玉米秸秆生产沼气研究概况及关键技术

刘 晶

(中国农业机械化科学研究院集团有限公司，北京 100083)

0 引言

沼气是一种具有绿色环保、易生产、使用方便、生产成本低等特点的可再生能源。农村废弃物用来生产沼气，不仅可以减少环境污染，还可以为农业生产提供优质能源。目前，用于生产沼气的原料有多种，主要是牲畜粪便和农作物秸秆。我国是农业大国，每年产生农作物秸秆约7亿t，但是秸秆利用率只有30%左右，大量未被利用的农作物秸秆有的被就地焚烧，有的被随意丢弃，不仅是资源浪费，更造成严重的环境污染。国内对农作物秸秆综合利用开展了大量研究，其中利用农作物秸秆生产沼气能源是主要方向之一。在诸多农作物秸秆中，玉米秸秆因产量大受关注更多，本文介绍以玉米秸秆为主要原料生产沼气的研究概况、关键技术及发展前景[1-2]。

1 玉米秸秆生产和利用现状

随着国家对生态环境保护越来越重视，相关科技人员对农作物秸秆综合利用研究不断深入。秸秆的用途很多，可以用于制作饲料、木材、造纸、一次性餐具等，但在能源生产方面应用较少。

1.1玉米饲料

目前，用作牲畜饲料的玉米秸秆类型主要有2种，一种是黄贮秸秆，一种是青贮秸秆。青贮秸秆的营养物质含量高于黄贮秸秆，近几年青贮玉米收获技术发展迅速，主要是为了满足日益发展的畜牧业对饲料的需求。

1.2燃料乙醇

研究表明，利用硫酸处理玉米秸秆，可以将秸秆中的半纤维水解成葡萄糖、木糖和阿拉伯糖等混合液体，与一定数量的酵母混合后直接发酵成燃料乙醇。

1.3秸秆气化能源

将秸秆气化产生清洁能源沼气，不仅能提高秸秆利用率，还可以降低由于秸秆焚烧带来的环境污染，并且可以有效促进农村节能环保工作的进程。

1.4秸秆还田

秸秆还田覆盖地表可以更好地调节土壤温度，降低由于土壤温度变化对农作物生长的影响；另外，地表覆盖秸秆可以降低土壤表面的可溶性盐含量，增加土壤有机质含量，有效降低土壤pH值，保持土壤水分含量。覆盖秸秆的土壤含水率比未覆盖秸秆高约5%，对提高农作物产量有重要作用。目前，还田方式有3种：直接还田、间接还田和生化分解还田。由于直接还田作业成本较低，是应用较多的一种方式。

2 玉米秸秆生产沼气研究概况

目前，国内对以秸秆为原料生产沼气技术的研究较多，涉及的秸秆主要是小麦秸秆、水稻秸秆、玉米秸秆等，其中，部分研究表明，采用玉米青贮秸秆生产沼气开发潜力较大。

庞云芝等[3]以秸秆为原料规模化生产沼气，阐述了小麦秸秆、水稻秸秆和玉米秸秆的预处理技术、专用反应器研制和发酵工艺参数优化3项关键技术。另外，还介绍了秸秆高效厌氧消化工艺和工程应用情况，为我国秸秆的能源化转化和生态循环利用提供新的技术。薛民琪等[4]研究了秸秆沼气关键技术，研制出菌种的工厂化生产工艺流程和秸秆好气-沼气接力发酵技术(二次发酵法)，建立了秸秆沼气的产业化技术体系。

刘京等[5]介绍了瑞典的沼气生产及利用现状，分析影响沼气产业的动力及阻力，并结合相关科研和工业实例，对中国沼气产业的可持续利用和发展提出建议。程序等[6]分析了中国产业沼气的开发及应用前景，提出将整株青贮玉米、马铃薯等作为能源作物生产沼气，并且指出使用玉米秸秆生产沼气开发潜力大。柏章荣[7]以生态学原理为基础，阐述了沼气生态农业技术，并分析了该技术在设施农业中的具体应用和带来的经济效益。

