季立仁，李布青，葛昕

(1.廬江縣生態(tài)能源局，安徽廬江 231500;2.安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)工程研究所，安徽合肥 230031)

農(nóng)作物秸稈是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的重要生物資源，約有50%的農(nóng)業(yè)投入要素最終轉(zhuǎn)化為秸稈。秸稈長(zhǎng)期以來一直是農(nóng)民生活和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的寶貴資源，但隨著農(nóng)村社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和秸稈本身特性及目前的處理技術(shù)水平有限，存在秸稈結(jié)構(gòu)性過剩問題。我國種植業(yè)每年產(chǎn)生的各類農(nóng)作物秸稈約8億t，有約50%未得到有效的處理和利用。大量農(nóng)作物秸稈隨意拋棄、焚燒現(xiàn)象嚴(yán)重，造成資源浪費(fèi)，并嚴(yán)重污染了大氣和水體，惡化了農(nóng)村生態(tài)環(huán)境和人居環(huán)境，成為制約現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的限制性因素，因此迫切需要尋找新的利用途徑。為此，筆者進(jìn)行了大量調(diào)研，并實(shí)地考察了河北省青縣秸稈沼氣工程和安徽省銅陵縣富強(qiáng)秸稈沼氣工程、安徽省阜南縣洪河橋鎮(zhèn)秸稈沼氣站，以及河南省長(zhǎng)垣縣中海油清潔能源項(xiàng)目、河南省安陽縣多處秸稈沼氣工程建設(shè)和使用情況。研究與實(shí)踐證明，農(nóng)作物秸稈通過沼氣發(fā)酵獲取生物能源兼具能源和環(huán)境雙重作用，是農(nóng)作物秸稈綜合利用一條非常有潛力的途徑［1－4］。安徽省廬江縣是農(nóng)業(yè)大縣，農(nóng)作物秸稈年產(chǎn)量約90萬t以上，但尚未得到充分、合理的利用，開發(fā)利用的潛能很大。針對(duì)廬江縣秸稈資源的基本情況和利用現(xiàn)狀，探討發(fā)展秸稈沼氣存在問題及對(duì)策，提出科學(xué)發(fā)展秸稈沼氣的建議。

1 秸稈沼氣技術(shù)

隨著農(nóng)村沼氣建設(shè)和以沼氣為紐帶的生態(tài)家園技術(shù)模式的推廣，沼氣已成為我國農(nóng)村重要的可再生能源，在實(shí)施農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中發(fā)揮了越來越重要的作用。農(nóng)作物秸稈沼氣化技術(shù)是根據(jù)沼氣工藝學(xué)和微生物學(xué)等技術(shù)原理，以厭氧發(fā)酵為核心技術(shù)并集成其他技術(shù)形成的秸稈綜合利用與處理系統(tǒng)(圖1)。秸稈沼氣遵循微生物發(fā)酵原理，建立了新的以秸稈為中心的物質(zhì)－能量循環(huán)系統(tǒng)。秸稈中的各類物質(zhì)經(jīng)微生物分解，形成了新的不同用途的物質(zhì)，如碳、氫元素合成為甲烷等可燃性氣體，是高品質(zhì)的清潔能源。秸稈中的氮、磷、鉀等元素通過微生物的分解，再合成新的活性物質(zhì)，使沼渣、沼液成為優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥料，再進(jìn)入新的物質(zhì)－能量循環(huán)系統(tǒng)中，得到最大程度的利用［5］。

