“十二五”期末我國(guó)的生物質(zhì)能源總量有4.6億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，而只開(kāi)發(fā)利用了2200萬(wàn)噸，只占了不到二十分之一。諾獎(jiǎng)獲得者喬治·奧拉所說(shuō)的“甲醇經(jīng)濟(jì)”中一個(gè)重要觀點(diǎn)，就是甲醇的制備可以來(lái)自生物質(zhì)。生物質(zhì)能可否高效地轉(zhuǎn)化為便于存儲(chǔ)和運(yùn)輸?shù)募状?，從而大大提高生物質(zhì)能的利用價(jià)值?目前技術(shù)成熟度怎么樣?離成功實(shí)現(xiàn)還有多久?產(chǎn)業(yè)化時(shí)間還需要多長(zhǎng)?反應(yīng)器的效能、容積大小、承受力、建設(shè)成本等方面是攻關(guān)的重點(diǎn)。記者帶著一大堆問(wèn)題，采訪了華南農(nóng)業(yè)大學(xué)新能源與新材料研究所所長(zhǎng)、廣東省高校生物質(zhì)能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任、農(nóng)業(yè)部能源植物資源與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任、博士研究生導(dǎo)師謝君教授。

生物質(zhì)能中的一把雙刃劍

環(huán)境污染和能源短缺是本世紀(jì)的兩大主題,開(kāi)發(fā)綠色的環(huán)境治理及可再生能源生產(chǎn)的技術(shù)迫在眉睫。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖每年產(chǎn)生糞便38億噸(若完全轉(zhuǎn)化成沼氣相當(dāng)于1.62億噸標(biāo)準(zhǔn)煤)，其中僅有15%配備了沼氣工程等處理設(shè)施。畜禽糞便已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)面源污染的主要源頭之一，也給畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。畜禽養(yǎng)殖廢棄物就像一把雙刃劍，它既會(huì)成為污染源，也可能成為優(yōu)質(zhì)的生物質(zhì)能。開(kāi)發(fā)高效的畜禽養(yǎng)殖廢棄物處理和資源化綜合利用新方式勢(shì)在必行。

讓廢棄物發(fā)酵產(chǎn)生沼氣：高密度厭氧發(fā)酵技術(shù)

記者采訪謝君教授團(tuán)隊(duì)了解到，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)目前在處理畜禽養(yǎng)殖廢棄物的第一個(gè)環(huán)節(jié)“高密度厭氧發(fā)酵”研究方面已取得顯著進(jìn)展。

厭氧發(fā)酵，是指在無(wú)氧條件下，利用厭氧發(fā)酵微生物的新陳代謝生理功能，將畜禽養(yǎng)殖廢棄物的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)能源——沼氣的過(guò)程。謝君團(tuán)隊(duì)現(xiàn)已形成的禽畜養(yǎng)殖廢棄物厭氧發(fā)酵技術(shù)工藝，即以禽畜糞便為原料，通過(guò)糞污車(chē)運(yùn)送至調(diào)配池中，禽畜尿、沖洗水等污水通過(guò)管道輸送至沉淀池，經(jīng)沉淀后的濃液由泵抽至調(diào)配池，與鮮糞便調(diào)配至發(fā)酵濃度TS在8%—10%之間，由進(jìn)料泵泵入2座CSTR厭氧發(fā)酵罐中進(jìn)行厭氧發(fā)酵，發(fā)酵溫度35℃，發(fā)酵滯留期20d。沉淀池的清液由泵排入過(guò)濾床AF發(fā)酵罐進(jìn)行沼氣發(fā)酵，沼氣產(chǎn)氣率可達(dá)1.25m3/m3.d。

生物質(zhì)甲醇的制備

甲醇(CH3OH)的能量密度很高，而且是最簡(jiǎn)單的飽和醇，具有非常高的附加值，常溫常壓下以液體狀態(tài)存在，便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸，可以作為中長(zhǎng)期儲(chǔ)能載體。甲醇在全世界基本有機(jī)原料中占據(jù)非常重要的地位，其年平均消耗量?jī)H次于乙烯、丙烯和苯，可用于醫(yī)藥、農(nóng)藥、纖維、甲酸、塑料、染料、合成蛋白質(zhì)等工業(yè)生產(chǎn)。

傳統(tǒng)的甲醇生產(chǎn)技術(shù)主要來(lái)源于不可再生的天然氣和煤。隨著世界各國(guó)人民環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，尋找一種可行方法實(shí)現(xiàn)可再生生物甲醇的合成是近幾十年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者追求的目標(biāo)。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，重點(diǎn)要從降低項(xiàng)目的固定投資成本、運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本和提高能源利用效率等方面把總成本降到最低。

從沼氣制備甲醇

生物甲醇有望作為新一代液體生物燃料進(jìn)行推廣應(yīng)用，還可用傳統(tǒng)化工、精細(xì)化學(xué)品以及新能源汽車(chē)等各領(lǐng)域。沼氣中60%左右是甲烷(CH4)，其余為二氧化碳和少量的硫化氫等。沼氣需要進(jìn)行空氣脫硫、活性炭脫硫等脫硫工藝，將硫化氫(H2S)從濃度控制在0.5ppm以下，后續(xù)進(jìn)入生物甲醇煉制過(guò)程。

