羅永成

(開化縣農(nóng)村能源辦公室,浙江324300)

我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)每年產(chǎn)生大量的秸稈,這些秸稈過去曾經(jīng)是農(nóng)民的主要生活用燃料,但是隨著農(nóng)村生活水平的提高秸稈已經(jīng)被其他能源替代,大量的秸稈往往只能在田間焚燒,不僅浪費了資源,而且嚴(yán)重污染了環(huán)境。另一方面隨著我國的農(nóng)村沼氣利用技術(shù)推廣工作的開展,許多農(nóng)村都建設(shè)了沼氣池,但是由于農(nóng)村養(yǎng)殖業(yè)向規(guī)模化發(fā)展,分散養(yǎng)殖農(nóng)戶的比例逐年降低,以禽獸糞便為主的戶用沼氣原料嚴(yán)重缺乏,影響了戶用沼氣的發(fā)展。秸稈也可以作為制取沼氣的原料,20世紀(jì)70年代,我國有些地區(qū)的農(nóng)村曾以秸稈為原料制取沼氣,將秸稈直接投入或粉碎后投入發(fā)酵池,但是這種粗放的形式在使用中遇到許多問題,特別是秸稈在池內(nèi)結(jié)殼影響了沼氣池正常產(chǎn)氣,而且出料也非常困難,因此以秸稈為原料的沼氣技術(shù)無法推廣。以秸稈為原料的二相發(fā)酵沼氣技術(shù),將秸稈的產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷二個階段分別放在二個不同的反應(yīng)池中,避免了秸稈直接入池發(fā)酵可能引起的弊病,為沼氣發(fā)酵的原料提供了一條新途徑,同時也可以化廢為寶,充分利用我國豐富的秸稈資源。本文將結(jié)合開化縣黃石村示范工程,介紹該技術(shù)的特點和效果。

1 二相發(fā)酵沼氣工程的特點

以秸稈為原料的二相發(fā)酵沼氣技術(shù)的關(guān)鍵是將秸稈的產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷二個階段分別放在二個不同的反應(yīng)池中。秸桿在產(chǎn)酸階段主要采用堆漚方式,首先將秸稈切短到3～10 cm,用水噴濕添加復(fù)合菌劑,攪拌均勻后用塑料薄膜覆蓋進(jìn)行堆漚,堆漚可選擇在水泥地上或酸化池中。堆漚一周后秸稈纖維素在復(fù)合菌劑的作用下被分解,在表面的蠟質(zhì)層被破壞發(fā)黑后,再向酸化池里加入清水,一直加到酸化池中堆放的秸稈全部被水淹滿,堆漚產(chǎn)物的溶液就成為“秸稈營養(yǎng)液”,作為產(chǎn)甲烷階段的原料,送入?yún)捬醢l(fā)酵池中生產(chǎn)沼氣。采用這種方法,酸化池的秸稈剩渣可以反復(fù)利用也可用于還田,由于剩渣不進(jìn)入發(fā)酵池,因此厭氧發(fā)酵池不需要定期清渣;另一方面,在產(chǎn)甲烷階段進(jìn)行的厭氧發(fā)酵采用已經(jīng)酸化了的“秸稈營養(yǎng)液”,因此可以防止厭氧發(fā)酵池可能出現(xiàn)的酸化現(xiàn)象,大大提高了發(fā)酵池的產(chǎn)氣效率,同時厭氧發(fā)酵池內(nèi)產(chǎn)氣后殘留的沼液可以回流進(jìn)入秸稈的水解酸化池,利用其中殘留的菌種分解秸稈纖維素,不但可以提高堆漚酸化的效率而且還減少了沼液的排放。

2 黃石村示范工程

2008年開化縣黃石村建造了第一個以秸稈為原料的二相發(fā)酵沼氣示范工程,該工程配置了單池容積25 m3的地上酸化池2個,單池容積25 m3的地下厭氧發(fā)酵池2個。2個酸化池一備一用。工程投入運行后,每1 kg秸稈產(chǎn)沼氣0.2 m3,一個酸化池一次投放秸稈4 t左右,常溫下可供厭氧池連續(xù)正常產(chǎn)氣80天,產(chǎn)生的沼氣足夠供10多戶農(nóng)戶正常炊事用氣。

