熊霞1 ，施国中1，2 ，罗涛1，2 ，孔垂雪1，2
( 1〃农业部沼气科学研究所，成都610041; 2〃农业部农村可再生能源开发利用重点实验室，成都610041)
摘要: 秸秆沼气工程在发酵过程中易产生原料上浮、料液分层结壳现象，不利于发酵物料排出。文章通过对秸秆沼气发展现状、浮渣结壳形成机理及危害的分析，提出了秸秆沼气工程浮渣结壳的解决方法，以期对秸秆的沼气化利
用提供有益借鉴，并对秸秆沼气的发展进行了展望。
沼气汽水分离器
关键词: 秸秆; 发酵; 浮渣; 成因; 对策
中图分类号: S216〃 4 文献标志码: B 文章编号: 1000 － 1166( 2014) 04 － 0051 － 04
Th e Cau se of Sc um i n g D u r i n g S t r a w Biog a s F e r m e ntat io n and C o unt e r m e a s u r es / X IO N G Xi a1 ，S HI Gu o- z h o n g1，2 ，L U O Ta o1，2 ，KO N G Chu i-x u e1，2 / ( 1〃 Biog a s In s t i tut e of M i n is t r y of Ag r ic u l tu r e，Ch e n g du 610041，Ch i- na; 2〃K ey Lab
o r at o r y of Develo pm e nt and A pp lic at io n of Ｒu r a l Ｒe n ew ab le En e r gy M i n is t r y of Ag r ic u l tu r e，Ch e n g du 610041，Ch i na)
A b s t r a c t: Durin g anaer o bic di g esti o n of cr o p stra w，it is likel y o ccurred the f eedst o ck f l o a tin g，strati f icati o n fo rmin g scum，
w hich are n o t c o nduci v e fo r slurr y dischar g e〃 B y anal yz in g the current stra w bi og a s pr o ject，the mechanism of f eedst o ck
f l o atin
g and strati f icati o n fo rmin g scum w ere discussed in this paper〃 The c o untermeasures w ere su gg ested〃 And the de v el o p- ment of stra w bi og as f ermentati o n w as pr o spected〃
Key words: straw; ferm entation; scum; gene sis; solutions
统计显示，2010年我国秸秆理论资源量为8〃4 亿t，可收集资源量约为7亿t，可进行综合利用的约5亿t［1 － 2］。但由于缺乏有效的处理方法，约2〃47 亿t秸秆被直接焚烧，不仅污染周边空气环境，危害人体健康，而且引发交通事故，影响道路交通和航空安全，更是对能源的一种浪费［3］。目前，秸秆的处理利用方法较多，但是以秸秆厌氧消化反应过程最平和稳定、能耗最低、无污染，生态和经
济效益最佳［4］。
目前我国农村沼气发展迅速，据统计，截至2012年底，全国户用沼气池已达到4200万户，项目涉及6417个县、9〃86万个村［5］。至2010年底，全国已累计建设秸秆沼气集中供气工程273处，其中大中型秸秆沼气工程47处( 中华人民共和国农业部) ［6］。据农业部沼气产品及设备质量监督检验测试中心调研情况显示，厌氧发酵过程中秸秆原料的上浮结壳问题是秸秆沼气工程的主要问题之一。1 浮渣结壳的成因及危害 以秸秆为主要原料进行沼气厌氧发酵，在装料后发酵池处于静止状态时，秸秆原料因自身体积大、比重小的原因出现上浮。同时，一部分接种污泥会粘附在上层原料上，一部分悬浮在中间的清液中，大部分会沉淀在发酵池底部。而此时整个发酵池也分为四层，自上往下依次为: 漂浮的浮渣层，浓度较低的清液层，厌氧微生物活动较为旺盛的活性层，以污泥为主的沉渣层［7，11］。当前，国内外对秸秆发酵过程中结壳的研究较少，方德华［8-9］等经多年的检验证明，以秸秆为主要发酵原料的发酵池，1 年后结壳厚度约为25 cm ～35 cm，认为秸秆结壳是因为秸秆比重小于水，上浮至发酵池液面之上后，长时间难以被分解，漂浮在发酵池的贮气室，慢慢缺水、干缩而形成的。鲍安红［10］等认为在沼气发酵过程中，产生