秸稈通過沼氣發(fā)酵獲取生物能源兼具能源和環(huán)境雙重作用，有利于秸稈資源循環(huán)利用。秸稈原料經(jīng)微生物厭氧發(fā)酵作用產(chǎn)生清潔能源—沼氣和優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥，沼氣作為農(nóng)民生活用能，也可替代天然氣等用于工業(yè)生產(chǎn)。施用沼渣有機(jī)肥不僅可節(jié)約化肥和農(nóng)藥的施用量，增加土壤的有機(jī)質(zhì)含量和肥力，而且能改善土壤理化性狀，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，促進(jìn)生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。利用秸稈生產(chǎn)沼氣比用畜禽糞便生產(chǎn)沼氣具有原料來源充足、沼液零排放，直接作為有機(jī)肥料使用的沼渣可長(zhǎng)期貯存、運(yùn)輸方便、價(jià)格較便宜等優(yōu)勢(shì)。2009年農(nóng)業(yè)部在全國12個(gè)省開展了16個(gè)大中型秸稈沼氣工程示范項(xiàng)目，均取得了成功。此后，農(nóng)業(yè)部有計(jì)劃地加大了秸稈沼氣工程建設(shè)的投資扶持力度和工程數(shù)量規(guī)模。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國秸稈沼氣集中供氣工程數(shù)量目前達(dá)350多處。秸稈沼氣工程技術(shù)已有成熟的技術(shù)支撐，并有成功的推廣實(shí)踐，初步實(shí)現(xiàn)了規(guī)范化、規(guī)模化的推廣應(yīng)用［6］。

因此，秸稈沼氣化處理符合農(nóng)業(yè)優(yōu)先、多元利用的秸稈綜合利用基本原則，是農(nóng)作物秸稈綜合利用一條非常有潛力的途徑。秸稈沼氣化處理將有力推動(dòng)秸稈的綜合利用，讓秸稈經(jīng)濟(jì)高效地回到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)秸稈的高值綜合利用，保護(hù)環(huán)境。

2 廬江縣發(fā)展秸稈沼氣的有利條件

2.1 具有豐富的資源優(yōu)勢(shì) 廬江縣地處安徽省中部，國土面積2 348 km2，120萬人口，現(xiàn)有耕地72 800 hm2，是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大縣，盛產(chǎn)糧、油、菜、茶、畜禽和水產(chǎn)。全縣常年農(nóng)作物種植面積173 333 hm2，其中，糧食種植面積140 000 hm2，油料13 333 hm2，蔬菜等其他經(jīng)濟(jì)作物20 000 hm2。農(nóng)作物秸稈主要來源于糧油作物，經(jīng)測(cè)算，全縣每年糧油作物可產(chǎn)生秸稈90萬t以上。

2.2 具有良好的工作基礎(chǔ) 廬江縣是農(nóng)村沼氣建設(shè)最早的縣份之一，特別是農(nóng)村沼氣列入民生工程以來，縣委縣政府制定出臺(tái)了一系列的扶持政策，有力促進(jìn)了農(nóng)村沼氣持續(xù)快速發(fā)展。截至2014年底，全縣累計(jì)建設(shè)戶用沼氣池達(dá)2.45萬戶，新建大型沼氣工程4處，中小型沼氣工程46處，建設(shè)沼氣服務(wù)網(wǎng)點(diǎn)40多個(gè)，建設(shè)秸稈氣化站(高溫?zé)峤鈿饣?1座，推廣太陽能熱水器20.5萬m2。另外，由武漢凱迪控股投資有限公司與中盈長(zhǎng)江國際信用擔(dān)保有限公司共同出資組建廬江縣凱迪綠色能源開發(fā)有限公司在我縣投資2.4億元，建設(shè)25 MW生物發(fā)電廠一座，該項(xiàng)目以稻殼和農(nóng)作物秸稈為原料，年發(fā)電能力1.58億kW·h。

但是，由于近年來農(nóng)戶家庭養(yǎng)殖大量減少，以畜禽糞便為沼氣發(fā)酵原料缺乏，加上大量農(nóng)戶常年外出務(wù)工或家中無勞力，以致不少戶用沼氣池建后由于缺乏原料而停用，或因家中無人而停用，沒有很好發(fā)揮效益。秸稈氣化站(高溫?zé)峤鈿饣?所產(chǎn)的可燃?xì)怏w熱值僅1 400～1 500 kcal，不能滿足炊事用能要求，而且投資大，不可避免地產(chǎn)生焦油等污染，效益不好。生物質(zhì)發(fā)電廠在實(shí)際運(yùn)行中，實(shí)際使用的大多是樹枝、木板等林業(yè)廢棄物，農(nóng)作物秸稈由于其能量密度低并不受歡迎。因此，秸稈氣化站(高溫?zé)峤鈿饣?和生物質(zhì)發(fā)電廠并不能真正解決秸稈結(jié)構(gòu)性過剩問題。而發(fā)展秸稈沼氣可實(shí)現(xiàn)秸稈高值化綜合利用，是秸稈資源化利用的重要途徑，可從根本上解決秸稈禁燒問題，遏制環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

