作者：陆胜龙 倪圣亚 薛民琪 任彬
摘要厌氧微生物直接对秸秆的降解消化能力较弱,用于沼气生产必须经过一个完整的原料预处理过程。秸秆不具有流动性,进出料困难,生产沼气需增加菌剂、氮素、揉切等多项技物支出,成为制约盐城市秸秆沼气的问题。通过成本测算和分析,重点提出了规划、实施沼气标准化并大力开展自主创新(包括联户供气工程、自研菌剂、引进新型反应器)等对策,为指导江苏省沿海地区秸秆沼气技术更大范围的推广提供了新的视角和依据。
关键词 秸秆;沼气技术;存在问题;对策;江苏沿海地区
秸秆经揉切、加菌剂拌制、堆沤后入池厌氧发酵制取沼气在技术上已全面成熟,是目前最为有效并已取得不凡实绩的成功技术,自推广以来,有效地解决了秸秆的沼气化利用。但在实践推广中,也逐渐暴露出成本增加、技术普及不全面、后续管理脱节等不足,在盐城市的部分地区甚至根本无法顺利继续推广应用该技术。针对发展秸秆沼气的几个重点问题进行了分析,并提出相应对策,为秸秆沼气进一步推广提供。
1发展秸秆沼气的特点
秸秆沼气的原料广泛、充足,水稻、小麦、油菜、玉米、大豆等作物的秸秆及棉花壳、花生壳等都行;产气率高,新池启动能缩短3 d的时间,一次装料可满足3~5口之家半年的生活用气需求,降低了劳动强度。操作工艺简单,成本低廉,而且产沼气后的沼渣还可以作庄稼肥料,可谓一举多得。通过对农作物秸秆沼气发酵与直接利用效益比较,得出沼气发酵与直接燃烧比较,提高了能量的转换和利用效率,秸秆沼气发酵比直接燃烧能量利用效率提高0.2~0.9倍。沼肥还田使农作物秸秆中的营养元素得到充分利用,减少了化肥的使用量,改善了农业生态系统内部的物质循环状况。长期施用沼肥的土壤有机质含量为2.17%、全氮量0.08%、密度1.189 g/cm3、孔隙度55%,与施用无机肥的土壤相比,有机质、全氮、孔隙度分别增加0.8%、0.018%、6.3%,密度则下降0.199 g/cm3。另外,常年施用沼肥的土壤中,土壤酶活性增强,土壤理化性状改善。总之,农作物秸秆沼气发酵,无论在能量利用、物质循环还是对生态环境的影响方面都比秸秆直接还田的效益显著[1]。
2秸秆沼气发展存在的主要问题
农作物秸秆细胞非常坚实,细胞壁的结构高度木质化,且细胞壁构成干物质的80%。其中的木质素作为秸秆细胞壁的主要成分,构成木质细胞壁的15%~30%。它在结构中含有生物化学上十分稳定的各种复杂结合形式,难于被一般微生物分解。尽管纤维素、半纤维素多糖类有机物质容易被微生物或酶分解,但是木质素与半纤维素在一起,将纤维素紧紧包裹在内,成为外围基质,阻止纤维素与微生物和降解酶的接触。另外,秸秆中无机盐含量都很低,而且明显缺乏钴、铜、硫、钠、硒和碘等元素。秸秆中的无机盐用粗灰分来表示,由硅酸盐和其他少量微量元素组成,含量大约为6%,稻草中的硅酸盐含量更达到12%以上。细胞壁中较高的硅酸盐含量,易造成秸秆原料的结壳,并严重影响秸秆正常的持续发酵。
在秸秆厌氧发酵产甲烷过程中,厌氧微生物直接对秸秆的降解消化能力较弱,导致水解过程缓慢、水解程度低,从而影响随后的酸化和气化过程,表现为作物秸秆的厌氧消化时间长、消化效率低、产气量少、投入产出效率差等,因此农作物秸秆用于沼气生产必须经过一个完整的原料预处理过程。相较于已成熟多年的传统沼气,秸秆沼气在拥有节能节本、产气含硫量低等多种优点的同时,必须增加菌剂、氮素、揉切等多项技物支出,成为制约盐城市秸秆沼气发展的最大问题;秸秆不具有流动性,无法进行连续消化,且密度小、体积大,进出料困难,生产效率低,大换料期间的供气、大出料等物管类问题也是发展秸秆沼气的另一瓶颈;此外,现有沼气反应器主要是畜禽粪便消化或污水处理用反应器,缺乏适合秸秆物料特性并能稳定、高效运行的专用反应器也是制约因子之一。