謝君教授團(tuán)隊(duì)業(yè)已建立沼氣(約含60%CH4和40%CO2)全組分轉(zhuǎn)化生物甲醇的實(shí)驗(yàn)室技術(shù)，并正在進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)的設(shè)計(jì)。該團(tuán)隊(duì)率先建立了將畜禽糞便發(fā)酵所產(chǎn)生的沼氣全組分轉(zhuǎn)化合成生物甲醇的技術(shù)。首先對(duì)沼氣進(jìn)行深度脫硫(<0.5ppm)，然后加入少量水蒸氣，將甲烷和二氧化碳共轉(zhuǎn)化合成為生物甲醇。該技術(shù)明顯優(yōu)于目前國(guó)內(nèi)外報(bào)道的利用生物質(zhì)直接氣化合成甲醇或二甲醚技術(shù)。目前，正在開(kāi)發(fā)可用于日產(chǎn)沼氣2萬(wàn)立方米的生物甲醇合成裝備，該裝備可合成濃度>50%的甲醇溶液，此甲醇溶液無(wú)需進(jìn)一步精餾，可以直接作為甲醇水氫燃料電池的原料或其他化工原料。

謝君教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)的反應(yīng)器在厭氧發(fā)酵過(guò)程中對(duì)有機(jī)復(fù)合承受力強(qiáng)，反應(yīng)器效能高，容積小，占地面積小，基建成本低。

沼液沼渣的處理

沼液沼渣含有豐富的氮、磷、鉀和大量的元素外，還含有對(duì)作物生長(zhǎng)起重要作用的硼、銅、鐵、錳、鋅等微量元素。CSTR厭氧發(fā)酵后的沼渣沼液進(jìn)入緩沖池，由固液分離機(jī)分離，得到的沼渣進(jìn)入固體有機(jī)復(fù)合肥生產(chǎn)間進(jìn)行有機(jī)肥生產(chǎn)。而固液分離機(jī)分離得到的沼液進(jìn)入沼液池，與過(guò)濾床AF發(fā)酵后的沼液一同進(jìn)入液體濃縮肥生產(chǎn)車(chē)間。

沼液沼渣以就地就近用于農(nóng)用有機(jī)肥為主要使用方向，基本解決大規(guī)模畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)糞污處理和資源化問(wèn)題。沼液中有機(jī)物及磷酸鹽等被截留濃縮，制成高端葉面肥，噴灑植物葉片，更容易被植物吸收、轉(zhuǎn)化。沼渣除了含有豐富的氮、磷、鉀等大量元素外，還有對(duì)作物生長(zhǎng)起重要作用的硼、銅、鐵、錳、鋅等微量元素,尤其是腐殖酸含量很高,可達(dá)10%—24%，腐殖酸對(duì)土壤改良有重要作用。厭氧發(fā)酵后沼液沼渣進(jìn)入固液分離系統(tǒng)，所得的沼渣，經(jīng)過(guò)選定微生物的發(fā)酵、干燥、粉碎、添加制備生物有機(jī)肥料。液體濃縮肥方面，針對(duì)沼液產(chǎn)量大、處理成本高、儲(chǔ)存運(yùn)輸困難等問(wèn)題，采用超濾系統(tǒng)、多級(jí)膜處理技術(shù)、納濾系統(tǒng)對(duì)沼液進(jìn)行濃縮，濃縮液體積大大降低。沼液濃縮后便于儲(chǔ)存運(yùn)輸，也便于高效有機(jī)復(fù)合肥的制備。清液可以達(dá)到國(guó)家一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，亦可用作中水回用于養(yǎng)殖場(chǎng)沖洗用水。以5萬(wàn)頭豬養(yǎng)殖場(chǎng)為例，采用該工藝對(duì)豬糞進(jìn)行厭氧發(fā)酵，豬糞日產(chǎn)量約17噸，可實(shí)現(xiàn)日產(chǎn)沼氣5000m3、沼渣10.7噸、沼液812m3;實(shí)現(xiàn)日產(chǎn)固體有機(jī)復(fù)合肥4.88噸(含水率20%);液體濃縮肥20m3，可實(shí)現(xiàn)年銷(xiāo)售收入約1000萬(wàn)元。

生物質(zhì)甲醇的未來(lái)

謝君教授團(tuán)隊(duì)基于畜禽糞便合成生物甲醇以及聯(lián)產(chǎn)固/液體生物肥料的綜合策略不僅可以有效解決農(nóng)村生活環(huán)境、能源以及土壤面源污染問(wèn)題，而且可以為生物甲醇的開(kāi)發(fā)尋找一條新路子，具有多重重要的戰(zhàn)略意義。此外，謝君教授團(tuán)隊(duì)正在努力攻關(guān)分布式生物甲醇制備方案，讓設(shè)備變得更小，效率變得更高，成本變得更低。期望以此讓他們的技術(shù)和產(chǎn)品能走進(jìn)廣大農(nóng)村，走進(jìn)千家萬(wàn)戶，讓我國(guó)生物質(zhì)能這一巨大的“礦場(chǎng)”的利用率得到大幅度的提升，努力為實(shí)現(xiàn)環(huán)保事業(yè)和循環(huán)經(jīng)濟(jì)作出貢獻(xiàn)。