廢棄煙稈厭氧消化產甲烷工藝的研究進展*

張洪波，張 昱，張瑜瑜，沈 放，程 威，李燕萍， 張 蓉，王 潔，王 淞，夏 云

(昆明學院 農學與生命科學學院，云南 昆明 650214)

煙草作為我國的重要經濟作物之一，在我國各地被廣泛種植，每年產量約占世界總產量的43%[1]，煙草秸稈(Tobacco stalks，簡稱煙稈)是煙草生產中最大的副產品，每年煙葉采收后所剩余的大量煙稈(煙葉與煙稈的產量比為1∶1)是讓煙葉種植地區頗為頭疼的問題[2]，這些煙稈通常被丟棄于農田或被曬干燃燒，資源浪費的同時造成大氣污染[3].一方面，田間煙稈若不能得到及時清理，其腐爛降解產生的尼古丁等成分會滲入田地降低土壤肥力；煙草病菌會直接進入土壤，容易造成煙草病害蔓延而降低煙葉產量[4].有研究[5]表明烤煙黑脛病病原菌可在土壤及病株殘體中存活2～3年，烤煙猝倒病、菌核病等一些病原菌可以在土壤中存活5年以上，一旦這些病原菌侵入土壤，可能會長期影響烤煙種植；另一方面，煙稈中含有大量的木質素、纖維素和尼古丁，普通的分解細菌難以對其進行分解，因而傳統的就地還田不能使煙稈得到有效的降解[6].并且，就地焚燒還田和集中掩埋的處理方式與《“十四五”全國農業綠色發展規劃》中所提出的“推進農業綠色發展”目標背道而馳.因此如何合理、高效、環保地利用煙稈成為我國煙草種植產業當前的緊迫任務.煙稈的再利用途徑之一是用來生產比木材成本更低的煙稈纖維板，雖然煙稈纖維板在抗彎強度、內部粘結強度和表面持釘能力等方面都符合纖維板制定的標準，但是由于煙稈粉顆粒較大，用于粘合的表面積有限，易吸水溶脹，使用范圍受限[7].除此之外，由于煙稈中含有煙堿，可通過一定的技術手段提取其中的煙堿作為生產綠色食品理想的高效殺蟲劑和生物性農藥[8]；還可利用煙稈制備一些，如功能性低聚木糖[9]、高性能活性炭吸附劑[10]等高附加值的產品；Mijailovic[11]對煙稈的化學性質和熱值進行了測定，發現煙稈具有較高的熱值，可作為一種可再生能源.但部分用途在實際生產中還面臨技術的改進和高額的經濟投入.如何更經濟和有效地利用煙稈，獲得更好的經濟效益是當前的研究熱點.

劉超等[12]總結了如何利用煙稈制備活性炭、提取化學原料、造板、造紙、生產生物質燃料和生產肥料共6個方面的進展，認為在推廣煙稈資源化利用的過程中，應結合當地的實際情況和市場行情，開發出多層次、多途徑的綜合利用方式，才能促進煙稈資源化的進程；覃佐東等[13]分析了煙稈生物質的理化性質，對煙稈生物質的利用進行了分析，提出了在利用煙稈的過程中，可根據產地原料的獲取難易、可實行的工藝條件及發展需求選擇不同的利用方式進行靈活開發利用煙稈；夏鳴[14]等從可行性研究和實際工程應用方面總結了煙草廢棄物厭氧發酵產沼氣的研究進展，對預處理方法和接種物的選擇進行了對比分析，認為預處理技術的組合使用和優秀接種物中優勢菌群的篩選培育是今后實際工程應用的重要研究方向；符德龍等[15]對煙稈的肥料化、燃料化、基料化、原料化和飼料化5個方面綜合利用進行了評估，結論提出應該加大相關配套機械設備的研發和生產.婁曉平[16]等總結了田間廢棄鮮煙葉、煙葉采后秸稈、廢棄病蟲害煙株、機械損傷煙株及雹災煙株的現狀和利用方式，認為必須通過地方政府聯合社會各方力量解決煙草廢棄物綜合利用的問題，并針對煙草廢棄物不同部分的理化性質提出了不同的利用方法和處理思路，特別提出煙稈厭氧消化產生新能源的過程是最有前景的方法之一.

