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石祖梁1，2，王久臣1，2，李想1，宋成軍1，孫仁華1，王飛1，2
(1．農業農村部農業生態與資源保護總站，北京100125；2．農業農村部資源循環利用技術與模式重點實驗室，北京100024)
摘要：[目的]為進一步提高農村清潔能源供應水平，改善農村用能結構，減少秸稈廢棄和露天焚燒，推動農業綠色發展。[方法]在系統梳理我國秸稈沼氣相關文獻的基礎上，全面分析了我國秸稈沼氣面臨的形勢、主要技術工藝特點和存在的主要問題。[結果]我國秸稈沼氣主要可分為8種工藝，包括豎向推流式厭氧消化工藝、全混式秸稈發酵技術、自載體生物膜秸稈沼氣工藝、覆膜槽秸稈沼氣技術、車庫式秸稈干發酵工藝、一體化兩相厭氧消化工藝、紅泥塑料厭氧消化技術、分離式兩相厭氧消化工藝等。目前發展秸稈沼氣存在5個主要問題，包括秸稈收儲運困難、預處理技術有待改進、進出料不便、高值化利用程度低、政策和服務體系不完善。[結論]提出了推進秸稈沼氣發展的4個對策建議：推動秸稈收儲運體系建設、強化秸稈沼氣后續產品的開發利用、控制秸稈沼氣工程對環境的污染、完善配套政策機制和服務體系。
0引言
中國是農業大國，是世界上秸稈資源最為豐富的國家。前人研究顯示，我國秸稈總體資源量近10億t，其中可以收集利用的秸稈量為9億t左右[1]。但是由于農業生產方式和農村生活方式的變革，秸稈傳統利用方式難以為繼，約有20%的秸稈被廢棄或露天直接焚燒，不僅污染了大氣和水體等生態環境，導致安全隱患，更造成了資源的極大浪費[2-3]。因此，如何合理有效地處置秸稈已成為政府和社會關注的焦點問題。大量研究與實踐表明，秸稈作為優質的生物質能，2t秸稈的熱值相當于1t標準煤[4-5]，推動秸稈能源化利用，可以有效改善農村清潔用能水平，減少化石能源消耗和二氧化碳排放[6]。而利用農作物秸稈進行厭氧發酵產沼氣，則是秸稈能源利用中極其重要的一種途徑。前人研究顯示，相對秸稈直接燃燒而言，秸稈沼氣能量利用效率可以提高1.2～1.9倍[7]。秸稈沼氣發酵產生的副產物沼渣沼液，因其富含氮、磷等營養元素，是良好的肥料，已經在生態循環農業中被廣泛應用[7-8]，秸稈沼氣工程越來越受到社會的關注和重視。因此，文章在前人研究的基礎上，系統分析了我國秸稈沼氣面臨的形勢、技術工藝特點、存在問題，并提出下一步的發展建議，以期為推動秸稈沼氣的快速發展提供理論支撐。
1發展秸稈沼氣的必要性
1.1能源短缺的必然發展趨勢
化石能源的枯竭趨勢是不可逆轉的，能源緊張問題對世界的影響將日益明顯。近年來，各國不斷重視加強太陽能、核能、生物質能等新能源的開發利用，在新興起來的諸多新能源當中，生物質能源因其安全、穩定、可再生的特點，是國家鼓勵發展的重點領域之一。特別是農作物秸稈，不但產生量大、分布廣散、種類多樣，而且富含80%～90%的有機質，通過厭氧發酵能夠產生化石能源的替代品——沼氣[9]。
長期以來，沼氣作為一種農民家庭戶用的高品質清潔能源，一直是我國農村能源建設的重要內容，對推動農村生活方式的改善起到了極大的促進作用[10]。同時對沼氣進行脫碳凈化提純，能夠提升甲烷含量達到95%～97%，從而提高燃氣的熱值達到天然氣標準，可進入天然氣管網替代石化天然氣，也可用作車用燃氣，是能源產業發展的重要方式。因此，發展秸稈沼氣將成為有效緩解我國能源供應壓力的一個重要途徑，并在農村節能減排和農業生態環境保護中發揮積極作用。
1.2農作物秸稈處理的有效途徑
