农村废弃物制取沼气研究

摘要：

关键词：

一、前言

目前，现代社会赖以生存与发展的化石能源正日渐枯竭，已成为制约未来社会发展的潜在危机，开发清洁可再生生物质能是解决能源危机、减少环境污染、走可持续发展道路的重要途径之一。利用生物质资源生产的生物质能目前居世界能源消费总量第四位，仅次于煤炭、石油、天然气。至今，世界上仍有15亿以上的人口以生物质作为生活能源。有人预测 ，可再生性能源到2010年将占到我国能源利用总量的5％ 到8％ ，到2020年将会达到10％ 到15％ 。

随着常规能量的开发与利用，贮藏量日趋减少，世界各国都潜在着矿物资源枯竭的危机，因此对能源的开发与研究，引起人们普遍的高度重视。但以前，对新能源开发利用，都是以单独利用的方式，存茌着电容量差的问题，因为都受到地理条件和季节性变化的影响。随时间而各有差异，表现出不稳定的特性。 

二、农村废弃物制取沼气国内外发展

1.农村废弃物制取沼气在国内发展

我国是一个能源短缺的国家，也是生物质资源大国。其中，作物秸秆年产量约为7亿t左右，列世界之首 。但大多数农作物秸秆都被用以焚烧、还田或乱堆放 ，只有少部分用作饲料、工业使用 ，不但造成利用率的低下，还增加了环境污染。因此，用秸秆进行厌氧发酵制取沼气是一个生产高品位清洁能源的过程。1985年． 我们在新郑县魏庄搞农柑 气试点期间， 发现该地枣精厂排艘的废液其C 0 D浓度一般高达20ooO mgl L，属高浓度有机废水，其排I象的废液发黑、发臭，已污染了附近的河巍和池塘，并受到环保音!；门的罚款。大红枣是中国的特产。用它作原料的厂家在河南就有二十多个，垒国则更多，可想污染是相当严重的。尽管如此但却没见有这方面的治理研究报道，因而研究运用新型厌氧消化装置，处理枣精废液，达到既制取沼气又治理污染的效果，确是一项具有良好经济效益和杜会效益的研究项目。1986年7月开展了对枣精废液制取沼气、治理污染的实验毫规模研究。1987年．浓缩胶乳加工废水含有丰富的碳水化合物、蛋白质等， 可作为厌氧发酵制取沼气的原料，但由于废水的氨态氮和硫酸盐含量高， 厌氧发酵抑制因素多。

2.农村废弃物制取沼气在国内发展

1994年，美国环保局确立埋地甲烷利用计划(LMOP)，该计划将埋地地点与气体和生物燃料应用结合在一起。美国拥有400多处埋地气体能源利用项目已在实施之中。埋地气体用于生产生物燃料有二种方法。可为常规的乙醇或生物柴油生产用电提供燃料，或者用作生物柴油的原材科。在美国，这些用途包括：为汽车提供压缩天然气、为垃圾卡车提供液化天然气（LNG）、制取合成柴油、生产甲醇和生产生物柴油。

PPL公司旗下的PPR可再生能源公司2007年11月上旬宣布，在美国维蒙特州Moretown的埋地场开发和设置4.8MW甲烷发电厂。该200英亩Moretown埋地场可提供240立方英尺/天甲烷气体。埋地场的甲烷变能源系统具有双重效益，环境效益是可从可再生燃料产生电力，也可避免甲烷排放，甲烷会导致全球变暖。该设施产生的电力将送入电网。该项目于2008年12月31日投用。

美国POET公司与南达科塔州Sioux  Falls市于2008年4月中旬签署合同，将利用Sioux  Falls市垃圾堆积场埋地产生的甲烷应用于POET公司Chancellor工厂的用能。使用甲烷将替代POET生物炼制所用的天然气，发挥埋地沼气的效益。按照这一项目初期将替代该工厂天然气用量的10%，到2025年将增加到30%。甲烷将通过10英里的低压管道运送。使用项目于2009年第二季度完成。

