沼氣發(fā)酵原料研究*

李家琪，張 勝，董秀婷，陳 薇

（中南林業(yè)科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410004）

沼氣發(fā)酵原料研究*

李家琪，張 勝※，董秀婷，陳 薇

（中南林業(yè)科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410004）

沼氣發(fā)酵是國(guó)內(nèi)外生物質(zhì)能源研究的熱點(diǎn)，沼氣發(fā)酵原料是沼氣發(fā)酵過(guò)程的關(guān)鍵影響因素。文章主要介紹國(guó)內(nèi)外沼氣發(fā)酵原料的相關(guān)研究，將沼氣發(fā)酵原料分為植物類發(fā)酵源、動(dòng)物糞便類發(fā)酵源、有機(jī)污水類發(fā)酵源和混合型發(fā)酵源四大類，并指出動(dòng)物糞便類原料的大規(guī)模集中處理和沼氣發(fā)酵原料整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級(jí)將成為我國(guó)未來(lái)沼氣發(fā)酵原料的發(fā)展方向，對(duì)沼氣工程的建設(shè)與發(fā)展具有重要的實(shí)際意義。

沼氣發(fā)酵原料 分類 發(fā)展前景

沼氣是一種可再生的生物質(zhì)氣體燃料，在石化資源日益枯竭的當(dāng)今，高效利用生物質(zhì)轉(zhuǎn)化獲得清潔沼氣已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。沼氣發(fā)酵原料是沼氣發(fā)酵過(guò)程的關(guān)鍵影響因素。目前，沼氣發(fā)酵原料種類繁多，來(lái)源甚廣，各有特點(diǎn)。經(jīng)研究分析國(guó)內(nèi)外大量相關(guān)文獻(xiàn)，文章將其分為植物類發(fā)酵源、動(dòng)物糞便類發(fā)酵源、有機(jī)污水類發(fā)酵源和混合型發(fā)酵源四大類，并指出沼氣發(fā)酵原料的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)沼氣發(fā)酵的實(shí)際應(yīng)用有著重要價(jià)值。

1 植物類發(fā)酵源

植物類發(fā)酵原料包括作物秸稈、植物廢葉、農(nóng)林產(chǎn)品加工廢料、水生植物等。不同地區(qū)可用作發(fā)酵原料的植物種類不同，取決于當(dāng)?shù)刂脖环植碱愋?、所種植的作物類型及經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)特點(diǎn)。

1.1 作物秸稈

作物秸稈包括以糧食作物為主的農(nóng)作物秸稈和以花卉、蔬菜為主的經(jīng)濟(jì)作物的秸稈。絕大多數(shù)的作物秸稈含有大量的粗纖維和多種微量元素，可進(jìn)行厭氧沼氣發(fā)酵研究。

玉米、水稻、小麥等農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量較多，是作物秸稈發(fā)酵的主要研究對(duì)象。郭萃萍[1]研究了干稻稈發(fā)酵制沼氣的具體參數(shù)和工藝條件，對(duì)干稻稈發(fā)酵的各影響因素進(jìn)行正交試驗(yàn)，優(yōu)化處理正交實(shí)驗(yàn)的參數(shù)，得到了干稻稈發(fā)酵的最適條件。在以花卉產(chǎn)業(yè)為特色經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)的地區(qū)，大面積種植花卉的同時(shí)，面臨著如何合理而有效地處理廢棄秸稈的關(guān)鍵問題。

經(jīng)濟(jì)作物秸稈種類豐富，因地而異。楊紅等[2]研究了玫瑰秸稈產(chǎn)沼氣潛力表示，在一定條件下，玫瑰秸稈相對(duì)于其它植物性原料發(fā)酵具有優(yōu)越性。當(dāng)?shù)卮笮王r花種植基地提供了充足的發(fā)酵原料。此外，沼渣可作為養(yǎng)料提供給種植基地，且具較高肥效，可實(shí)現(xiàn)能源的循環(huán)再利用。