農作物秸稈露天焚燒和隨意丟棄引發了一系列的環境問題，已經得到政府和人們的廣泛關注。2018年“中央一號”文件明確提出，要加強農村突出環境問題綜合治理，推進農作物秸稈綜合利用。國家有關部門更提出了至2020年全國秸稈綜合利用率要達到85%以上的目標任務[11]，并鼓勵開展秸稈氣化清潔能源利用工程建設，拓展農村清潔能源供給渠道，推動秸稈綜合利用高值化、產業化發展[12]。中國每年農作物秸稈可收集量超過8億t，其中作為秸稈沼氣良好原料的水稻、小麥和玉米3種秸稈占到80%左右[1]，可見我國農作物秸稈產沼氣潛力巨大。在堅持農用優先的基礎上，大力推動秸稈沼氣發展，有利于進一步拓展利用渠道，切實提高秸稈綜合利用率，減少資源浪費，改善農村生態環境。
1.3發展生態循環農業的重要手段
在現代農業生產過程中，由于化肥、農藥等農業投入品大量使用，不但對農產品質量安全提出了挑戰，也造成了一系列的農業生態問題。農業農村部將2018年確定為“農業質量年”，提出要堅持綠色導向，大力推行農業綠色生產方式，實現投入品減量化、生產清潔化、廢棄物資源化、產業模式生態化。沼氣不但有利于快速處理農業廢棄物，其副產物沼渣沼液又是良好的有機肥料，對于提高農作物產量并改善品質有重要作用，已經成為發展生態循環農業的關鍵紐帶。同時隨著城鎮化和農業供給側結構性改革的快速推進，人畜分離的趨勢越來越明顯，以前被廣泛用作沼氣原料的畜禽糞便逐漸供應不足，極大限制了農村沼氣的發展壯大[9]。前人研究表明，全國約有20%的戶用沼氣池因原料供應不足造成閑置，甚至報廢[13]。同時由于糞便投料麻煩、臟臭等問題難以解決，農戶對使用糞便作沼氣原料的積極性逐漸降低。因此推動秸稈沼氣工程建設，不但有利于緩解沼氣池原料不足的矛盾，也有利于發展生態循環經濟，推動沼氣產業健康持續發展。
2秸稈沼氣的工藝技術特點分析
當前我國秸稈沼氣工程建設處于較快的發展階段，截止2017年，全國建成處理農業廢棄物的沼氣工程約11萬處，其中特大型、大型、中型沼氣工程共1.8萬處，約處理畜禽糞便5.2億t、農作物秸稈960.6萬t[14]。根據反應器的類型以及進出料方式，秸稈沼氣主要可分為以下8種工藝：豎向推流式厭氧消化工藝、全混式秸稈發酵技術、自載體生物膜秸稈沼氣工藝、覆膜槽秸稈沼氣技術、車庫式秸稈干發酵工藝、一體化兩相厭氧消化工藝、紅泥塑料厭氧消化技術、分離式兩相厭氧消化工藝。
2.1豎向推流式厭氧消化工藝
該工藝技術特點是液態發酵，秸稈經粉碎至2～3mm，加水調節固體含量至8%左右，每天定時、定量通過泵提升至發酵罐頂部均勻布料，進料時按照順序成層狀向下推壓，出料時則依靠自壓力從發酵罐底部排出，每天定期對沼液進行循環噴淋[15]。其優點：一是實現了連續進料，使發酵達到連續穩定的狀態，解決了沼氣穩定生產的問題；二是利用系統內部沼液進行循環噴淋，不但有利于維持發酵罐上部秸稈料的濕度，而且實現了新入秸稈原料的快速接種，顯著提高了消化和產氣速率。其缺點是秸稈原料粉碎粒度小，能耗和運行成本較高。
2.2全混式秸稈發酵技術
該工藝技術特點是采用液態發酵，立式反應器。在消化器內安裝有攪拌裝置，使發酵原料和微生物實現完全混合，有利于改善傳質傳熱效果等[16]。優點是由于采用了攪拌裝置，容器內的厭氧微生物能夠與物料更充分、更均勻地接觸，極大提高了物料產氣率；同時秸稈粉碎較細，發酵濃度較低，物料流動性好，也有利于進出料。缺點是秸稈粉碎過細，能耗高，預處理成本大；發酵物料濃度較低，所需厭氧發酵罐體積較大，加熱和攪拌能耗高，單位產氣量所耗的投資成本也較高。
2.3自載體生物膜秸稈沼氣工藝
