变废为宝 大自然中的甲醇经济

　　“十二五”期末我国的生物质能源总量有4.6亿吨标准煤，而只开发利用了2200万吨，只占了不到二十分之一。诺奖获得者乔治·奥拉所说的“甲醇经济”中一个重要观点，就是甲醇的制备可以来自生物质。生物质能可否高效地转化为便于存储和运输的甲醇，从而大大提高生物质能的利用价值？目前技术成熟度怎么样？离成功实现还有多久？产业化时间还需要多长？反应器的效能、容积大小、承受力、建设成本等方面是攻关的重点。记者带着一大堆问题，采访了华南农业大学新能源与新材料研究所所长、广东省高校生物质能源重点实验室主任、农业部能源植物资源与利用重点实验室主任、博士研究生导师谢君教授。

　　生物质能中的一把双刃剑

　　环境污染和能源短缺是本世纪的两大主题,开发绿色的环境治理及可再生能源生产的技术迫在眉睫。据统计，我国规模化畜禽养殖每年产生粪便38亿吨（若完全转化成沼气相当于1.62亿吨标准煤），其中仅有15%配备了沼气工程等处理设施。畜禽粪便已经成为农业面源污染的主要源头之一，也给畜牧业可持续发展带来了严峻挑战。畜禽养殖废弃物就像一把双刃剑，它既会成为污染源，也可能成为优质的生物质能。开发高效的畜禽养殖废弃物处理和资源化综合利用新方式势在必行。

　　让废弃物发酵产生沼气：高密度厌氧发酵技术

　　记者采访谢君教授团队了解到，华南农业大学目前在处理畜禽养殖废弃物的第一个环节“高密度厌氧发酵”研究方面已取得显著进展。

　　厌氧发酵，是指在无氧条件下，利用厌氧发酵微生物的新陈代谢生理功能，将畜禽养殖废弃物的有机物转化为生物质能源——沼气的过程。谢君团队现已形成的禽畜养殖废弃物厌氧发酵技术工艺，即以禽畜粪便为原料，通过粪污车运送至调配池中，禽畜尿、冲洗水等污水通过管道输送至沉淀池，经沉淀后的浓液由泵抽至调配池，与鲜粪便调配至发酵浓度TS在8%—10%之间，由进料泵泵入2座CSTR厌氧发酵罐中进行厌氧发酵，发酵温度35℃，发酵滞留期20d。沉淀池的清液由泵排入过滤床AF发酵罐进行沼气发酵，沼气产气率可达1.25m3/m3.d。

　　生物质甲醇的制备

　　甲醇（CH3OH）的能量密度很高，而且是最简单的饱和醇，具有非常高的附加值，常温常压下以液体状态存在，便于储存和运输，可以作为中长期储能载体。甲醇在全世界基本有机原料中占据非常重要的地位，其年平均消耗量仅次于乙烯、丙烯和苯，可用于医药、农药、纤维、甲酸、塑料、染料、合成蛋白质等工业生产。

　　传统的甲醇生产技术主要来源于不可再生的天然气和煤。随着世界各国人民环保意识的增强，寻找一种可行方法实现可再生生物甲醇的合成是近几十年来国内外学者追求的目标。在实际运行过程中，重点要从降低项目的固定投资成本、运营维护成本和提高能源利用效率等方面把总成本降到最低。

　　从沼气制备甲醇

　　生物甲醇有望作为新一代液体生物燃料进行推广应用，还可用传统化工、精细化学品以及新能源汽车等各领域。沼气中60%左右是甲烷（CH4），其余为二氧化碳和少量的硫化氢等。沼气需要进行空气脱硫、活性炭脱硫等脱硫工艺，将硫化氢（H2S）从浓度控制在0.5ppm以下，后续进入生物甲醇炼制过程。

　　谢君教授团队业已建立沼气（约含60%CH4和40%CO2）全组分转化生物甲醇的实验室技术，并正在进行工业化生产的设计。该团队率先建立了将畜禽粪便发酵所产生的沼气全组分转化合成生物甲醇的技术。首先对沼气进行深度脱硫（<0.5ppm），然后加入少量水蒸气，将甲烷和二氧化碳共转化合成为生物甲醇。该技术明显优于目前国内外报道的利用生物质直接气化合成甲醇或二甲醚技术。目前，正在开发可用于日产沼气2万立方米的生物甲醇合成装备，该装备可合成浓度>50%的甲醇溶液，此甲醇溶液无需进一步精馏，可以直接作为甲醇水氢燃料电池的原料或其他化工原料。

　　谢君教授团队研发的反应器在厌氧发酵过程中对有机复合承受力强，反应器效能高，容积小，占地面积小，基建成本低。

　　沼液沼渣的处理

　　沼液沼渣含有丰富的氮、磷、钾和大量的元素外，还含有对作物生长起重要作用的硼、铜、铁、锰、锌等微量元素。CSTR厌氧发酵后的沼渣沼液进入缓冲池，由固液分离机分离，得到的沼渣进入固体有机复合肥生产间进行有机肥生产。而固液分离机分离得到的沼液进入沼液池，与过滤床AF发酵后的沼液一同进入液体浓缩肥生产车间。

　　沼液沼渣以就地就近用于农用有机肥为主要使用方向，基本解决大规模畜禽养殖场粪污处理和资源化问题。沼液中有机物及磷酸盐等被截留浓缩，制成高端叶面肥，喷洒植物叶片，更容易被植物吸收、转化。沼渣除了含有丰富的氮、磷、钾等大量元素外，还有对作物生长起重要作用的硼、铜、铁、锰、锌等微量元素,尤其是腐殖酸含量很高,可达10%—24%，腐殖酸对土壤改良有重要作用。厌氧发酵后沼液沼渣进入固液分离系统，所得的沼渣，经过选定微生物的发酵、干燥、粉碎、添加制备生物有机肥料。液体浓缩肥方面，针对沼液产量大、处理成本高、储存运输困难等问题，采用超滤系统、多级膜处理技术、纳滤系统对沼液进行浓缩，浓缩液体积大大降低。沼液浓缩后便于储存运输，也便于高效有机复合肥的制备。清液可以达到国家一级排放标准，亦可用作中水回用于养殖场冲洗用水。以5万头猪养殖场为例，采用该工艺对猪粪进行厌氧发酵，猪粪日产量约17吨，可实现日产沼气5000m3、沼渣10.7吨、沼液812m3；实现日产固体有机复合肥4.88吨（含水率20%）；液体浓缩肥20m3，可实现年销售收入约1000万元。

　　生物质甲醇的未来

　　谢君教授团队基于畜禽粪便合成生物甲醇以及联产固/液体生物肥料的综合策略不仅可以有效解决农村生活环境、能源以及土壤面源污染问题，而且可以为生物甲醇的开发寻找一条新路子，具有多重重要的战略意义。此外，谢君教授团队正在努力攻关分布式生物甲醇制备方案，让设备变得更小，效率变得更高，成本变得更低。期望以此让他们的技术和产品能走进广大农村，走进千家万户，让我国生物质能这一巨大的“矿场”的利用率得到大幅度的提升，努力为实现环保事业和循环经济作出贡献。