采用厭氧消化技術處理煙稈不僅能將煙稈中可降解的有機物轉化為清潔能源——甲烷(CH4)[17]，產生的沼渣還可作為優質有機肥[18]，既不會對環境造成負面的影響，又可充分利用農業資源.相比于其他資源化利用和無害化處理的方法，厭氧消化技術具有成本較低、設備要求簡單、運行條件易滿足、最易實現產業化等優點，是目前對廢棄煙稈進行無害化處理和資源利用的合適選擇.

本文針對煙草廢棄物組成之一的煙稈為總結對象，概括了近15年來利用厭氧消化技術對煙稈進行資源化利用的研究結果，分析了不同研究結果之間存在差異可能的原因，旨在為煙稈厭氧消化的研究提供一定的理論參考和借鑒，為積極發展該技術在實際工程中的應用提供技術支持.

1 煙堿抑制煙稈厭氧消化產氣性的研究

現有研究[19-22]對利用煙稈進行厭氧消化的可行性進行了探索.楊斌[12]曾報道過煙葉中特有的煙堿(Nicotine，尼古丁)會抑制厭氧微生物的代謝，不能作為單一原料進行厭氧消化.但相較于煙葉，煙稈中的煙堿含量一般較低[23].楊葉昆[24]報道云南煙草種植區部分煙葉的煙堿含量達到2%～5%.姚玉霞[25]比較了吉林省多個煙稈樣品的煙堿含量，發現煙稈上部的煙堿含量(質量分數，下同)大于下部，范圍在0.15%～2.0%之間.早在2009年，陳智遠[26]等采用干式發酵，探究了玉米秸稈、稻草秸稈和煙稈3種秸稈的厭氧消化產氣情況，得出煙稈的甲烷產氣量(426 mL/g VS)高于稻稈(387 mL/g VS)，但不及玉米秸稈(470 mL/g VS)，雖然沒有考慮煙稈中煙堿可能帶來的影響，但是試驗過程中并沒有發現煙堿抑制煙稈厭氧消化產氣的現象.張鴻雁[23]將煙堿以不同質量分數(0.01%，0.05%，0.10%，0.05%，1.00%，4.00%，7.00%，10.00%)添加到葡萄糖的厭氧消化中，結果表明，煙堿含量較低的環境(<4%)對葡萄糖的厭氧消化產氣性能沒有顯著影響，而較高質量分數(7.00%，10.00%)的煙堿對葡萄糖的厭氧消化有一定抑制作用，產氣量分別下降了10.9%和21.2%.該研究首次在試驗中探明了較低濃度的煙堿含量不會對厭氧消化產生抑制，同時也證明了煙稈厭氧消化是可行的.

2 煙草品種對煙稈厭氧消化產氣性的研究

研究表明煙草的品種會對煙稈的厭氧消化產生影響.由于不同品種的煙稈在物質組成上存在一定的差異，包括煙稈的C/N(碳氮比)、TS(總固體質量)、VS(可揮發性固體)、纖維素和木質素等，煙稈厭氧消化的產氣效果會直接受到影響[20，23].Li[20]研究了云煙85(TS為63.73%，VS為60.43%，木質素為11.37%)、云煙99(TS為82.87%，VS為75.01%，木質素為13.75%)、云煙114(TS為78.21%，VS為71.11%，木質素為9.05%)、貴煙2號(TS為68.48%，VS為62.24%，木質素為13.60%)4種煙稈厭氧消化產甲烷潛力，結果發現云煙114(木質素含量低于其他品種)的秸稈甲烷累積產量最高，為 130.2 mL/gVS；張鴻雁[23]研究了云煙116(TS為91.32%，VS為88.19%，木質素為14.85%)、云煙99(TS為92.51%，VS為89.76%，木質素為15.27%)和云煙85(TS為92.07%，VS為89.02%，木質素為14.88%)3個品種煙草煙稈厭氧消化產甲烷潛力，結果發現云煙116的秸稈最大累加甲烷產量為 148.0 mL/gVS，高于同試驗的另外2個品種(云煙99和云煙85).說明煙稈的木質素越低，VS/TS越高，厭氧消化產甲烷量就越多.