示范項目的運行經(jīng)驗表明,秸稈纖維素在復(fù)合水解菌的作用下,只要堆漚一周,秸稈表面的蠟質(zhì)層快速被破壞,20天后纖維素快速被分解得到“秸稈營養(yǎng)液”,“秸稈營養(yǎng)液”進(jìn)入?yún)捬醢l(fā)酵池產(chǎn)氣很快,一年堆漚周轉(zhuǎn)可以達(dá)到10多批次,酸化池和厭氧發(fā)酵池的設(shè)備利用率很高。示范項目的水解酸化池建在地上,便于不斷添加秸稈原料進(jìn)行水解酸化操作。此外,厭氧發(fā)酵池口采用水封,只要打開防護(hù)蓋就可以直通池子深部,便于池內(nèi)沼液回抽泵的安裝和操作,厭氧發(fā)酵池的沼液通過循環(huán)回流到酸化池,增加了厭氧發(fā)酵池與水解酸化池循環(huán)傳質(zhì)效率,可以有效調(diào)節(jié)“秸稈營養(yǎng)液”的濃度和沼氣產(chǎn)氣量的控制,提高厭氧發(fā)酵池的池容產(chǎn)氣率,為集中供氣提供了有利條件。將秸稈的產(chǎn)酸和產(chǎn)氣二相分離進(jìn)行,僅僅使“秸稈營養(yǎng)液”進(jìn)入?yún)捬醢l(fā)酵池,完全解決了秸稈直接進(jìn)入?yún)捬醢l(fā)酵池產(chǎn)生結(jié)殼的問題,不需要定期出渣換料,使發(fā)酵保持連續(xù)進(jìn)行。示范項目的運行結(jié)果表明,水解酸化池的秸稈剩渣可以反復(fù)與新的秸稈拌和,有利于加快新秸稈的分解,沼液完全循環(huán)回用,實現(xiàn)了零排放,因此秸稈沼氣工程管理方便,省工省時,工程連續(xù)運行率很高。工程研發(fā)的復(fù)合菌劑能使各種秸稈纖維素酸化分解,包括稻草、麥稈、豆桿、玉米桿以及茅草、果殼、有機垃圾、樹葉、禽畜糞便等各種農(nóng)林有機廢棄物,原料適應(yīng)性廣泛,尤其是禽畜糞便或新鮮秸稈制取的“秸稈營養(yǎng)液”產(chǎn)氣率更高。

在示范工程成功運行的基礎(chǔ)上,2009年又在5個鄉(xiāng)鎮(zhèn)9個行政村新建工程9個,每個工程供氣戶數(shù)在30～60戶。圖1和圖2分別是供10戶和供60戶的秸稈沼氣工程的現(xiàn)場照片。

供氣戶數(shù)50戶左右的工程總投資18萬元,主要包括秸稈堆放大棚及切割預(yù)處理設(shè)備、秸稈堆漚酸化池及太陽能溫室大棚設(shè)施、厭氧發(fā)酵池及沼液回流系統(tǒng)、貯氣柜及輸配管網(wǎng)系統(tǒng)、用氣設(shè)備及流量表、工程運行維護(hù)管理房建設(shè)等。按照供50戶工程規(guī)模計算,秸稈收購成本費125元/t,工程每年消耗秸稈80 t,共計秸稈原料費1萬元;當(dāng)?shù)氐碾妰r0.52元/kWh,全年用電480 kWh共計電費248元;水價120元/t,全年用水280 t共計水費336元;秸桿的粉碎預(yù)處理及大換料每年5次,每次用工費600元共計3000元;修理費用每年1400元;專管員的工資年支出15000元;這樣估算工程每年的運行成本為3萬元左右。

圖1 供10戶的秸稈沼氣工程

圖2 供60戶的秸稈沼氣工程

目前部分新建工程已投料運行,其中團(tuán)結(jié)村秸稈沼氣工程配置了單池容積25m3的地上酸化池2個,單池容積50m3的地下厭氧發(fā)酵池2個。2個酸化池先后分別一次投放秸稈各7 t左右,常溫下可以供厭氧池正常產(chǎn)氣90天,每1 kg秸稈產(chǎn)沼氣0.225 m3,容積產(chǎn)氣率0.35m3/m3,產(chǎn)生的沼氣供30戶農(nóng)戶正常炊事用氣。沼氣按1.2元/m3計量收費,90天可計收費3780元。運行期間實際支出共4380元,包括秸稈原料費1400元,電費30元,水費50元,粉碎預(yù)處理用工費800元,專管員的工資三個月支出2100元。該項目虧損,收支負(fù)600元。

息村秸稈沼氣工程配置了單池容積30m3的地上酸化池2個,單池容積60 m3的地下厭氧發(fā)酵池2個。2個酸化池先后分別一次投放秸稈各8.5 t左右,常溫下供厭氧池正常產(chǎn)氣90天,每1 kg秸稈產(chǎn)沼氣0.235m3,容積產(chǎn)氣率0.37,產(chǎn)生的沼氣供40戶農(nóng)戶正常炊事用氣。沼氣按1.2元/m3計量收費,90天可計收費4795元。運行期間實際支出4695元,包括秸稈原料費1700元,電費35元,水費60元,粉碎預(yù)處理用工費800元,專管員的工資三個月支出2100元。該項目收支平衡略有節(jié)余,收支余100元。

旭日村秸稈沼氣工程配置了單池容積35 m3的地上酸化池2個,單池容積68 m3的地下厭氧發(fā)酵池2個。2個酸化池先后一次投放秸稈各9.7 t左右,常溫下供厭氧池正常產(chǎn)氣90天,每1 kg秸稈產(chǎn)沼氣0.239 m3,容積產(chǎn)氣率為0.38,產(chǎn)生的沼氣供50戶農(nóng)戶正常炊事用氣。沼氣按1.2/m3元計量收費,90天可計收費 5581元。運行期間實際支出5255元,包括秸稈原料費1940元,電費50元,水費65元,粉碎預(yù)處理用工費800元,專管員的工資三個月支出2400元。該項目有一定經(jīng)濟(jì)收益,收支結(jié)余326元。

