【摘 要】
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作为农业生产和农产品消费大国,我国秸秆类农业废弃物的处理利用一直受到高度关注。在“双碳”目标升级为国家战略和深入打好农业农村污染治理攻坚战的背景下,针对秸秆还田温室气体和水污染物排放风险等问题,如何实现秸秆离田资源化利用成为当前的研究热点。厌氧发酵能够将生物质废弃物转化为清洁能源及可增值的沼渣,作为有机类废弃物处理的有效途径越来越受到关注。与湿法厌氧发酵相比,干法厌氧发酵因具有运行有机负荷高、不会
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作为农业生产和农产品消费大国,我国秸秆类农业废弃物的处理利用一直受到高度关注。在“双碳”目标升级为国家战略和深入打好农业农村污染治理攻坚战的背景下,针对秸秆还田温室气体和水污染物排放风险等问题,如何实现秸秆离田资源化利用成为当前的研究热点。厌氧发酵能够将生物质废弃物转化为清洁能源及可增值的沼渣,作为有机类废弃物处理的有效途径越来越受到关注。与湿法厌氧发酵相比,干法厌氧发酵因具有运行有机负荷高、不会产生二次污染等优点,已在餐厨垃圾等高含固率有机废弃物处理领域得到广泛应用。但水稻秸秆厌氧发酵过程中原料碳氮比（Carbon-Nitrogen ratios,C/N）高、木质纤维素的共价缠绕结构导致物料分解速度慢,且由于质地轻、流动性差,还会造成物料分层和表面结垢等现象,易在发酵罐内形成“死角”,均成为影响稻秸干法发酵系统整体运行效率的关键因素。为此,本研究针对稻秸干法厌氧发酵工程运行过程中存在的有机氮源不足、混合传质效果差、沼渣增值未高值化利用以及运行效益评估手段缺乏等问题,研究了序批式进料条件下稻秸干法厌氧发酵的适宜C/N和最优预处理方式,并考察了连续进出料条件下不同搅拌工艺对稻秸干法厌氧发酵的产沼规律,探索了沼渣高值化利用潜力及途径。在此基础上,通过动态分析法、生命周期评价法分别对该处理中心综合运行效益进行了综合评估。主要结论为:（1）采用一体化不锈钢发酵罐装置（5L）,通过不同猪粪添加量与稻秸共发酵的试验发现,沼气产量和质量随猪粪添加比例的减少而下降的趋势明显,尤其是C/N高于50时产气效率则会显著降低,各处理组（C/N为50、40、34和30）出料沼渣有机组分均可大幅降解,纤维素和半纤维素降解率分别达8.28～13.09%和5.19～12.81%。但C/N为50的处理组pH在第33 d仅回升到6.4,水解周期较长,产甲烷过程会受到一定程度抑制。（2）针对高C/N稻秸干法厌氧发酵发酵水解周期长的问题,通过不同黄贮预处理对发酵效率的试验结果表明,稀碱预处理（1%NaOH）后稻秸中性洗涤纤维降解率高达13.92%,高于水和沼液处理组7.36%和4.67%。稀碱和沼液（稀释2倍）预处理后的稻秸干法厌氧发酵单位挥发性固体（Volatile Solids,VS）产气量分别为406 L·kg-1和394 L·kg-1,但沼液预处理组发酵液pH回升至产甲烷的适宜范围的时间提前了 2～3 d,在工程实践中可通过沼液或稀碱的方式对稻秸进行黄贮预处理,以提高C/N 50时的稻秸干法厌氧发酵效率。（3）采用改进框型叶片机械搅拌及增加前后端气动搅拌组件的横卧推流式干法厌氧反应器（日处理量≤15 kg·d-1）,试验研究显示,在单一搅拌方式下,40 d总产气量呈现出机械搅拌＞前端气动搅拌＞全程气动搅拌的规律,单位VS产气量分别为441.9、389.3 L·kg-1和362.3 L·kg-1,运行期间未发生VFAs的积累;在3种机械和气动组合搅拌方式下,40 d产气量较单一机械搅拌模式高出了 2～8%,其中机械搅拌（4次·d-1）+前端气动搅拌（2次·d-1）的组合搅拌方式厌氧发酵效率最高,单位VS产气量为447.2 L·kg-1,说明该组合模式可有效提高厌氧发酵效率。（4）通过分析连续式中试试验获取的沼渣可知,稻秸沼渣纤维素和半纤维素降解率最高可达14.88%和15.06%,有机质含量和总养分含量分别为52.86～55.33%和2.89～3.71%,As、Hg、Pb等重金属含量低于安全限值,具有良好的高值化开发潜力。通过对沼渣的高值化利用途径研究发现,通过调节C/N后建堆发酵,经高温腐熟后烘干过筛,并添加有益微生物菌剂可制得微生物有机肥,产品相关指标能够达到有关标准要求。（5）将稻秸直接还田模式作为基准,采用动态评价和生命周期评价方法,对工艺参数优化前后的沼气工程综合运行效益进行评估。通过对稻秸预处理、搅拌工艺等优化后,沼气工程气-肥联产净收入可提高7.99%,动态回收期为9.64年;从生态环境效益的角度来看,工艺优化后更利于提高环境效益,每处理1t秸秆可减少5.60 kg CO2排放并节省能量2.21E3MJ。
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