3 厭氧消化工藝參數對煙稈厭氧消化產氣性的研究

3.1 接種物和消化工藝類型的選擇

接種物的選擇對煙稈厭氧消化產氣性有重要影響[27].厭氧消化本質上是數百種厭氧微生物在無氧(或少氧)的環境中進行能量代謝的過程[28]，由不同的接種物造成產氣性較大差異的主要原因在于厭氧消化系統中的微生物組成和結構之間存在的差異較大.在煙稈厭氧消化的過程中，一般選擇馴化時間較長、微生物活性較強的活性污泥為接種物.在前期的研究中，接種物主要來源于沼氣站和養殖場[21，22]，也有來自于實驗室將作物秸稈與各種畜禽糞便混合進行長期馴化所得到高活性的厭氧污泥[21](見表1).不同的研究對煙稈進行消化的時間長短也不同，最長的 90 d[26]，最短的 30 d[20]，大多數在40～60 d[19，20，23，29]，這可能與煙稈的品種、接種物、工藝參數以及煙稈的不同處理方式有關[22].

表1 關于煙稈厭氧消化類型和接種物的部分研究信息對比

厭氧消化工藝類型有多種分類標準.根據TS質量分數的高低可分為：濕式厭氧消化(TS質量分數<10%)，高固體厭氧消化(10%≤TS質量分數≤20%)和干式厭氧消化(TS質量分數>20%)3種[29].根據溫度的高低分為：低溫厭氧消化(15～25 ℃)、中溫厭氧消化(30～35 ℃)和高溫厭氧消化(50～55 ℃)[21]；根據投料運行方式分為連續式、半連續式和序批式厭氧消化.由于對煙稈的厭氧消化工藝的探索還處在起始階段，還未形成規?；彤a業化，而大部分煙稈的厭氧消化工藝和消化類型基本都采用中溫濕式序批式厭氧消化(表1、表2).

3.2 預處理

預處理會直接影響煙稈厭氧消化的產氣效果，主要可分為物理預處理、化學預處理和生物預處理[23]，其中物理粉碎是煙稈預處理中最常用的手段.早期關于煙稈厭氧消化的產氣潛力研究中，都對煙稈進行物理預處理，并根據處理后的粒徑大小(最粗的為2～3 cm[26]；最細的40目(相當于 0.425 mm)[20，22])進行了產氣性比較.在工藝條件一致的前提下，粒徑越小，微生物可作用面越大，理論上厭氧反應器啟動就越快，產氣效率也越高，所以一般情況下選擇粒徑較小的煙稈粒徑進行厭氧消化處理[30，31].張鴻雁[23]將煙稈粉碎過20目篩后，又采用了不同的化學試劑對煙稈進行了處理，其中包括強氧化劑處理(堿性過氧化氫AHP)，3種堿預處理(NaOH、Ca(OH)2、KOH)，和2種酸預處理(草酸、HCl)，各處理濃度均為1.00%，3.00%，5.00%，7.00%，對比發現7.00% AHP預處理效果最佳，累積甲烷產量為 350.7 mL/g VS，是未預處理條件下產氣量(170.5 mL/g VS)的2倍多.總的來說，物理預處理有著操作簡單的優點，但也存在設備昂貴、耗能過高的問題；而化學預處理雖然試劑成本相對較低，但容易造成二次污染；與前述二者相比，生物預處理有著環境污染小成本低的優點，但還是存在處理時間長、預處理效果不顯著等問題，因此還需要進一步的研究和開發.