3 發(fā)展秸稈沼氣的障礙分析

3.1 工藝技術(shù)要求高 秸稈的主要成分為纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等，在自然狀態(tài)下，難以被微生物分解。其中的木質(zhì)素是植物界中僅次于纖維素的最豐富和最重要的有機(jī)高聚物，是一類由苯基丙烷結(jié)構(gòu)單元通過C－C鍵連接而成的三維空間高分子化合物，與纖維素、半纖維素一起構(gòu)成細(xì)胞壁的主要成分，其中80%存在于植物細(xì)胞壁中，20%分布于細(xì)胞間隙中，成為細(xì)胞聯(lián)合的粘連劑。秸稈中的木質(zhì)素包裹在纖維素和半纖維素的表面，并且三者在纖維細(xì)胞次生壁中呈不連續(xù)的層狀結(jié)構(gòu)，彼此粘連相互間斷，形成空間阻礙，阻礙了酶和微生物與纖維素、半纖維素的充分接觸。因此，秸稈在自然狀態(tài)下難以被厭氧菌消化，導(dǎo)致消化效率不高，投入產(chǎn)出效益差;由于秸稈的密度小、體積大、流動(dòng)性差，存在進(jìn)出料困難、浮渣結(jié)殼和傳質(zhì)傳熱慢、效率低等問題;秸稈在消化開始階段容易產(chǎn)生酸的消耗不平衡，引起酸積累，造成酸中毒現(xiàn)象，影響正常運(yùn)行;反應(yīng)器內(nèi)傳熱傳質(zhì)不均勻，物料與接種物接觸不充分，消化條件不易控制［7－9］。相較于技術(shù)成熟的傳統(tǒng)沼氣，秸稈沼氣在擁有節(jié)能節(jié)本、產(chǎn)氣含硫量低等多種優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，相對(duì)于畜禽糞便等易消化的物料，秸稈的生物氣化對(duì)厭氧消化工藝技術(shù)要求要高的多。

3.2 工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不足 根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和對(duì)部分大中型秸稈沼氣工程的調(diào)查結(jié)果，目前我國秸稈沼氣工程中存在著如下突出問題:現(xiàn)有沼氣反應(yīng)器主要是畜禽糞便消化或污水處理用反應(yīng)器，缺乏適合秸稈物料特性并能穩(wěn)定、高效運(yùn)行的專用反應(yīng)器。厭氧消化反應(yīng)器基本上沿用畜禽糞便沼氣工程的厭氧消化器，存在啟動(dòng)慢、產(chǎn)氣量少、產(chǎn)氣率低、浮渣結(jié)殼等問題。秸稈本身質(zhì)地較輕，進(jìn)料后容易浮在液面上，造成原料分層和結(jié)殼。原料漂浮在料液上面不能與微生物充分接觸，減緩反應(yīng)速度。同時(shí)，漂浮原料的結(jié)殼阻止沼氣及時(shí)逸出。攪拌阻力大，傳質(zhì)效率低，氣體釋放困難。

