| 标题 | 烟草废弃物厌氧发酵产沼气的研究进展 |
| 范文 | 夏鸣 汪云 孙运兰 摘 要：为探讨烟草废弃物能源化和资源化利用方式，本文说明了近年来烟草行业利用烟草废弃物厌氧发酵产沼气领域的研究进展，从可行性研究和实际工程应用方面分别阐述了其产气规律以及实际应用价值和前景，并重点对预处理方法和接种物的选择进行了对比分析和展望。利用烟草废弃物厌氧发酵产沼气不仅可以为生活生产提供优质清洁的可再生能源，还可达到节能减排的目的，这对于日益严峻的化石能源形势和日趋恶化的生态环境具有重要意义。 关键词：烟草废弃物；厌氧发酵；沼气；预处理；接种物 中图分类号：S216.4 文献标志码：A 0 引言 我国是烟草生产大国，但眼下卷烟工业原料废弃物已成为各烟草企业的一大负担，据相关数据显示，在卷烟制造加工过程会产生约20%～25%的烟草废弃物，不仅占用大量场地，而且长期堆放容易发生霉变从而引起环境问题。传统处置方式主要是焚烧或掩埋，仅有少量原料被用于医药中间体制造及农药生产等。这些粗放的处置方式不仅浪费了大量资源成本，同时还为不法分子利用劣质烟叶原料来制造假烟提供了可乘机会。因此，如何对烟草废弃物进行高效合理的资源化利用，已成为摆在中国烟草产业循环经济发展面前的一项迫切而艰巨的任务。 该文阐述了近年来利用厌氧发酵产沼气工艺进行烟草废弃物处置和利用的研究现状，并对该种利用方式提出展望，旨在为研究烟草废弃物资源化利用领域提供一定的理论参考和方式借鉴，并提倡积极发展该技术在烟草废弃物处置中的实际工程应用。 1 烟草废弃物 1.1 烟草废弃物的定义 烟草废弃物主要来自收获和加工过程，大体为两类：一类是烟田废弃物，包括底脚叶、烟秆以及无法加工的低等级或等外级烟叶；另一类是卷烟工业原料废弃物，主要是指未能用于制烟（膨胀烟丝与薄片）的组成部分以及卷烟企业长期积存的烟末烟根等。 1.2 烟草废弃物资源化利用技术的概况 不同烟草废弃物要根据其成分的不同来决定利用方式，从实际应用来看，目前对于烟草废弃物的资源化利用技术主要有直接燃烧、高温堆肥、提取有用成分、制取活性炭或纤维板、制取生物类燃料等途径。 在卷烟加工企业中，最普遍的方式是将烟草废弃物送至电厂进行焚烧，但易造成环境污染，也使得某些具有利用价值的成分被白白浪费。高温堆肥需要在高温或者有热源的条件下进行，因此能耗较高，较难实现推广应用。从文献看，在从烟草废弃物提取有用成分的研究中，对提取烟碱、茄尼醇、氨基酸、植物蛋白、果胶等物质的报道较多，这些提取物在轻工、食品、医药等行业中的应用较广泛。另外，烟草中的纤维素和碳元素含量都较高，且具有杀虫功效，所以烟草废弃物是制作活性炭或纤维板的良好原料。在制取生物类燃料的研究中，主要是利用发酵技术来制取乙醇、沼气等清洁能源。 2 烟草废弃物厌氧发酵产沼气的研究 2.1 可行性研究 从本质上来说，厌氧发酵产沼气过程其实是微生物的培养繁殖过程，使细菌具有良好的生活条件。为能够合理地利用烟草废弃物，近年来，研究生物质能的部分高校或科研机构已开始关注利用烟草废弃物进行厌氧发酵产沼气技术的研究领域。 杨斌等以废弃烟叶为发酵原料，以污水处理厂的厌氧活性污泥为接种物，采用全混合批量发酵模式进行探索性试验。