3.3 溫度、有機負荷和TS質量分數

溫度是影響厭氧消化的重要因素之一，溫度會影響微生物菌群的新陳代謝速率，最終改變有機物的降解速度[32].其中甲烷菌對溫度非常敏感[33]，當產甲烷菌在某溫度下被馴化后，溫度波動超過 0.6 ℃ 即會影響消化效果，溫度波動超過 1 ℃ 時產氣量將急劇降低[34].對不同營養類型的產甲烷菌而言，溫度降低導致其活性的抑制程度存在顯著差別，在20～30 ℃ 范圍內，乙酸營養型產甲烷菌對溫度脅迫表現出更好的耐受性，而在 15 ℃ 以下時，氫營養型產甲烷菌則表現出更好的耐受性.安銀敏[22]研究了不同發酵溫度(25 ℃、35 ℃、45 ℃)和物料配比對煙稈發酵特性的影響發現，相較于物料配比對煙稈發酵效果的影響，溫度對其影響更為顯著.消化溫度不同則厭氧消化特性也有所不同，一般而言，中溫(30～35 ℃)條件下微生物的活性最高，同時在消化過程中還要避免溫度波動，減少對關鍵產氣菌群的干擾[35].在升溫技術研發方面，云南師范大學最先實現了利用太陽能加熱對煙稈厭氧消化進行升溫，實現了煙稈中溫發酵，產生的沼氣又用于替代燃煤來烘烤煙葉，形成了太陽能與廢棄煙稈資源化高效利用的有機結合，促進了煙草節能生產與碳中和理念的協調發展[36].

厭氧消化系統中的有機負荷(OL)和TS質量分數相關，有機負荷可表現出厭氧消化系統中的揮發性固體在系統中的占比情況，而TS質量分數反映的是總固體在系統中的占比情況[29].張鴻雁[23]通過3D響應面法研究發現，不同煙草品種最適有機負荷不同.如，云煙116煙稈最適OL為 20.1 g VS/L；云煙85煙稈為 26.3 g VS/L；云煙99煙稈為 23.6 g VS/L.丁琨[19]以煙稈與接種物按總固體質量比4∶6配制發酵底物，研究煙稈在室溫(22 ℃)和中溫(28 ℃)條件下厭氧發酵產沼氣的情況，結果表明室溫條件下(TS質量分數9.63%)的總產氣量比中溫條件下(TS質量分數8.7%)高52%.在全國煙草種植的區域中，西南地區年平均溫度較高(12～20 ℃)，厭氧消化系統不需要人工增溫也可正常運行.大量數據[19-29]表明，選擇合適的溫度和TS質量分數是提升產氣效率的關鍵，而現有的研究中，對TS質量分數的設置比較單一，大多集中在6%[21，23]和8%[22](表2).

表2 關于煙稈厭氧消化主要工藝參數及產氣效果的部分研究信息對比

3.4 pH

厭氧消化需要在一個相對穩定的pH值范圍才能正常運行[37].pH值6.5～7.5之間是大部分產酸菌能適應的環境[38]，在6.5～8.0之間比較適合甲烷菌生長[39].如果反應中pH>8.0或pH<6.0，則產甲烷菌的生長會被抑制，會導致酸堿不平衡，對反應系統產生嚴重影響.張鴻雁[23]在試驗開始前將各處理組pH調節至6.5～7.5.丁琨[19]對2種配比后消化液的pH進行了測定，分別為7.61和7.55，均在可進行厭氧消化需要的pH值范圍內.李雪[21]將pH調節至7.0；安銀敏[22]在試驗開始時并沒有對pH值進行關注.但是，在試驗進行的第5～7 d，各處理組相繼進入停滯期，經開蓋檢查發現酵罐內pH在5.5～6.0之間，已偏離厭氧發酵適宜pH.最終通過添加NaOH粉末將發酵罐內pH值調至7.0左右.所以在厭氧消化試驗前，對反應器的pH值進行測量并調整至需要的范圍是厭氧消化反應器正常運行的基本要求和必要條件.