研究表明，秸稈沼氣發(fā)酵具有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ涫占嬖诩竟?jié)性制約，不易降解?，F(xiàn)階段，以作物秸稈作為發(fā)酵原料的工藝處于瓶頸期，利用率較低，仍需深入研究。

1.2 植物廢葉

植物廢葉包括雜草、樹葉、菜葉等葉類。植物廢葉含纖維素、半纖維素等糖類，具有沼氣發(fā)酵的利用潛力，但常作垃圾處理，關(guān)注度低。隨著生物質(zhì)能源觀念和可持續(xù)發(fā)展理念深入人心，現(xiàn)階段對(duì)植物廢葉用于沼氣發(fā)酵的研究報(bào)道逐漸增加。

雜草對(duì)農(nóng)業(yè)種植和城鄉(xiāng)景觀有不利影響，經(jīng)常除去而不加以利用，以雜草進(jìn)行沼氣發(fā)酵，對(duì)雜草綜合利用有指導(dǎo)性意義。劉靜輝等[3]將野艾蒿作為發(fā)酵原料，開展批量式厭氧發(fā)酵研究表明，以野艾蒿為原料進(jìn)行沼氣發(fā)酵，效果良好。

當(dāng)某地區(qū)遭受植物入侵時(shí)，如何合理地處理入侵的植物往往成為關(guān)鍵。李榮峰等[4]以常見的6種外來(lái)入侵植物為主要發(fā)酵原料，進(jìn)行了制備沼氣的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，所研究的植物原料皆可產(chǎn)生沼氣。其中，車前草的發(fā)酵效果最佳。當(dāng)入侵植物數(shù)量足夠大、發(fā)酵產(chǎn)氣性能滿足一般要求時(shí)，通過(guò)沼氣發(fā)酵處理不失為一種方法。

另外，廢棄的樹葉、菜葉、茶葉等葉類也可以用以沼氣發(fā)酵。李亞純等[5]研究指出，可以將烤煙廢棄鮮葉作為原料發(fā)酵產(chǎn)沼氣。

1.3 農(nóng)林產(chǎn)品加工廢料

農(nóng)林產(chǎn)品加工廢料是指，在以農(nóng)林產(chǎn)品為原料進(jìn)行加工過(guò)程中，未被利用的殘品、殘?jiān)Ｓ辔锏?。?dāng)農(nóng)林產(chǎn)品加工工業(yè)發(fā)展至一定規(guī)模時(shí)，廢料的合理處理成為一個(gè)難題。通過(guò)沼氣發(fā)酵可實(shí)現(xiàn)廢料資源化，提高經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)保效益。

農(nóng)林產(chǎn)品加工時(shí)的殘品可以用作發(fā)酵原料。劉偉偉等[6]研究了腐爛、病害梨、蘋果的沼氣發(fā)酵，實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，腐爛、病害蘋果、梨均可作為良好的沼氣發(fā)酵原料。

水果種植業(yè)中除秸稈可以發(fā)酵產(chǎn)氣外，果皮也可通過(guò)沼氣實(shí)現(xiàn)無(wú)廢物處理。朱海春等[7]探究了以香蕉皮為沼氣發(fā)酵原料的沼氣發(fā)酵工藝，結(jié)果表明，在平均溫度為23.3℃的條件下，成熟香蕉皮的總固體殘?jiān)═S）產(chǎn)氣潛力為752.16 ml/g，揮發(fā)性固體殘?jiān)╒S）產(chǎn)氣潛力為

975.05 ml/g，產(chǎn)沼氣性能優(yōu)良。

此外，以殘?jiān)鼜U料為原料，省去了原料粉碎的步驟，更易被菌群分解。白娜等[8]對(duì)茶渣發(fā)酵潛力進(jìn)行了研究指出，茶渣的沼氣發(fā)酵性能良好。