3 关键技术

玉米秸秆主要通过厌氧发酵产生沼气，玉米秸秆木质纤维素含量较高，不易被厌氧菌消化，因此，厌氧消化过程存在时间长、产气率低等问题。鉴于此，发酵前需要对秸秆进行预处理，主要目的是改变秸秆的物理结构，秸秆预处理后进行发酵可以获得较高的产气率。除了预处理技术外，玉米秸秆生产沼气关键技术还有秸秆干发酵技术和秸秆混合物料发酵技术。

3.1预处理技术

近几年，国内外学者对秸秆预处理技术进行了较多研究，取得了一定进展，主要方法包括物理法、化学法和生物法。

3.1.1物理法

物理法主要是借用外部手段来改变秸秆的内部结构，常用方法包括机械加工、蒸汽爆破、辐射处理、热液处理、超声处理和微波处理等，其中机械加工和蒸汽爆破较为常用，辐射处理、热液处理、超声处理和微波处理等应用较少。机械加工的目的是减小秸秆的长度或直径，这两项参数对发酵效果有较大影响，通过减小秸秆的长度或直径可以提高厌氧发酵效率，还可以提高产气量。蒸汽爆破的原理是破坏秸秆中的木质纤维素，使秸秆容易被厌氧菌消化，从而达到提高产气量的目的。其他如辐射处理、热液处理等也都是为了破坏秸秆结构，从而提高产气量。

3.1.2化学法

化学法主要是利用化学试剂改变秸秆的结构，这种方法操作时间短、处理效率高，常用的化学预处理方法有碱法、酸法等。碱法处理是使用碱性溶液溶解玉米秸秆中的纤维素，达到提高厌氧发酵效率的目的，从而提高产气量。同样，酸法处理使用的是酸性溶液，都是为了加快厌氧发酵过程，提高沼气产出率。

3.1.3生物法

近几年，采用生物方法预处理秸秆倍受关注。自然界有可以降解木质素的微生物，如真菌、放线菌和细菌等，目前，降解效果较好、较彻底的是白腐真菌。

3.2干发酵技术

厌氧发酵分为干式厌氧发酵和湿式厌氧发酵两种，分类依据是发酵底物固含率的大小。干式厌氧发酵技术具有需水量少、负荷高、成本低、无二次污染等特点，发展前景较好，是目前被大量使用的发酵方式。但干发酵技术还存在一些瓶颈问题有待解决，如怎样保持发酵过程稳定性、确保搅拌过程流畅等。

3.3混合物料发酵技术

为了解决单一物料厌氧发酵过程中出现的问题，对两种或两种以上的混合物料进行厌氧发酵可以更好地调节微生物发酵环境，补充微生物发酵过程所需的营养物质，进而提高厌氧消化效率和产气量。秸秆混合物料通常是在秸秆中添加一些牛粪、鸡粪等动物粪便，比单一玉米秸秆发酵产气量提高30%左右。

4 发展前景

我国是农业大国，农作物秸秆以水稻、小麦和玉米等为主。其中，稻草秸秆占比约为1/4，小麦秸秆占比约为1/5，玉米秸秆占比约为1/3，棉秆、油料作物秸秆等占比较少。统计发现，每年玉米秸秆的产量最大，可以作为生产沼气的主要原料。目前，玉米秸秆综合利用主要包括牲畜饲料、沼气、燃料乙醇、造纸和板材等。玉米含有丰富的纤维素，是一种可再生的宝贵资源，玉米秸秆生产沼气也是近年来的研究热点，从生态环境发展理念和趋势来看，今后玉米秸秆综合利用的途径会更多，使用玉米秸秆产生清洁能源，降低环境污染具有良好的发展前景[8-12]。

5 结束语

一直以来，我国都存在农作物秸秆资源浪费、焚烧污染严重等问题。近些年，国家十分重视生态文明建设，不断强调绿色发展理念，将秸秆通过厌氧发酵技术产生沼气等清洁能源的研究越来越多。随着国家在环境治理方面的不断推进，沼气作为未来农村的主要清洁能源，不仅能够改善农业生态环境，还能降低能源压力，对促进生物质良性循环、构建生态农业平衡发展有重要作用。

玉米秸秆厌氧发酵生产沼气技术成为重点关注内容，与之相关的秸秆预处理技术、干发酵技术、混合物料发酵技术等实验室研究逐步走向成熟，但是，有些技术还未能在工程实践中应用。只有在工程应用中实践成功，才能真正推动生态环境不断向良性发展，未来有望通过绿色生态引领高质量发展。