3.5 碳氮比

厭氧消化最適的C/N在20∶1～30∶1之間[40-42].發酵基質C/N過高或過低都不利于厭氧消化的進行，C/N過低，會導致pH過高，發生氨抑制現象[43]，抑制微生物的生長；C/N過高，氮含量不足，容易發生酸累積現象，同樣會影響甲烷的產生[44].Li[20]設置了10個C/N(5.51、17.53、16.50、17.62、17.15、18.26、23.17、24.14、23.64、24.59)對煙稈的產氣潛力進行了對比研究，研究結果發現C/N為23.17處理組的甲烷產量最大.

3.6 其他條件

有研究[45]表明外源添加劑可作為良好的催化劑促進各階段菌群的代謝.如微量元素(Fe、Cu、Zn、Co、Ni、Se、Mo等)不僅參與了合成體系中的各種微生物的能量代謝，還能激活各種酶的活性，對煙稈厭氧消化系統的穩定和產氣效率的提升都有可研究的空間[46，47].除此之外，還有一些碳基材料，比如生物炭和改良的活性炭，不僅能為厭氧微生物提供一個良好的發酵環境，其超強的吸附能力還可解決厭氧消化過程可能遇到的有機酸和氨氮導致的抑制[47，48]，再者，一些新材料(高分子碳纖維、納米金屬等)的應用研究都可以在煙稈厭氧消化中進行嘗試.

4 煙稈厭氧消化中的優勢菌群的研究進展

在煙稈的厭氧消化研究中，前期研究對各階段主要參與的優勢菌群關注較少[22，28].李雪[21]通過高通量測序發現煙稈厭氧消化過程中的優勢菌群為(基于門分類)Firmicutes(硬壁菌門)、Bacteroidetes(擬桿菌門)、Chloroflexi(綠彎菌門)、Euryarchaeota(廣古菌門)，其中Euryarchaeota中的Methanosarcina(甲烷八疊球菌屬)在產甲烷階段中占主導地位，其豐度為37.07%，是乙酸代謝產甲烷的主要菌群.

厭氧消化是復雜的連續生化過程，一般分為4個階段[49，50]，即水解階段、酸化階段、產酸階段和產甲烷階段.4個階段同時發生，微生物種群之間相互依賴并且相互制約.在水解階段[34，51]，主要參與水解的菌群主要包括Bacteroides(擬桿菌屬)、Fibrobacter(纖維桿菌屬)、Clostridium(梭菌屬)、Ruminococcus(瘤胃球菌屬)和醋弧菌屬(Acetivibrio)，它們將大分子有機物(纖維素、蛋白質、脂肪等)轉化為小分子單體物質(如可溶性糖類、氨基酸和長鏈脂肪酸等)；在酸化階段，主要參與酸化的菌群主要包括Clostridium(梭菌屬)、Butyrivibrio(丁酸弧菌屬)、嗜熱厭氧桿菌屬(Thermoanaerobacter)和大部分的芽孢乳桿菌科(Sporolactobacillaceae)，它們將小分子有機物降解為C1-C5的短鏈揮發性脂肪酸(如丁酸、丙酸、乳酸和乙酸等)、醇等；在產酸階段，主要參與產酸的菌群主要包括以下6種[52]：rod-shapedbacterium(桿狀細菌)、Thermacetogeniumphaeum(棕色嗜熱產醋菌)、Thermotogalettingae(萊廷格熱袍菌)、Syntrophaceticusschinkii(施林克乙酸互營菌)、Tepidanaerobacteracetatoxydans(溫需氣桿菌)和Clostridiumultunense(烏爾蒂納梭菌)，此階段將上一階段產物進一步轉化為乙酸、甲醇等，此階段主要靠2類微生物，一種是同型乙酸菌以H2和CO2為原料生成乙酸，同時還能代謝糖類產生乙酸；另一種是異型乙酸菌(與甲烷菌共生)以脂肪酸和醇類物質轉化為乙酸，其中甲酸和甲醇可直接被產甲烷菌利用.在產甲烷階段，按營養類型可將產甲烷菌分為3類，嗜乙酸型、嗜氫型和嗜甲基型，嗜乙酸甲烷菌會將乙酸代謝生成甲烷和CO2[53，54]，嗜氫甲烷菌將H2和CO2轉化為甲烷[55，56]，甲基營養型甲烷菌將甲酸和甲醇轉化為甲烷和水[57-59].然而，產甲烷菌對溫度高度敏感且增殖周期長，一般情況下產甲烷是有機物甲烷化過程的限速步驟，在實際研究中，可以通過調節溫度控制產甲烷的優勢菌群.產甲烷階段主要的優勢菌群如表3.