结果表明废弃烟叶的碳氮比偏低，且含有对厌氧微生物有毒害作用的烟碱等生物碱，不能单独用来启动沼气发酵；但可将其与牛粪、猪粪等农村常见的沼气发酵原料进行混合，从促进烟碱的厌氧降解、调节碳氮比等方面来对发酵过程进行控制，以达到提高废弃烟叶厌氧发酵效果的目的。陈智远等将没有经过预处理的废弃烟叶杆切碎至2cm～3cm后与畜禽场沼液沼渣混合，在38℃恒温条件下进行高浓度厌氧发酵产沼气研究。发酵持续90d，累计甲烷含量达60%以上，说明烟秆是高浓度沼气发酵的较好原料。丁琨等以烤烟秸秆与接种物的总固体质量比为4∶6配制发酵底物，研究烤烟秸秆在不同温度下采用厌氧发酵工艺产沼气的情况。结果表明，在室温和中温下，产气规律基本一致，都在第5天和第25天出现产气高峰；但中温下的沼气总生成量比室温下低了约50%。另外，他们还利用Cheynoweth方程建立其动力学模型，对烤烟秸秆厌氧发酵过程的两个阶段进行拟合，所建模型得出的相关系数均大于0.97，拟合所得结果与试验真实数据非常接近，这可为烤烟秸秆利用厌氧发酵工艺产沼气的实际应用提供了理论支撑。 2.2 预处理的方式 若不經任何处理的烟草废弃物直接投料，会使得发酵过程中产甲烷菌群慢性中毒。因此，有效的预处理是保证烟草废弃物进行正常厌氧发酵的前提，同时也是提高沼气产量及发酵效率的关键。目前，主要的预处理方式主要有物理预处理、化学预处理和生物法预处理3种。 粉碎法是应用最普遍的物理预处理法，但是该法不能有效地破坏原料内部晶体结构，但可以与生物法预处理或化学预处理结合使用，能有效地提高处理效果。此外，研磨预处理、蒸汽爆破预处理和超声波预处理等也是较常见的物理预处理方式，但这些预处理方式均对设备要求高，能耗也较高，从而限制了其在实际生产中的应用。目前，挤压膨化预处理的研究具备较大热度，这是因为此法处理过程中在不消耗蒸汽的情况下能够达到类似于蒸汽爆破预处理的效果，且连续生产性也较好。 在化学预处理技术中，常见的只有酸处理和碱处理。这是由于酸碱预处理能直接与物料产生生化反应，去除木质素，可有效地打开作物内部的晶体结构，从而使得纤维素和半纤维素更容易被发酵微生物菌群利用，从而产生沼气，但其可能造成二次污染的问题还需进一步考察和研究。 近年来，生物法预处理已经成为研究热点，生物法预处理的反应较温和，不仅对设备要求简单，且能耗更少，更加环保可靠。该预处理是将作物中的木质素通过好氧微生物菌群的降解，从而使得作物更利于厌氧发酵菌群进行分解的预处理方法。但是生物法预处理也有速度偏慢、耗时较长等缺陷，因此需要寻找经济价值高、降解速率高的微生物菌种，并与其他预处理方法相结合，来提高预处理环节的效率和经济效益。 2.3 接种物的选择 接种物实质就是菌种，主要是指发酵过程当中所需的含有大量微生物的厌氧活性污泥。烟草具有杀菌效应，对许多厌氧菌有抑制作用，因此不同的厌氧菌群的消化效果是不同的，进而得到不同的产气量和产气率。目前普遍应用的传统厌氧发酵菌群极少有适应底物为烟草废弃物的，虽然各种接种物的驯化工艺已经有了长足进步，但尚未看到大规模应用的报道。 李雪等在中温（35℃）条件下，以玉米秸秆和牛粪为原料驯化获得的活性污泥作为接种物对烟草秸秆进行批式试验，结果表明甲烷含量的最高峰出现在第16天，24天后日产气量下降到初期水平。李亚纯等以烤烟废弃鲜叶为发酵底物，分别对比了接种物为牛粪和碳铵的产气周期和产气率等参数。