1.4 水生植物

我國(guó)的海洋資源、水產(chǎn)資源豐富。目前，從海洋生物中制乙醇、生物柴油已有研究，但用于沼氣發(fā)酵的研究較少。由于環(huán)境保護(hù)的需求，相關(guān)研究主要集中于水域環(huán)境破壞性水生植物、藻類的沼氣發(fā)酵，如水葫蘆、水花生、藍(lán)藻[9]。

鐘祥榮[10]研究了水葫蘆的厭氧發(fā)酵性能，并提出了漓江流域水葫蘆治理的新方案，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表示，水葫蘆干物質(zhì)的產(chǎn)沼氣量為0.4 m3/kg。高春燕等[11]研究了大型海藻發(fā)酵生產(chǎn)甲烷技術(shù)指出，海藻可作為一種新的發(fā)酵沼氣原料，但在相關(guān)工藝上缺乏深入研究。近幾年，部分區(qū)域水體出現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化，藻類數(shù)量呈爆炸性增長(zhǎng)，利用藻類等水生植物為原料制備沼氣，可“化險(xiǎn)為夷”，實(shí)現(xiàn)藻類的高效處理和水體環(huán)境的有效整治。

通過(guò)研究表明，以水生植物為沼氣發(fā)酵原料具有可行性，其缺點(diǎn)在于原料含水量過(guò)高，預(yù)處理過(guò)程耗時(shí)、耗力，且未經(jīng)中試放大研究，實(shí)際應(yīng)用效果未知。

2 動(dòng)物糞便類發(fā)酵源

動(dòng)物糞便主要指人畜家禽糞便，是現(xiàn)階段我國(guó)農(nóng)村沼氣發(fā)酵的主要原料[12]。隨著城鎮(zhèn)化發(fā)展，養(yǎng)殖業(yè)逐漸大規(guī)模集約化，這為沼氣集中發(fā)酵提供了充足的動(dòng)物糞便，使得大型沼氣發(fā)酵工程的發(fā)展建設(shè)成為可能。

宋立等[13]對(duì)6種家畜家禽糞便的產(chǎn)沼氣潛力進(jìn)行了對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，在中溫發(fā)酵條件下，各種原料總固體產(chǎn)氣率的順序大小為：兔糞＜羊糞＜牛糞＜豬糞＜鴨糞＜雞糞，但豬糞產(chǎn)量最大。因此，綜合考慮，常使用豬糞做沼氣發(fā)酵原料。吉喜燕等[14]研究了鴿糞為沼氣發(fā)酵原料時(shí)的產(chǎn)氣效果，實(shí)驗(yàn)表明，鴿糞是一種具有較好發(fā)酵性能的沼氣原料，單位產(chǎn)沼氣量略高于其他家畜糞便原料。

動(dòng)物糞便經(jīng)厭氧發(fā)酵后，除了可以產(chǎn)生清潔、高效、可再生的沼氣，其沼渣還可用作肥料，且發(fā)酵過(guò)程避免了碳、氮的流失逸散，因此，與原糞便相比其沼渣的肥力更佳[15]，可提供農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程所需的養(yǎng)分，形成廢料的能源化循環(huán)利用。

不容忽視的問題是，隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)的深入和居民收入水平的普遍提高，養(yǎng)殖業(yè)逐漸由分散經(jīng)營(yíng)向集中經(jīng)營(yíng)轉(zhuǎn)型，農(nóng)村普通養(yǎng)殖戶的數(shù)量減少，這將造成農(nóng)戶用動(dòng)物糞便類沼氣發(fā)酵原料的不足，而依靠于大規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)的集中產(chǎn)沼氣仍具有一定的發(fā)展前景。

3 有機(jī)污水類發(fā)酵源

有機(jī)污水主要包括工業(yè)有機(jī)污水、養(yǎng)殖業(yè)污水、城鄉(xiāng)生活污水，可用于沼氣發(fā)酵的主要是易于生物降解的、有害物質(zhì)較少的、有機(jī)污染物濃度較高的有機(jī)污水，其來(lái)源有以農(nóng)牧產(chǎn)品為原料的工業(yè)污水、城市生活污水和餐余廢水等。