收稿日期: 2014-05-28
项目来源: 国家国际科技合作专项( 2011DFA62850)
作者简介: 熊霞( 1985 －) ，女，四川眉山人，硕士研究生，主要从事农村能源的研究工作。通信作者：施国中，E-mail: brtc666@ 163〃 c o m
的有机酸在秸秆浮渣上层积累导致的结壳。苏宜虎［11 －13］等研究认为秸秆结壳的主要原因是微生物，上浮的秸秆浮渣由于纤维素的水解速度小于产酸和产甲烷速度，据研究水解反应微生物主要为附着性微生物，附着性生长微生物会首先吸收消化液中可溶性营养生长繁殖，并依靠胞外聚合物等粘性物质在悬浮的秸秆表面形成生物膜，当水环境中形成的键能能抵御水解作用时，微生物逐渐增值，生物膜会在秸秆表面逐渐生长。另外，随着生物膜的增厚，膜与膜之间因胞外聚合物等粘性物质相互粘连，通透性降低，膜内的微生物因不能得到营养而自溶，反应器底部的微生物，因缺乏营养物而产生气泡漂浮到结壳层底部，发酵池中产生的沼气聚集在结壳层底部，导致浮渣逐渐上浮，在反应液液面积累、脱水干化形成结壳。
风能路灯原料浮渣结壳层的形成，对厌氧发酵产生了很
多不利影响: 第一，大量秸秆原料的上浮结壳直接导
致了发酵池内产生的沼气无法通过结壳层进入贮气室，只能聚集在结壳层下部，增加结壳层的浮力，
更有甚者会使浮渣堵塞出料管并引起反应器爆裂［14］; 第二，大量沼气在发酵液中，不仅增加了发酵液中的沼气分压，而且沼气中较多的CO
2
溶解于沼液中，使沼液的pH 值下降，影响产气［15 －16］; 第三，秸秆上浮结壳减小了发酵罐的有效容积和储气空间; 第四，结壳上浮使秸秆原料不能与发酵液充分接触，原料不能被彻底分解，因而干物质残留量大，据研究，约有1 /2 ～ 2 /3 的原料未能得到有效分解，原料利用率仅为40% ～ 50% ，其实际转换率仅为理论值的1 /2 左右，最终秸秆原料利用率低，产气量少［8］; 第五，结壳严重影响了发酵池内固、液、气三相传质、传热和流动性，不利于产气［17-18］。综上所述，秸秆沼气的结壳过程将直接影响到发酵池的产气效率和运行稳定性，甚至使发酵池变成“病池、废池”［19 －20］。
2 浮渣结壳的解决方法
2〃1户用沼气
磁流变阻尼器
目前我国农村户用沼气池多采用圆筒形水压式沼气池，相关研究也针对其池形特点，采用物理方法进行处理，主要有以下几种方法。
2〃1〃1休息破壳法
休息破壳法即“休池法”，一般在每年冬季产气量低的情况下，让沼气池停止运行5 ～7 天，达到破壳排渣的目的。具体方法如下: 先用完沼气池内的沼气，然后打开输配系统的所有开关，并让所产的沼
气自然向空气排放，继续加料加水，使其满料状态运
行5 ～ 7 天，即“休息5 ～ 7 天”。这样形成的结壳浮渣，被浸泡在沼液中，会自动下沉为沉渣，被自动排
渣装置排出［10］。
该方法能有效的去除浮渣结壳，方法简单、易行，但需要停气一周左右，不能连续供气，影响农户
用气。目前，该方法是户用沼气池去除浮渣结壳最
常用的方法之一。
2〃1〃2充气破壳法充气破壳法是通过利用其它设备增加沼气池内
贮气室的气压，从而达到破壳效果的方法。具体方
法如下: 先关闭沼气池内各个输配系统的所有开关，
然后把充气设备的打气管口与沼气池的导气管相连接，而后向沼气池充气增压，利用气压破碎结壳层，
使浮渣浸泡在沼液中，自动形成沉渣而被排出［21］。
该方法破壳效果显著且破壳时间较短，能满足
用户的不间断供气要求，但是需使用额外的设备，增
加了投资，操作方法较复杂。户用沼气池目前使用
较多。
2〃1〃3自动破壳沼气池自动破壳沼气池是在原有沼气池的基础上进行
改进完善，以达到沼气池运行过程中自动破除浮渣
层的目的。魏福友［13，22］等发明的压渣抗浮沼气池
和新型抗结壳沼气反应器就是利用安装挡板使发酵
原料无法上浮形成浮渣层，从而使原料能与沼液充
分接触，原料产气率和池容产气率都有较大提升。
陈俊等［23 －26］研发的农村户用自动破壳沼气池是采
用在沼气池内设置混凝土破壳杆或者水平网格破壳
装置，当结壳层随发酵液面上下自动移动时，结壳层
通过混凝土破壳杆或者网格装置时被破碎。鲍安
红［10］等研究的利用风力机械搅拌破壳装置，是在沼
气池外顶上面设置一个风车，与沼气池内的搅拌装
置相连，利用风力带动搅拌装置，破除浮渣。刘德源
等［27］发明的自动回流破壳( PVC) 沼气池在沼气池内
多增设了弯曲回流管和分流器，当池内气压下降，在