在秸稈厭氧發(fā)酵中需要一定的接種物來啟動(dòng)反應(yīng)，目前的研究和工程實(shí)踐都以傳統(tǒng)接種物進(jìn)行啟動(dòng)。但是，傳統(tǒng)接種物因來源不同所含微生物的菌群類型和數(shù)量差異較大，并不適宜秸稈的原料特性。同時(shí)，由于傳統(tǒng)接種物的效率低，不僅增加啟動(dòng)成本，加大進(jìn)料勞動(dòng)強(qiáng)度，而且減少反應(yīng)器有效體積，制約反應(yīng)器啟動(dòng)。在秸稈原料進(jìn)入?yún)捬跸靼l(fā)酵前需要進(jìn)行一定的預(yù)處理，主要作用是質(zhì)地改善和營(yíng)養(yǎng)調(diào)節(jié)。通過預(yù)處理提高秸稈的可生物消化性能、消化效率和產(chǎn)氣率，同時(shí)在預(yù)處理階段需要調(diào)節(jié)進(jìn)料濃度、進(jìn)料溫度。如果不能通過預(yù)處理確保沼氣工程的進(jìn)料質(zhì)量，將導(dǎo)致沼氣工程運(yùn)行不穩(wěn)定，難以發(fā)揮最佳的處理能力。但秸稈預(yù)處理在改善其結(jié)構(gòu)特性提高原料利用率的同時(shí)也存在一系列問題。首先，預(yù)處理增加費(fèi)用;其次，化學(xué)處理面臨二次污染;再者，生物法處理秸稈大多數(shù)處于試驗(yàn)階段。而且，部分秸稈沼氣工程因采用的技術(shù)不當(dāng)，產(chǎn)生大量的沼液，易在周邊形成二次污染。

3.3 直接經(jīng)濟(jì)效益不高 雖然秸稈沼氣技術(shù)經(jīng)實(shí)踐證明是一項(xiàng)成熟的農(nóng)村能源替代新技術(shù)，但其直接經(jīng)濟(jì)效益不高。雖然國內(nèi)外在秸稈的預(yù)處理、秸稈厭氧發(fā)酵工藝及產(chǎn)業(yè)化裝備方面做了大量研究和工程實(shí)踐，在農(nóng)作物秸稈產(chǎn)制沼氣的技術(shù)環(huán)節(jié)上的研究和探索已經(jīng)獲得了許多有益的成果，取得可喜進(jìn)展，但工程化的秸稈沼氣技術(shù)目前尚處于試驗(yàn)示范階段，秸稈沼氣特殊的關(guān)鍵技術(shù)問題仍未有經(jīng)濟(jì)成熟的解決方案。尤其是目前運(yùn)行的示范工程采用的秸稈沼氣工程技術(shù)并不具備商業(yè)化運(yùn)營(yíng)要求，秸稈沼氣產(chǎn)業(yè)化發(fā)展需要政府的政策扶持。

3.4 政府扶持政策力度不夠 秸稈沼氣屬準(zhǔn)公共產(chǎn)品，其正外部效益遠(yuǎn)大于其直接經(jīng)濟(jì)效益。秸稈沼氣的發(fā)展需要政府的支持政策和資金補(bǔ)貼。雖然近年來隨著環(huán)保問題的日益突出及農(nóng)村地區(qū)能源供應(yīng)壓力的增加，特別是秸稈焚燒問題、秸稈綜合利用的發(fā)展及大中型沼氣工程原料拓展的需要，秸稈沼氣工程日益受到普遍關(guān)注，但各級(jí)政府并沒有出臺(tái)強(qiáng)有力的相關(guān)政策措施，尤其是對(duì)終端產(chǎn)品沼氣和有機(jī)肥的補(bǔ)貼政策。

3.5 宣傳和示范不力 秸稈沼氣是近幾年新興的生物質(zhì)能源，農(nóng)戶對(duì)此認(rèn)識(shí)不足，主要是宣傳力度不夠和示范性工作不到位。部分秸稈沼氣示范工程因采用的技術(shù)和工藝以及管理工作不到位，導(dǎo)致效益低下也是制約秸稈沼氣發(fā)展的重要因素。

4 促進(jìn)秸稈沼氣發(fā)展的對(duì)策建議

沼氣發(fā)展是資源－產(chǎn)品－廢棄物－再生資源，變廢為寶的循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式。如何使沼氣建設(shè)與新農(nóng)村建設(shè)、城鎮(zhèn)化建設(shè)及產(chǎn)業(yè)化建設(shè)共同推進(jìn)，互利互助，走上可持續(xù)發(fā)展的道路，是當(dāng)前亟待解決的問題。

