90天,每1 kg秸秆产沼气0.235m3,容积产气率0.37,产生的沼气供40户农户正常炊事用气。沼气按1.2元/m3计量收费,90天可计收费4795元。运行期间实际支出4695元,包括秸秆原料费1700元,电费35元,水费60元,粉碎预处理用工费800元,专管员的工资三个月支出2100元。该项目收支平衡略有节余,收支余100元。

旭日村秸秆沼气工程配置了单池容积35 m3的地上酸化池2个,单池容积68 m3的地下厌氧发酵池2个。2个酸化池先后一次投放秸秆各9.7 t左右,常温下供厌氧池正常产气90天,每1 kg秸秆产沼气0.239 m3,容积产气率为0.38,产生的沼气供50户农户正常炊事用气。沼气按1.2/m3元计量收费,90天可计收费 5581元。运行期间实际支出5255元,包括秸秆原料费1940元,电费50元,水费65元,粉碎预处理用工费800元,专管员的工资三个月支出2400元。该项目有一定经济收益,收支结余326元。

炉庄村秸秆沼气工程配置了单池容积40 m3的地上酸化池2个,单池容积75 m3的地下厌氧发酵池2个。2个酸化池先后分别一次投放秸秆各11 t左右,常温下供厌氧池正常产气90天,每1 kg秸秆产沼气0.245m3,容积产气率为0.40,产生的沼气供60户农户正常炊事用气。沼气按1.2/m3元计量收费,90天可计收费6480元。运行期间实际支出5580元,包括秸秆原料费2200元,电费50元,水费80元,粉碎预处理用工费850元,专管员的工资三个月支出2400元。该项目收益较高,收支结余900元。

从运行收支情况来分析,工程的规模较小和供气户数少项目运行的成本就较高收支难以平衡,不过扩大工程规模应当可以达到收支平衡甚至赢余。

秸秆沼气工程按照集中供气、联户使用、计量收费、专业人员管理的运行模式,沼气按1.2元/m3收费,用于维持运行及维护管理。表1是3～5口之家的农户采用秸秆沼气的支出与其他能源年的比较。

表1 秸秆沼气与其它能源年总支出对比表

据测算,一般3～5口之家的农户,每天炊事用气大约1 m3左右,全年支出为438元左右;如农户根据需要提供秸秆时,秸秆售价按0.125元/kg折算抵扣沼气使用费,支出还可以减少。示范工程的秸秆沼气用户能源费用比使用其他能源大大减少。

3 推广秸秆沼气技术的建议

(1)加快研发快速秸秆分解菌 高效的秸秆分解菌剂是秸秆二相发酵沼气工程促进秸秆快速分解、制取“秸秆营养液”的技术关键,目前使用的复合菌剂堆沤时间需要4周,应尽快研发分解速度更快的菌剂,进一步缩短秸秆堆沤分解时间和提高设备利用率。

(2)适宜的工程规模 工程规模应当因地制宜根据当地条件适当确定,如果单个工程过大,在占地面积、原料供给半径、秸秆粉碎预处理、搅拌堆沤、输气距离、供气能力以及投资等方面都会出现较多的问题。一般以50～60户供气规模较合理。

(3)提高沼气流量表的质量 沼气流量表是农户用气付费的计量依据,确保流量表的质量非常重要,目前流量表生产厂家很多,但产品质量可靠性和准确性较差,有待提高。

(4)公共财政应适当给予扶持 秸秆沼气作为生物质可再生能源,在集中供气工程运行管理上,应纳入公共财政的扶持范畴,应参照政府对生物质发电给予补贴确保发电企业的利益的做法,来考虑秸秆沼气集中供气工程运行管理补贴资金,以减轻农民负担,确保工程的可持续运行。秸杆沼气工程利用原料广泛,既可利用畜禽粪便,又可利用各种农林废弃物和有机生活垃圾等,使废弃物资源化利用,进一步减轻了农村面源污染,推广秸秆沼气集中供气工程,是目前农村沼气利用的发展趋势。但是千家万户建沼气,面广而分散,后续服务工作量大成本高,影响了沼气的正常使用;建设秸秆沼气集中供气工程,用气计量收费,由专业技术人员维护管理,解决了后续服务难的问题,也排除了沼气用户的后顾之忧。单纯以畜禽粪便为原料的沼气工程,一般都靠近养殖场,远离村庄和居住区,集中供气管道投资很大;而秸秆容易运输集中,秸秆沼气工程可以选择在村庄的适中位置建设一个或多个,提高沼气用户的覆盖面,包括一些山区的农村,因此发展潜力很大,政府部门应当积极扶持,加速这项技术的发展和推广,为我国的节能减排和低碳经济作出贡献。