结果表明牛粪的效果更好，因为牛粪经牛反刍后消化更充分，废弃鲜烟叶和牛粪混合，对沼液产生的酸化程度较轻，从而对菌群的活性影响较小，有利于沼气的快速产生。赵崧岐等研究了5种接种物对低次烟叶厌氧发酵产沼气的影响，结果显示以猪粪+人粪+沼气池底泥+玉米芯为原料，并经过一年培育后的接种物对低次烟叶厌氧发酵的产气率和产气量都有较为明显的促进作用。 3 烟草废弃物厌氧发酵产沼气的利用现状 目前，国内烟草行业在利用烟草废弃物产沼气的实际工程应用还较少，现有的报道只见两例。一是昆船能源环保装备工程公司利用高温干式厌氧发酵对烟草废弃物进行中试研究，记录了发酵过程中沼气产量、pH值及甲烷含量等数据的动态变化。结果显示，发酵底物的pH在7.3～7.9之间，产气量为257.2m3/t，甲烷含量为50%～60%，显示了对烟草废弃物采用高温干式厌氧发酵工艺产沼气的良好发展潜力，为规模化和工程化的应用奠定了基础。另外，云南烟草红河州公司联合云南师范大学共建了国内第一个沼气替代燃煤烘烤烟叶项目。此项目充分利用太阳能辅助热泵，实现了中温发酵沼气，用来烟叶烘烤，并形成了烟草农业建设与新农村相结合的生态循环经济新模式。 结语 该文重点探讨了烟草废弃物利用厌氧发酵技术产沼气方面的研究进展和趋势。在今后的研究中，为达到优势互补，预处理技术的组合使用且能应用于实际工程应用的预处理方法将是未来的一个主要研究方向。同时，对优秀接种物中的优势菌群进行筛选和培育，也是未来实现实际应用或工业化生产研究中的重点内容。另外，应不斷优化工艺参数，如发酵温度、酸碱度、碳氮比、干物质浓度等，并针对这些控制参数对整个发酵效果的影响程度进行分析和评价，以寻求经济合理，过程理想的控制范围。烟草企业可以和高校或研究组织加强合作，大力推广相关技术研究成果在实际中的应用。相信随着不断深入的研究，利用烟草废弃物厌氧发酵产沼气技术将会有更广阔的应用前景。 参考文献 [1]杨斌，李彦，张无敌，等.废弃烟叶厌氧消化的实验探索[J].云南师范大学学报，2012，32（3）：28-33. [2]陈智远，姚建刚.秸秆厌氧干发酵产沼气的研究[J].农业工程技术，2009（10）：24-26. [3]丁琨，田光亮，苏有勇，等.烤烟秸秆厌氧发酵产沼气的动力学研究[J].农机化研究，2013（2）：217-220. [4]李雪，张欣，葛长明，等.不同秸秆厌氧发酵产沼气潜力研究[J].江苏农业科学，2016，44（6）：496-499. [5]李亚纯，朱红根，彭桃军，等.烤烟废弃鲜叶作为沼气发酵原料的适用性研究[J].湖南农业科学，2014（17）：45-52. [6]赵崧岐，宋洪川，高旭红，等.不同接种物对低次烟叶厌氧消化产沼气的影响[J].安徽农业科学，2015，43（22）：191-192. [7]唐蓉.烟草废弃物高温干式厌氧发酵的中试研究[C].中国农业工程学会2011年学术年会，2011：352. [8]云南省烟草公司红河州公司.走烟草农业可持续发展的道路—红河州弥勒现代烟农业循环经济沼气烤烟示范项目简介[J].云南科技管理，2010（5）：155. |
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