3.1 有機(jī)污水產(chǎn)沼氣現(xiàn)狀

隨著環(huán)保形勢(shì)的日益嚴(yán)峻，有機(jī)污水的高效處理問題越發(fā)的引人注目，而通過(guò)生物厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣是一種重要資源化處理方式。翁新春等[16]對(duì)比分析了食品工業(yè)污水處理中的厭氧生物處理工藝與好氧生物處理工藝指出，厭氧生物處理具有多方面的優(yōu)勢(shì)，是一種節(jié)能型污水處理工藝，將成為食品工業(yè)污水處理的主流方向。Periyasamy Elaiyaraju等[17]人發(fā)現(xiàn)西米加工污水經(jīng)厭氧發(fā)酵可以生產(chǎn)沼氣，單位體積污水的一級(jí)產(chǎn)氣量可達(dá)3 393 ml。同時(shí)，可以有效降低有機(jī)污水對(duì)環(huán)境的污染。

鄭超[18]研究了纖維乙醇的沼氣發(fā)酵工藝，并探究了微量金屬離子對(duì)厭氧發(fā)酵過(guò)程的影響，探索出了一條高效的纖維乙醇污水資源化處理途徑。李淑蘭[19]等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了木材加工污水沼氣化處理是行之有效的。廖家林[20]在餐余廢水的厭氧發(fā)酵的基礎(chǔ)上，研究了油脂對(duì)產(chǎn)氣性能的影響，實(shí)驗(yàn)指出，廢水中適量的油脂可以提高沼氣中甲烷含量。

3.2 有機(jī)污水源沼氣的利用

人們開發(fā)了多種有機(jī)污水發(fā)酵沼氣的利用方式，主要用于發(fā)電、燃料。Ivan Felipe Silva dos Santos等[21]人分析了巴西污水處理廠厭氧產(chǎn)沼氣的可行性和市場(chǎng)潛力指出，隨著污水聯(lián)合農(nóng)林廢棄物厭氧發(fā)酵產(chǎn)生沼氣量的進(jìn)一步提高，沼氣發(fā)電工業(yè)具有一定的市場(chǎng)潛力。郭悅嬌[22]等人研究分析了高濃度有機(jī)污水處理領(lǐng)域的 CDM項(xiàng)目，此項(xiàng)目是由某釀酒廠產(chǎn)出的污水，通過(guò)厭氧發(fā)酵制得沼氣發(fā)電的效能，提高經(jīng)濟(jì)價(jià)值，減少溫室氣體對(duì)環(huán)境的污染。

南寧市安寧淀粉有限責(zé)任公司[23]將木薯淀粉和酒精高濃度有機(jī)廢水作為原料生產(chǎn)沼氣，將其純化為天然氣，并將其大規(guī)模應(yīng)用于出租車興業(yè)，解決了燃?xì)夂透邼舛扔袡C(jī)污水的處理問題。

利用沼氣的厭氧發(fā)酵，綜合利用高有機(jī)物含量的城市污水或工業(yè)污水，是污水處理的一種途徑[24]。集中回收污水中所含的溫室氣體，一方面可減輕由污水引起的溫室效應(yīng)，使污水清潔化；另一方面可實(shí)現(xiàn)污水中的有機(jī)物的循環(huán)利用，使污水能源化，有機(jī)污水生產(chǎn)沼氣是未來(lái)沼氣發(fā)酵的希望。

4 混合型發(fā)酵源

混合型發(fā)酵原料是指，經(jīng)一定工藝技術(shù)將2種或2種以上的原料充分混合所得的沼氣發(fā)酵原料，一般是將農(nóng)作物秸稈和人畜家禽糞便混合。在我國(guó)，采用混合型原料進(jìn)行聯(lián)合發(fā)酵是農(nóng)村沼氣發(fā)酵的特點(diǎn)之一。實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)原料的組分的特點(diǎn)，選擇科學(xué)、合理、適宜的配比。