4.1 提高對(duì)秸稈沼氣新能源的認(rèn)識(shí) 進(jìn)一步提高各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)和廣大農(nóng)民對(duì)秸稈沼氣的認(rèn)識(shí)，將秸稈沼氣作為秸稈綜合利用的重要途徑和新農(nóng)村建設(shè)的重要內(nèi)容，通過政府示范引導(dǎo)，典型帶動(dòng)，在全社會(huì)宣傳秸稈沼氣的重要性和緊迫性，盡快營(yíng)造黨政高度重視、部門積極配合、農(nóng)民主動(dòng)參與的工作氛圍。根據(jù)新農(nóng)村建設(shè)總體規(guī)劃，因地制宜地把秸稈沼氣納入新農(nóng)村建設(shè)配套工程進(jìn)行規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)農(nóng)村能源建設(shè)與新農(nóng)村建設(shè)的有機(jī)結(jié)合，達(dá)到與主體工程同步設(shè)計(jì)、同步施工。以村為基本單元，整體推進(jìn)，形成規(guī)模效益和綜合效益，以規(guī)模效益來帶動(dòng)秸稈沼氣的快速發(fā)展。

4.2 進(jìn)一步開展秸稈沼氣技術(shù)創(chuàng)新 針對(duì)當(dāng)前秸稈沼氣工程發(fā)展存在的技術(shù)難題，各級(jí)政府和相關(guān)部門要加大科技投入，有目的、有針對(duì)性地開展技術(shù)研究和科技攻關(guān)。鼓勵(lì)秸稈沼氣工程的企業(yè)和科研單位開展技術(shù)交流和合作，在開發(fā)秸稈厭氧消化裝置，秸稈厭氧發(fā)酵工藝技術(shù)，降低工程投資成本，提高秸稈沼氣轉(zhuǎn)化率，提高工程效益等方面進(jìn)行研究和創(chuàng)新。

4.3 進(jìn)一步加大對(duì)秸稈沼氣的扶持力度 在秸稈沼氣推廣階段，省、市、縣各級(jí)財(cái)政都要加大經(jīng)費(fèi)投入，保證秸稈沼氣的工程設(shè)備投入和推廣培訓(xùn)有足夠的扶持補(bǔ)貼，切實(shí)發(fā)揮政府引導(dǎo)作用。積極研究秸稈沼氣市場(chǎng)化、多元化的經(jīng)費(fèi)投入機(jī)制，制定相關(guān)激勵(lì)政策，吸引民間資本發(fā)展秸稈沼氣，推動(dòng)秸稈沼氣得到更好更快的推廣和普及。

4.4 積極探索秸稈沼氣管理服務(wù)機(jī)制 通過政府引導(dǎo)，走市場(chǎng)化運(yùn)作的路子，實(shí)現(xiàn)沼氣物業(yè)管理由政府扶持向合理收費(fèi)、有償服務(wù)的市場(chǎng)化運(yùn)作方向轉(zhuǎn)變。推進(jìn)適度規(guī)模經(jīng)營(yíng)，利用專業(yè)合作組織進(jìn)行秸稈沼氣推廣工作。加強(qiáng)秸稈沼氣服務(wù)體系建設(shè)，創(chuàng)新服務(wù)模式，不斷提高秸稈沼氣的綜合效益。

5 結(jié)語

以秸稈為原料生產(chǎn)沼氣，原料來源充足、分布廣泛，不受時(shí)間和空間限制，不產(chǎn)生焦油、廢水和廢氣等污染物，可實(shí)現(xiàn)秸稈的完全生態(tài)循環(huán)和高效利用。秸稈沼氣化處理不僅可以解決秸稈結(jié)構(gòu)性過剩造成的環(huán)境污染問題，同時(shí)為農(nóng)村生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展開辟新的大宗原料來源，為農(nóng)村生物燃?xì)猱a(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了原料保障，是建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)和發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的有效途徑。

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