压力差作用下沼液通过弯曲回流管和分流器的导流
经贮气间回流到发酵间，回流冲刷使浮渣润湿，破除。
自动破壳沼气池能较好的解决浮渣结壳问题，
无需人工操作而且能给农户连续供气，但是池体较
复杂，增加了投资，后期维修较难，且只适用于新建池。目前，农户使用自动破壳沼气池的较少。
2〃2沼气工程
2〃2〃1搅拌
近年来，随着厌氧发酵技术的进步，我国秸秆沼气工程的发展越来越快，中华人民共和国农业行业标准( NY / T 2142—2012)《秸秆沼气工程工艺设计规范》已于2012 年6 月1 日正式实施。该规范适用于以农作物秸秆为主要原料( 发酵原料中秸秆干物质含量大于50% ) 沼气工程的工艺设计，其中液态秸秆厌氧发酵工艺主要采用全混合厌氧消化工艺( CSTＲ) 和竖向推流式厌氧消化工艺( VPF) 。弧形门
秸秆沼气工程运行过程中的浮渣结壳问题，主要采取搅拌的方法予以解决。目前，厌氧消化罐中的搅
拌装置有三种，分别是机械搅拌、出水回流搅拌和沼气回流搅拌，其中机械搅拌和出水回流搅拌使用较多。
搅拌是使微生物与发酵原料接触的有效手段，适度的搅拌可以防止结壳或者打破已有的结壳层，使得固体有机物质均匀分布在沼液中，增加了微生物与固体有机物质的接触面，促进厌氧发酵，而且有利于产生的沼气自由溢出进入贮气室［28］。
2〃2〃1〃1机械搅拌—全混合厌氧消化工艺( CSTＲ)机械搅拌是使用各种安装形式的机械装置，通过各种形式的机械运动使物料达到充分混合状态的一种搅拌方式。此种搅拌方式可以产生强大的剪切作用，可以借助搅拌叶片的转动能来打碎消化原料，有利于高粘度物料混合［29］。常用的机械搅拌方式有罐顶立式搅拌器、侧伸式搅拌器和斜式搅拌器。三种机械搅拌装置都能起到防止浮渣硬化、结壳的作用。宋波［12］等研究表明罐顶立式搅拌器是厌氧消化罐中使用最多的一种机械搅拌方式，搅拌器竖向混合搅拌，可打破浮渣，将浮渣往下推进至发酵液中。侧伸式搅拌器要达到破除浮渣的作用，需在搅拌器的位置安装一个纵向导流筒，利用导流筒将顶部浮渣带进反应器底部。但相对于罐顶立式搅拌的低速运行，侧伸式搅拌器要求的动力大、功率高，从运行成本等经济角度考虑，并不划算。斜式搅拌器可利用桨叶将浮渣打入反应器内，多使用于不能安装罐顶立式搅拌器的一体化厌氧反应器。机械搅拌多应用于全混合厌氧消化工艺( CSTＲ) 的大中型沼气工程中，是目前以秸秆为主的混合发酵破壳最常用的手段之一。
2〃2〃1〃2出水回流搅拌—竖向推流式厌氧消化工艺( VPF)
出水回流搅拌就是利用发酵罐内已有的料液，每隔一定时间段通过泵将料液从下往上或者从上往下的进行水力循环，通过料液的液体流动来达到搅拌破壳的目的。目前，农业部沼气科学研究所在河南、山西和四川等地设计有多处秸秆沼气工程，采用了竖向推流式厌氧消化工艺，料液从下部出，在发酵罐上部设喷淋装置回流，对于预防料液结壳有一定的效果，但要达到破壳效果，需要较大的冲击力。因此出水回流搅拌系统适用中小型沼气工程，发酵罐发酵容积相对较小，采用液体搅拌系统，可实现发酵液的均匀混合，混合效果也较好［12］。
但是搅拌需要消耗外部动力，而且需要购买搅拌装置，投资大，结构较复杂，不易于操作，易发生故障，维护管理复杂等缺点［30］。
2〃2〃2其他工艺
在秸秆沼气工程中，有一些其他的工艺可以避免浮渣的形成，比如一体化两相厌氧消化工艺、车库式发酵工艺和青贮沼气发酵等。但两相厌氧发酵系统结构复杂，运行成本高; 车库式发酵工艺在我国技术发展还不成熟，不能大力推广; 我国专门应用于沼气工程的农作物青贮很少，因此青贮沼气发酵在我国应用也很少［31 －33］。
3 总结展望
原料浮渣层的形成是制约秸秆厌氧发酵的关键因素。原料浮渣层主要是因为发酵初期原料上浮和上浮的秸秆浮渣中微生物在固体原料表面形成的生物膜相互作用形成的，结壳层上浮使秸秆原料不能与发酵液充分接触，原料不能被彻底分解，并且结壳层使发酵池内产生的沼气无法进入贮气室，严重影响了产气效率。目前户用沼气池主要采用了休息破壳法、充气破壳法、自动破壳沼气池等三种方法，大中型沼气工程主要采用机械搅拌和回流搅拌的方法来解决结壳问题。
随着秸秆沼气的逐步发展，如何有效解决浮渣结壳问题已成为当今秸秆沼气厌氧发酵的一个研究重点。目前，已经在浮渣结壳的成因方面取得了一定的进展，对于解决浮渣结壳的对策研究刚刚起步，还需沼气技术研究工作者共同努力攻关，进一步研究浮渣结壳层和哪些微生物菌种有关，对采用化学或者生物的方法来解决浮渣结壳的问题做一些探索，如可以考虑加入添加剂和菌种，以抑制浮渣层的形成。
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