美国环境电力公司2007年11月7日宣布，在美国得州Stephenville建成可再生天然气（RNG）设施，这是北美最大的可再生天然气设施，该设施可生产约6350亿英热单位可再生天然气（RNG），相当于超过460万加仑的采暖用油。该设施为环境电力公司旗下的Microgy公司拥有，从粪肥和其他农业废物产生富甲烷的生物气体，调制该生物气体可达天然气标准，并可通过商业管道进行分销。RNG(R)成为Microgy公司的可再生天然气品牌。美国废物管理（Waste  Management）公司2008年4月中旬宣布在弗吉尼亚州利用埋地沼气发电提供电力。位于Bethel Landfill的埋地沼气产能设施（(LFGTE）生产绿色电力4.8MW，足以可供超过4700户家庭用电。

美国IESI Bethlehem埋地公司和Pepco能源公司于2008年11月24日宣布5MW埋地气体发电项目投用。该设施由Pepco能源服务子公司Bethlehem可再生能源公司拥有和运作，由埋地物分解产生的甲烷为燃料。

Ridgewood可再生电力公司于2008年12月8日宣布在美国罗德岛开发41MW埋地气体发电项目，该设施将是美国第二大埋地气体发电厂。该项目到2010年底分三个阶段完成，投资约为8000万美元。Ridgewood可再生电力公司自1996年起在该州埋地场运作埋地气体发电项目，前12年来，现有设施已从12MW扩大到20MW。

三、农村废弃物制取沼气方法及简介

1.花生壳厌氧发酵制取沼气

花生，又名落花生，是重要食用植物油资源，在世界食用油资源中居第四位，

占世界使用植物油年产量的14％t”。陕西省大荔县是全省花生主要产地之一，全县花生种植面积达1-33万hm 以上，年总产3 500～4000万kg，占陕西省花生播种面积和产量的25％以上。大量花生壳作为废弃物随意堆放在田间道路两旁，自然堆沤发酵，散发有味气体，成为影响农户生产生活环境的废弃垃圾。如果将其简单按照一般生活垃圾的方式进行处理，不仅成本高，而且在某种程度上是资源浪费嘲。因此，耗能低且进行能源回收利用的厌氧消化工艺则是处理这种农业废弃物的合理选择。为了探索花生壳厌氧发酵制取沼气的产气特性和潜力，利用NaOH在无流动水和常温的条件下，分别用质量分数为2％ 、4％ 、6％、8％的NaOH溶液对花生壳进行了碱性化学预处理，在中温(35~1) 、总固Ts质量分数为8％、pH为7．0-7．6条件下，利用白行设计的厌氧发酵实验装置进行批量厌氧消化试验，研究NaOH预处理对花生壳厌氧发酵过程中产气量、pH值和甲烷含量的影响规律。结果表明，4％NaOH预处理下的花生壳的总产气量为28 083 mL，比不使用NaOH和8％NaOH预处理的总产气量分别高48．91％和35．72％；甲烷含量最高超过60％ ，且平均甲烷含量高于不处理、2％和8％NaOH预处理；pH初期波动，13 d后基本稳定在7-2左右。4％NaOH预处理下的Ts产气率、VS产气率以及甲烷含量和不处理以及8％NaOH预处理下的差异性显著(P<0．05)，和其他两组试验之间的差异不显著(尸>O．05)，表明4％NaOH预处理是较优的工艺条件。

2.玉米酒精废液制取沼气

利用厌氧消化技术处理玉米酒精生产巾排放的高浓度有机废液，不仅可获得能源，增加优质有机肥， 也可大大减轻环境污染，具有很大的经济和社会效益。．'利用过滤器、厌氧污泥床反应器来处理工业有机污水，近年来已取得较大进展，国外已有较大的装置投入运行， 国内开展的这项研究也已取得较好的效果， 特别是南阳潮精厂较大的装置很快投入了运行。自1983年以来，我们利用厌氧消化法分别对两家酒厂排放的有机废液进行了小试，根据小试经验与数据并参考有关资料， 没计了有效容积为170米。的上流式AE+UASB相结合的消化器。