爐莊村秸稈沼氣工程配置了單池容積40 m3的地上酸化池2個,單池容積75 m3的地下厭氧發(fā)酵池2個。2個酸化池先后分別一次投放秸稈各11 t左右,常溫下供厭氧池正常產(chǎn)氣90天,每1 kg秸稈產(chǎn)沼氣0.245m3,容積產(chǎn)氣率為0.40,產(chǎn)生的沼氣供60戶農(nóng)戶正常炊事用氣。沼氣按1.2/m3元計量收費,90天可計收費6480元。運行期間實際支出5580元,包括秸稈原料費2200元,電費50元,水費80元,粉碎預(yù)處理用工費850元,專管員的工資三個月支出2400元。該項目收益較高,收支結(jié)余900元。

從運行收支情況來分析,工程的規(guī)模較小和供氣戶數(shù)少項目運行的成本就較高收支難以平衡,不過擴(kuò)大工程規(guī)模應(yīng)當(dāng)可以達(dá)到收支平衡甚至贏余。

秸稈沼氣工程按照集中供氣、聯(lián)戶使用、計量收費、專業(yè)人員管理的運行模式,沼氣按1.2元/m3收費,用于維持運行及維護(hù)管理。表1是3～5口之家的農(nóng)戶采用秸稈沼氣的支出與其他能源年的比較。

表1 秸稈沼氣與其它能源年總支出對比表

據(jù)測算,一般3～5口之家的農(nóng)戶,每天炊事用氣大約1 m3左右,全年支出為438元左右;如農(nóng)戶根據(jù)需要提供秸稈時,秸稈售價按0.125元/kg折算抵扣沼氣使用費,支出還可以減少。示范工程的秸稈沼氣用戶能源費用比使用其他能源大大減少。

3 推廣秸稈沼氣技術(shù)的建議

(1)加快研發(fā)快速秸稈分解菌 高效的秸稈分解菌劑是秸稈二相發(fā)酵沼氣工程促進(jìn)秸稈快速分解、制取“秸稈營養(yǎng)液”的技術(shù)關(guān)鍵,目前使用的復(fù)合菌劑堆漚時間需要4周,應(yīng)盡快研發(fā)分解速度更快的菌劑,進(jìn)一步縮短秸稈堆漚分解時間和提高設(shè)備利用率。

(2)適宜的工程規(guī)模 工程規(guī)模應(yīng)當(dāng)因地制宜根據(jù)當(dāng)?shù)貤l件適當(dāng)確定,如果單個工程過大,在占地面積、原料供給半徑、秸稈粉碎預(yù)處理、攪拌堆漚、輸氣距離、供氣能力以及投資等方面都會出現(xiàn)較多的問題。一般以50～60戶供氣規(guī)模較合理。

(3)提高沼氣流量表的質(zhì)量 沼氣流量表是農(nóng)戶用氣付費的計量依據(jù),確保流量表的質(zhì)量非常重要,目前流量表生產(chǎn)廠家很多,但產(chǎn)品質(zhì)量可靠性和準(zhǔn)確性較差,有待提高。

(4)公共財政應(yīng)適當(dāng)給予扶持 秸稈沼氣作為生物質(zhì)可再生能源,在集中供氣工程運行管理上,應(yīng)納入公共財政的扶持范疇,應(yīng)參照政府對生物質(zhì)發(fā)電給予補貼確保發(fā)電企業(yè)的利益的做法,來考慮秸稈沼氣集中供氣工程運行管理補貼資金,以減輕農(nóng)民負(fù)擔(dān),確保工程的可持續(xù)運行。秸桿沼氣工程利用原料廣泛,既可利用畜禽糞便,又可利用各種農(nóng)林廢棄物和有機生活垃圾等,使廢棄物資源化利用,進(jìn)一步減輕了農(nóng)村面源污染,推廣秸稈沼氣集中供氣工程,是目前農(nóng)村沼氣利用的發(fā)展趨勢。但是千家萬戶建沼氣,面廣而分散,后續(xù)服務(wù)工作量大成本高,影響了沼氣的正常使用;建設(shè)秸稈沼氣集中供氣工程,用氣計量收費,由專業(yè)技術(shù)人員維護(hù)管理,解決了后續(xù)服務(wù)難的問題,也排除了沼氣用戶的后顧之憂。單純以畜禽糞便為原料的沼氣工程,一般都靠近養(yǎng)殖場,遠(yuǎn)離村莊和居住區(qū),集中供氣管道投資很大;而秸稈容易運輸集中,秸稈沼氣工程可以選擇在村莊的適中位置建設(shè)一個或多個,提高沼氣用戶的覆蓋面,包括一些山區(qū)的農(nóng)村,因此發(fā)展?jié)摿艽?政府部門應(yīng)當(dāng)積極扶持,加速這項技術(shù)的發(fā)展和推廣,為我國的節(jié)能減排和低碳經(jīng)濟(jì)作出貢獻(xiàn)。