王金利等[25]研究了甘蔗葉干法厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣過(guò)程，采用草糞混合型發(fā)酵原料，以及甘蔗葉經(jīng)堆漚與新鮮豬糞混合，在接種量為30%，草糞比為1∶1，發(fā)酵溫度為35℃的條件下，得到較好的發(fā)酵效率。Shungang Wan等[26]研究了以餐余垃圾和芒草為混合沼氣發(fā)酵原料的工藝技術(shù)發(fā)現(xiàn)，該混合原料經(jīng)45 d分解發(fā)酵，平均產(chǎn)氣量為429.3 L/kg，甲烷含量約為60%。趙云飛等[27]研究了餐余垃圾與污泥固體的聯(lián)合產(chǎn)氣特性發(fā)現(xiàn)，隨著混合底物中污泥所占比例的增加，沼氣中甲烷含量也隨之增加；另一方面，亦可以緩解 VFAs 抑制作用。

與單一組分原料的沼氣發(fā)酵相比，混合發(fā)酵具有易分解、效率高、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)[28]。其應(yīng)用將隨著沼氣發(fā)酵研究的深入而不斷擴(kuò)大。

5 總結(jié)與展望

利用生物質(zhì)進(jìn)行沼氣發(fā)酵。一方面，可以代替部分石化能源，緩解能源壓力；另一方面，通過(guò)廢棄資源的合理利用，為環(huán)境凈化提供了良好的整治方案，可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)剩余物資源化、能源化、無(wú)害化。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段的沼氣發(fā)酵原料主要分為植物類發(fā)酵源、動(dòng)物糞便類發(fā)酵源、有機(jī)污水類發(fā)酵源和混合型發(fā)酵源等四大類，具有種類豐富、分布廣泛、廉價(jià)易得的特點(diǎn)。植物類發(fā)酵來(lái)源甚廣，但存在難以降解的問題。動(dòng)物糞便類發(fā)酵源產(chǎn)氣效果優(yōu)良，但傳統(tǒng)飼養(yǎng)業(yè)開始向規(guī)模化飼養(yǎng)轉(zhuǎn)型，沼氣產(chǎn)業(yè)也趨于集中化、規(guī)?；?，普通農(nóng)戶的沼氣原料會(huì)受到限制。目前，我國(guó)有機(jī)污水產(chǎn)沼氣的探索尚處于初級(jí)階段，對(duì)環(huán)境保護(hù)的重要實(shí)際意義將推動(dòng)該領(lǐng)域不斷的深入研究。在各原料配比有良好控制的條件下，混合型發(fā)酵源的產(chǎn)氣質(zhì)量較高，優(yōu)勢(shì)明顯。

“十三五”時(shí)期，我國(guó)將加大生態(tài)文明建設(shè)，在沼氣工業(yè)的開發(fā)過(guò)程中，挑戰(zhàn)與機(jī)遇并存。沼氣原料方面，由于動(dòng)物糞便類發(fā)酵源材料將逐漸受限，未來(lái)沼氣發(fā)酵原料或向秸稈類發(fā)酵源和有機(jī)污水類發(fā)酵源發(fā)展，但受到相關(guān)技術(shù)的制約，在未來(lái)的一定時(shí)間內(nèi)，主要的沼氣發(fā)酵原料將會(huì)成為動(dòng)物糞便與其它原料的混合型原料。一方面，未來(lái)可依托大型養(yǎng)殖場(chǎng)建設(shè)大規(guī)模的沼氣產(chǎn)業(yè)，集中利用動(dòng)物糞便產(chǎn)沼氣；另一方面，大力開發(fā)沼氣原料降解利用的關(guān)鍵技術(shù)，逐步擺脫對(duì)動(dòng)物糞便類發(fā)酵源的過(guò)度依賴，實(shí)現(xiàn)沼氣原料整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級(jí)，是我國(guó)沼氣發(fā)酵原料的未來(lái)發(fā)展方向。

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※張勝為通訊作者，gingshen123@126.com

中南林業(yè)科技大學(xué)“十二五”專業(yè)綜合改革研究項(xiàng)目（20126401）