利用上流式AF+UASB相结合反应器处理高悬浮劬、高浓度玉米酒‘精废液迟到全年均衡产气集中供气的中试情况。试验结果表明， 污泥床与厌氧过滤器(UASB+AF)相结合反应器对于处理高浓度玉米酒精废液具有较好的前景， 在扁聚乙烯泡沫作保温材料， 在漫长寒冬不用厂房及附加条件下(保证发醇温度为52~54 ±2℃)运行稳定，达到了预期设想。产气率达2．2～3．8米。／米。·日，CODcr去除率为83~87％，处理负荷为5～8．5公fVCODcr／米 日。沼气中甲烷含量为57~61％。

3.酿酒废槽水制取沼气

沼气是微生物发酵的产物。在发酵过程中， 根据微生物的作用不罚， 可分为产酸细菌， 产氢细菌和甲烷细菌等’ 发酵又是一种比较严格的厌氧消化过程， 常遇到菌种死亡， 产气率低，C OD、13OD 去除率不高，运行中达不到设计要求，经济效益不好的情况。我厂在建池时综台了国内的先进技术，采用了厌氧接触消化器与上流式厌氧污泥床消化器联合使用， 按照酿酒废糟水性质处理， 采用两级双温消化新工艺， 使cOD、BOD 去除率和产气量获得不断提高。

4.蔬菜废弃物厌氧发酵制取沼气

随着农业生产中蔬菜种植比例的加大，城镇居民生活水平的日益提高，净菜上市，超市买菜已经成为习惯，这就对蔬菜上市前的加工处理提出了更高要求，大量质量不佳的蔬菜和净菜加工处理时产生的叶、根、茎和果实等都会最终成为固体废弃物，造成了资源浪费和环境污染。例如，在云南省的滇池地区，每年蔬菜废物达到8879t，蔬菜废物、生活垃圾、养殖废物比例是10：2：1，蔬菜废物被农民直接丢弃进入河沟，成为滇池水体富营养化的重要污染物质来源。在印度，每年产生的蔬菜废弃物多达5．6×10 t，这些废弃物大多被堆放在城市边缘而造成环境污染。由此可见在废弃物总量中蔬菜废物量占极大的比重，因此采用合适的工艺将这些废弃物妥善处理势在必行。

蔬菜废弃物的总固体含量为8％～19％，挥发固体的含量占总固体的80％以上。该废弃物中含75％的糖类和半纤维素，9％的纤维素及5％的木质素，含水率很高使得它们很适宜采用生物处理工艺。好氧工艺不太适合处理蔬菜废弃物，这是因为其有机物含量高需要大量的动力消耗，而厌氧消化工艺则是处理这些废弃物的合理选择。厌氧发酵过程是各种有机物在厌氧条件下，被各类沼气发酵微生物分解转化，最终产生沼气的过程。在这个复杂的微生物活动过程中， 由于发酵原料种类的物理、化学和生化特性的不同、pH值的差异、发酵温度变化等种种因素，因而发酵工艺、产气量等发酵效果也不尽相 。在国外，张瑞红等在蔬菜废弃物厌氧分解方面做了有益的探讨。 

以废弃的甘蓝菜叶为发酵原料，在实验室自行设计的小型沼气发酵装置上进行了厌氧发酵试验，通过测定发酵过程中发酵液和沼气的各项指标，对蔬菜废弃物厌氧发酵的可行性及接种物浓度对发酵过程的影响进行了研究。结果表明，蔬菜废弃物用厌氧发酵工艺处理是可行的；在试验采用的20％，30％，50％-个水平的接种物浓度中，接种物浓度为30％的实验组的挥发酸含量、氨态氮含量以及pH 值都在正常范围内，总产气量和沼气中最高甲烷含量别为7790．81 mL和42．814％，明显高于其他两组及空白组实验。该项研究对蔬菜废弃物的资源利用提供了有益的参考。

四、总结