预处理成本测算为:一是典型户用沼气池。以现在比较普遍使用的8 m3沼气池为例,需准备粉碎后的干秸秆400 kg、碳酸氢铵20 kg、绿秸灵秸秆预处理复合菌剂1 kg(即1袋),网眼袋50条。按碳酸氢铵700元/t、尿素1 700元/t的价格,1个年产沼气350 m3的普通8 m3沼气池年均需氮素开支约为62元左右(按麦草、尿素计)。以1 000 kg/h功率的典型秸秆揉搓粉碎机9RQ-410A型揉搓粉碎机(北京合百意)为例,配用10.26 kW的ZS-195型柴油机,处理年产沼气350 m3的普通8 m3沼气池秸秆原料耗油18.6元/h(3 L/h,6.2元/L),共需柴油开支为25元左右(按稻草计)。秸秆菌剂34.00元/kg,秸秆原料∶菌剂按400∶1的比例,年产沼气350 m3的普通8 m3沼气池约需3.36 kg,需菌剂开支为114元左右(按稻草计)。塑料薄膜、网眼袋开支约10元,总开支为211元。二是典型秸秆沼气工程。以较小的50 m3沼气工程为例,年产沼气12 800 m3,沼气原料麦秆、稻秆各占1/2,约需准备粉碎后的稻秆24 576 kg、麦秆23 680 kg,需添加尿素1 225 kg或碳酸氢铵3 323 kg、绿秸灵秸秆预处理复合菌剂120 kg。按碳酸氢铵700元/t、尿素1 700元/t的价格计算,年均需氮素开支最低约为2 080元左右(按尿素计)。以1 000 kg/h功率的典型秸秆揉搓粉碎机9RQ-410A型揉搓粉碎机(北京合百意)为例,配用10.26 kW的ZS-195型柴油机,耗油18.6元/h(3 L/h,6.2元/L),共需柴油开支为898元左右。秸秆菌剂34.00元/kg,总用量120 kg,需菌剂开支为4 080元左右。塑料薄膜、网眼袋开支约100元,总开支为7 158元。三是秸秆沼气池的换料、出料及物管维护。经过10多年沼气生产的不懈努力,秸秆揉切粉碎、抽渣吸运、出料等配套机具已被全部研发成功。但是,这些配套机具虽不昂贵,但都是专具专用,农户自行购置不划算。秸秆技术优点很多,发酵剩余物经简单的过筛和短时间的堆肥即可用作园林肥料或农作物肥料;发酵前不需花费人力和设备将塑料、木块、沙石等捡出。但有的农户缺乏安全知识,由于闻不到普通沼气池内硫化氢的味道,就自认为无毒,擅自开盖维修,带来了安全隐患;沼渣等优质肥料不合理使用,作用没有充分发挥,效益打了折扣。目前,在秸秆沼气的推广实践中,预处理开支和秸秆进出料等物管费用是由沼气用户自行承担的,户用型最低需要添置498元抓卸器1台,并每年支付211元;沼气工程则需添置3项机械开支7 080元,并每年支付7 158元。过高的、没有被摊低的成本,降低了农民发展秸秆沼气的热情。
3对策
3.1科学进行秸秆沼气建设规划
在秸秆沼气规划中坚持正确的发展原则,一是坚持因地制宜、讲求实效的原则。在户用秸秆沼气建设方面,建设的模式、规模、速度要紧密结合当地实际,秸秆沼气与传统沼气相比,有成本上先天的劣势,在规划上必须严格错开,对有稳定的畜禽粪便发酵原料的地区,一般不鼓励发展;对种植业发展比较好的“三品”(有机食品、绿色食品、无公害农产品)生产基地和水产养殖区则要重点投入,不搞一刀切和盲目跟风。二是坚持示范带动和典型引路的原则。将秸秆转化为沼气(即秸秆常温气化),其技术参照比较对象只能是存在投资高、热值低、管理难、易积焦等诸多难题的秸秆高温气化技术,秸秆沼气工程、技术总体上属于新生事物,要以各级示范村为载体,通过典型示范,不断经验,完善机制,逐步提高群众的认识程度,以此带动面上工作的开展。三是坚持建管并重、安全为先的原则。不断完善管理制度,提高管理水平,坚决克服重建轻管现象,建立完善秸秆沼气物业管理服务站(队、所),确保秸秆沼气工程建设取得实效,让人民群众真正受益。禁绝沼气户自行出料现象,以避免安全事故,出料严格限定使用人工出料抓卸器和电动抓卸器,如使用多齿耙则必须加长手柄。四是坚持自觉自愿原则。沼气物业管理的管理者、服务对象都是农民,农民理解不理解、愿意不愿意、支持不支持是开展沼气物业管理工作的决定性因素。在试点中,必须充分尊重农民的意愿,在管理办法、服务内容、收费标准、管理员推选等的讨论中,让农民唱主角、让农民拿意见、让农民作决定。五是要体现优质气专用原则。秸秆沼气含硫量可低至50 mg/kg,是可以不经洗气就可直接供沼气发动机使用的优质气,当作一般沼气作燃料体现不出它自身的价值。在僻远农区、水产养殖区要着重发展沼气电力和沼气热机,在市、县近郊有条件的点要逐步开展CNG(压缩天然气)试点工程建设。