該工藝技術特點是濕式發酵，針對秸稈吸濕膨脹從而產生的飄浮、分層現象，通過強化反應器(臥式反應器)與攪拌方式(斜攪拌與側攪拌組合)等工藝方法的集成創新，不斷增加物料的混合程度[17]。秸稈先經搓揉處理后，再使用固態化學預處理劑進行預處理，時間為3d，然后送入半地下的臥式厭氧發酵池。此時，發酵池中的秸稈同時就具備了食料和載體的雙重功能。該工藝的優點：一是秸稈經短時間的專門預處理后，產氣率可提高50%～120%，且操作簡單快捷；二是通過臥式反應器設備和攪拌方法的集成組合，可使秸稈物料與厭氧微生物充分接觸，顯著提高消化效率。缺點是采用的秸稈預處理劑是化學試劑，存在二次污染的風險；同時秸稈原料通過物理化學方法預處理后再轉移至發酵罐，存在二次搬運問題。
2.4覆膜槽秸稈沼氣技術
該工藝技術特點是干式發酵(固態發酵)，整個過程分為好氧升溫—沼氣發酵—脫水制有機肥等3個階段[5]。首先以好氧堆肥方法對物料進行好氧升溫；其次將好氧升溫后的物料與接種物進行混勻，然后在發酵槽上使用柔性密封膜進行密封，開始厭氧發酵；最后發酵結束時需將膜內沼氣抽空，收起密封膜，對反應器內物料進行翻攪，以好氧發酵方式脫水生產有機肥。優點：一是前期利用好氧發酵使物料升溫，中期再做好反應器保溫措施，可以不加熱源，能夠保持物料在中溫條件下進行發酵產沼氣，有利于降低系統能耗和運行成本，并提高產氣率；二是解決了常規干法發酵方式中的進出料難題，該工藝采用軟管充氣壓力密封方式，使發酵槽體能夠實現快速的密封或解封，有利于裝載機等進出料設備的使用，大大提高了進出料效率；三是模塊化、單元化設計，可以增加或減少發酵反應器的啟動數量，來滿足不同用氣規模的需求；四是適應性廣，對原料要求限制低，有利于畜禽糞污、農作物秸稈、生活垃圾等多種廢棄物的轉化利用。缺點是初始投資較大，對運行管理人員要求高；頂部和側面均依靠彈性膜密封，對膜密封性要求高，存在安全隱患。
2.5車庫式秸稈干發酵工藝
該工藝技術特點是干式發酵(固態發酵)，采用序批式進料的方式。前期將秸稈進行粉碎，并用富含菌種的沼渣進行接種，而后可用鏟車等設備直接送入車庫式反應器中，通過滲濾液回流噴淋達到連續接種和緩解過度酸化的目的[18]。優點：一是方便快捷，系統解決了干發酵進出料難的問題；二是車庫式反應器內設計沼液回流噴淋系統，實現了沼液循環利用，無排放污染的問題；三是水密封、機械密封和氣密封多項技術耦合使用，解決了發酵庫難密封的問題；四是適應性廣，對原料要求限制低，有利于多種農業廢棄物的轉化利用。缺點：一是容積利用率低，工程建設初始投資大；二是對密封性、物料的導氣性、滲濾液的噴淋傳質要求均較高，換料前需進行氣體置換。
2.6一體化兩相厭氧消化工藝
該工藝技術特點是干式發酵。秸稈經粉碎、青貯等預處理后，裝入厭氧反應器內，從反應器頂部均勻噴灑沼液，秸稈在頂部呈現出相對靜止的“填料”狀態，而沼液則部分向下流動，從而形成兩相反應區[19]。該技術優點：一是在同一反應器中實現了兩相分區，即固相濾池產酸和液相全混產甲烷，保證了兩種菌類(產酸菌、產甲烷菌)在各自反應區內的適宜環境，從而有利于提高產氣率；二是實現連續進料和沼液回流循環接種，有效解決了秸稈發酵易酸化的難題。缺點是工程建設初始投資大，對運行管理人員素質要求高；同時兩相反應處于同一反應器中，難以得到優化調控，池容產氣率不高。
2.7紅泥塑料厭氧消化技術