但上述4個階段處于動態的變化中，既相互依賴又相互制約.只有設置合理的工藝條件，讓4個階段的代謝達到平衡，才能發揮厭氧消化系統最佳的產氣性能，否則可能就會出現停滯期.安銀敏[22]在第5～7 d 內所有試驗處理組均進入停滯期，且停滯期持續 10 d 左右.值得注意的一點，與其他秸稈厭氧消化存在較大差異的是，煙稈厭氧消化的高峰期都出現在前3～5 d 內[19，23]，在丁琨[19]的研究中第 25 d 還出現了第2個高峰期，這可能是在第 25 d 左右，某一個產甲烷菌群的活性得到提高，成為了該厭氧消化系統的優勢菌群，導致產氣效率突增.所以明確煙稈厭氧消化過程中各階段的優勢菌群，對試驗開始前工藝參數的設定和試驗過程的調節都有重要的意義.采用熒光原位雜交[64](fluoresence in situ hybridization，FISH)技術來對厭氧消化過程中各階段的優勢菌群進行追蹤，通過對比高峰期前后產甲烷菌的豐度變化，就可得到該階段的優勢菌群，這對甲烷菌的代謝途徑的研究和如何調控特定產甲烷菌的活性來提高產氣效率都有重要的研究前景.

由于接種物和厭氧消化工藝條件多樣化，前期研究中指明的在各個階段的優勢菌群都可能存在較大差異，進一步篩選煙稈厭氧消化中產氣效率高的優勢菌群對煙稈厭氧消化的推廣具有重要意義.

5 結語與展望

厭氧消化是農業秸稈資源化利用的主要途徑之一，該方法可回收能源，生產沼肥并消滅病原菌，減輕環境危害.

目前在煙稈厭氧消化相關研究中，消化類型的選擇上基本都采用中溫濕式序批式厭氧消化.接種物宜選擇微生物活性較強的活性污泥.由于前期對于煙稈厭氧消化產甲烷工藝的研究還處于試驗階段，與實際應用階段還有一定距離，主要體現在以下幾個方面：

1)對預處理方法進行總結：化學預處理具有投入少、反應快和產氣效率高等優點，但會對環境造成二次污染；而物理預處理操作簡單，但需要較高的能耗.生物預處理則需要開發具有較高活性微生物菌劑.煙稈預處理的方法有待進一步的研究完善.

2)隨著對煙稈厭氧消化工藝條件的不斷深入研究，應加強對厭氧消化各階段過程中起主要功能的微生物的研究，提高優勢菌群的活性和豐度是未來研究的方向.

3)目前所有的研究都只是關注了煙稈發酵過程中產酸、產氣以及理化指標的變化，而發酵工藝只應用了序批式，缺少對半連續式和連續式發酵工藝的研究，應用不同發酵工藝過程研究煙稈厭氧消化是未來研究的熱點.

4)煙稈厭氧消化結束后，沼液沼渣中含有大量的有機質，是制作有機肥的良好原料.對沼液沼渣的進一步資源化利用也是未來研究的方向.

5)能源危急和生態環境保護是全人類發展所必須會面臨，也必須被解決的問題.我國對實現碳達峰、碳中和作出了重大戰略決策，對相關可持續農業在政策上做出了支持.在農業廢棄物資源化利用追求綠色發展，合理利用的大背景下，采用厭氧消化技術對煙稈進行資源化利用具有廣闊的推廣和應用前景.