該工藝條件下，厭氧反應器為敞口式的鋼筋混凝土結構，反應器上使用紅泥塑料進行覆蓋產氣[20]。秸稈可進行粉碎處理，也可不進行粉碎，直接在消化器內堆制5～10d。秸稈堆制時，需要分層添加畜禽糞便作為接種物和營養調節劑。堆制結束，往敞口式反應器內注入可淹沒物料的水量后覆上紅泥塑料，并進行水密封，進行厭氧消化。該技術優點：一是紅泥塑料吸熱性能好，能夠有效維持反應器內的發酵溫度，利于提高產氣效率；二是可采用機械進出料，能耗低、操作簡單、換料方便；三是反應器頂部和四周設置循環噴淋系統，能夠定期實現沼液回流，防止結殼現象。缺點是秸稈容易飄浮，物料傳質不均；反應器上層1/3左右的秸稈無法降解，氣體逸出困難，原料產氣率低。
2.8分離式兩相厭氧消化工藝
該工藝技術特點是干濕兩相發酵，固相和液相分別在產酸反應器和產甲烷反應器進行。秸稈首先在產酸反應器中轉化為有機酸進入水解液，然后在產甲烷反應器中進行消化產沼氣，而沼液則作為接種物再回流至產酸反應器中應用[21]。優點：一是工藝可以靈活組合，產酸相既可濕式發酵也可干式發酵，對產甲烷發應器要求低，常規的CSTＲ、AF、UASB等均可用；二是原料適應性廣泛，管理方便，可實現連續進出料，不影響產氣的連續性；三是可控性強，產酸菌和產甲烷菌均能保持適宜的生長環境，同時通過調節沼液循環回流，能夠控制產氣數量；四是提高了沼氣產量和品質，采用兩相發酵，可通過產酸相與產甲烷相分別進行優化，獲得最大水解率與甲烷產率。缺點是相分離工藝控制條件尚未完善，水解產酸相也會產生一部分甲烷。
3秸稈沼氣存在問題
3.1秸稈收集困難
農作物秸稈是伴隨著農業生產而產生的，因此秸稈的來源受季節、氣候、地形、收獲條件等因素的影響較大。在中國，作物收獲和種植之間的時間短，季節緊湊，不容許秸稈在田間有過多的存放時間[2]。同時分散性農戶種植規模小、田塊分散，機械化操作不便等原因，也使秸稈難以實現快速、集中的收集運輸；加之我國秸稈收儲運體系建設尚不完善，導致秸稈收儲市場化、專業化水平較低，原料來源成本較高，對秸稈沼氣工程的正常運行提出嚴峻挑戰。因此，如何保證秸稈沼氣工程原料的持續供給將是產業發展需要重點解決的難題。
3.2秸稈預處理技術有待改進
秸稈雖然富含有機質，產甲烷潛力較高，但其也富含40%～55%的纖維素、10%～25%的半纖維素和20%～30%的木質素[22]，這3者在秸稈中相互纏繞，空間結構致密堅固，不易被厭氧微生物降解，導致秸稈中水溶性物質析出較慢，容易造成厭氧發酵周期長、秸稈降解程度不充分等一系列問題[23]。同時農作物秸稈的C/N一般高于正常發酵所需的20～30∶1，啟動發酵時需要添加氮素原料進行調節，以減少發酵啟動時間，提高沼氣產量[24]。因此一般在沼氣發酵前需對秸稈進行預處理[25-26]。目前的預處理技術有物理法、化學法、熱處理法、生物法、青貯預處理法、超聲波與稀堿法聯合法等，但無論何種預處理技術均會增加運行成本，影響了規模化秸稈沼氣工程運行主體采用預處理技術的積極性；同時現有的單項處理技術雖然在一定程度上提高了秸稈厭氧消化率和產氣率，但是在能耗、環境污染、處理周期等方面還有待進一步提升和改進，對適宜高效的預處理技術方法還需要進行深入研究。
3.3秸稈沼氣工程的進出料問題
秸稈產沼氣后，一些較難分解的物質以沼渣形式殘留于沼氣池內，會顯著影響沼氣池有效容積，減少產氣量。因此需要定期對沼氣池進行清池，以保證正常產氣功效[27]。而在生產實際中，采用常規的抽吸式出料車進行作業時，極易出現秸稈物料的堵塞現象，尤其是沉淀的纖維沼渣在放料時難以放出。目前，戶用秸稈沼氣一般采取袋裝式整進整出的方法，但大型秸稈沼氣工程的出料主要使用挖掘機來完成，不僅費用和能耗較高，而且在作業過程中極易損壞沼氣池池壁[28]。因此，針對大中型秸稈沼氣池快速出料的高效設備和方法還有待進一步研發。
3.4秸稈沼氣尚未實現高值利用
發達國家的沼氣主要用于發電和提純并入天然氣管網，且政府對于可再生能源的政策支持力度較大，能夠保障沼氣工程在經濟上持續運行[29]。而我國生產沼氣主要以戶用和集中供氣為主，主要是用作農村的炊事用能，高質量的利用比例還較低。其后續產品——沼液、沼渣，養分含量極其豐富，是良好的有機肥，但目前對沼渣、沼液的綜合利用還未達到產業化發展，加上清潔發展機制暫未引入，沼渣、沼液安全利用規范和沼肥的深加工技術還有待進一步完善和提升，沼氣工程的整體收益不高，造成秸稈沼氣工程自負盈虧能力較差。
3.5相關政策和服務體系尚不完善
為鼓勵發展沼氣，我國政府出臺了一系列激勵政策。但中央財政資金重點支持的是土建、設備等方面的投資，很少有針對工程運行服務和終端產品利用方面的政策補貼機制；部分法規和部門規章規定對可再生能源發電實行價格補貼，但未實行強制性的可再生能源發電收購策略，導致沼氣工程發電上網困難[30]。期以來，我國農村沼氣發展存在重建設輕管理的局面，一缺沼氣運行維護服務網絡，二缺專業性的技術人員，三缺專門的設備、配件，導致大量沼氣池壽命短，運行率不高，有些還存在一定的安全隱患，嚴重挫傷了企業、農戶建設使用秸稈沼氣的積極性[31]。
4對策建議
4.1加強秸稈原料的快速收儲研究與體系建設
加強農機農藝的有效融合，加快研制改進作物收獲——秸稈收集打捆一體化裝備，實現秸稈的快速收儲；研究完善配套農藝措施，引進作物新品種、改進種植方式，在保證作物產量的基礎上，延長茬口的收種時間，為秸稈的收集提供時間保障；明確不同作物地上部木質素、纖維素含量空間分布特征，研究制定留茬高度，積極探索只收集秸稈木質纖維素含量較低部分的可能性；加快秸稈收儲運體系建設，為秸稈沼氣工程提供充足、穩定的原料供給。
4.2加快秸稈沼氣后續產品的開發利用
面對能源緊張越來越重的趨勢，沼氣高附加值產品的開發利用將是整個社會的發展趨勢。應進一步加強沼氣提純后作為車用燃料、民用燃料的關鍵技術和模式研究。針對目前沼渣沼液受農作物不同生長周期對水肥需要的季節性限制等問題，配套建設相應規模的儲存裝置來緩解農業生產與沼肥生產不同步的矛盾，并大力研發沼渣沼液快速出料和有效儲存技術或減容處理技術，以促進秸稈沼氣工程產業化程度的提高和完整產業鏈的形成，實現秸稈資源化高效利用和秸稈沼氣工程的可持續發展。
4.3加強控制秸稈沼氣工程對環境的污染
明確不同作物秸稈厭氧發酵時沼液、沼渣的理論產生量，對沼液儲存池的結構進行改進設計，并研究從農藝技術上減少揮發性氣體的排放，如制定沼渣、沼液的施用的具體技術規程等(明確溫度、風速、濕度等環境條件)、添加適量酸以降低溶液pH值減少氨的揮發等。科學施用沼肥，研究單位土地面積對沼渣、沼液的容納能力，針對不同土壤、不同作物制定配方施肥、按需施肥、按季節施肥的技術標準，發揮沼肥在種植業和養殖業中綜合利用的生態作用。
4.4加強政策機制研究，完善服務體系建設
加大政策工具的創設研究，建立從工程建設、到沼氣生產、到市場運營的配套激勵機制，加大對相關環節的財政專項扶持和補貼力度。同時按照《中辦國辦關于創新體制機制推進農業色發展的意見》要求，積極探索沼氣發電并網、提純灌裝、熱能回收、沼肥綜合利用的政策工具，推動“秸—沼—肥”循環農業產業模式發展。探索建立秸稈沼氣工程后續服務管理模式和機制，建立完善的秸稈沼氣物業管理服務網點，提供燃氣用具安裝、零配件更換、故障排除、計費繳費等全方位服務，確保秸稈沼氣工程建設取得實效并實現產業化運營。
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