煙草廢棄物厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的研究進展

夏鳴 汪云 孫運蘭

摘 要：為探討煙草廢棄物能源化和資源化利用方式，本文說明了近年來煙草行業(yè)利用煙草廢棄物厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣領(lǐng)域的研究進展，從可行性研究和實際工程應(yīng)用方面分別闡述了其產(chǎn)氣規(guī)律以及實際應(yīng)用價值和前景，并重點對預(yù)處理方法和接種物的選擇進行了對比分析和展望。利用煙草廢棄物厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣不僅可以為生活生產(chǎn)提供優(yōu)質(zhì)清潔的可再生能源，還可達到節(jié)能減排的目的，這對于日益嚴(yán)峻的化石能源形勢和日趨惡化的生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

關(guān)鍵詞：煙草廢棄物；厭氧發(fā)酵；沼氣；預(yù)處理；接種物

中圖分類號：S216.4 文獻標(biāo)志碼：A

0 引言

我國是煙草生產(chǎn)大國，但眼下卷煙工業(yè)原料廢棄物已成為各煙草企業(yè)的一大負(fù)擔(dān)，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，在卷煙制造加工過程會產(chǎn)生約20%～25%的煙草廢棄物，不僅占用大量場地，而且長期堆放容易發(fā)生霉變從而引起環(huán)境問題。傳統(tǒng)處置方式主要是焚燒或掩埋，僅有少量原料被用于醫(yī)藥中間體制造及農(nóng)藥生產(chǎn)等。這些粗放的處置方式不僅浪費了大量資源成本，同時還為不法分子利用劣質(zhì)煙葉原料來制造假煙提供了可乘機會。因此，如何對煙草廢棄物進行高效合理的資源化利用，已成為擺在中國煙草產(chǎn)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展面前的一項迫切而艱巨的任務(wù)。

該文闡述了近年來利用厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣工藝進行煙草廢棄物處置和利用的研究現(xiàn)狀，并對該種利用方式提出展望，旨在為研究煙草廢棄物資源化利用領(lǐng)域提供一定的理論參考和方式借鑒，并提倡積極發(fā)展該技術(shù)在煙草廢棄物處置中的實際工程應(yīng)用。

1 煙草廢棄物

1.1 煙草廢棄物的定義

煙草廢棄物主要來自收獲和加工過程，大體為兩類：一類是煙田廢棄物，包括底腳葉、煙稈以及無法加工的低等級或等外級煙葉；另一類是卷煙工業(yè)原料廢棄物，主要是指未能用于制煙（膨脹煙絲與薄片）的組成部分以及卷煙企業(yè)長期積存的煙末煙根等。

1.2 煙草廢棄物資源化利用技術(shù)的概況

不同煙草廢棄物要根據(jù)其成分的不同來決定利用方式，從實際應(yīng)用來看，目前對于煙草廢棄物的資源化利用技術(shù)主要有直接燃燒、高溫堆肥、提取有用成分、制取活性炭或纖維板、制取生物類燃料等途徑。

在卷煙加工企業(yè)中，最普遍的方式是將煙草廢棄物送至電廠進行焚燒，但易造成環(huán)境污染，也使得某些具有利用價值的成分被白白浪費。高溫堆肥需要在高溫或者有熱源的條件下進行，因此能耗較高，較難實現(xiàn)推廣應(yīng)用。從文獻看，在從煙草廢棄物提取有用成分的研究中，對提取煙堿、茄尼醇、氨基酸、植物蛋白、果膠等物質(zhì)的報道較多，這些提取物在輕工、食品、醫(yī)藥等行業(yè)中的應(yīng)用較廣泛。另外，煙草中的纖維素和碳元素含量都較高，且具有殺蟲功效，所以煙草廢棄物是制作活性炭或纖維板的良好原料。在制取生物類燃料的研究中，主要是利用發(fā)酵技術(shù)來制取乙醇、沼氣等清潔能源。

2 煙草廢棄物厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的研究

2.1 可行性研究

從本質(zhì)上來說，厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣過程其實是微生物的培養(yǎng)繁殖過程，使細(xì)菌具有良好的生活條件。為能夠合理地利用煙草廢棄物，近年來，研究生物質(zhì)能的部分高?；蚩蒲袡C構(gòu)已開始關(guān)注利用煙草廢棄物進行厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣技術(shù)的研究領(lǐng)域。

楊斌等以廢棄煙葉為發(fā)酵原料，以污水處理廠的厭氧活性污泥為接種物，采用全混合批量發(fā)酵模式進行探索性試驗。結(jié)果表明廢棄煙葉的碳氮比偏低，且含有對厭氧微生物有毒害作用的煙堿等生物堿，不能單獨用來啟動沼氣發(fā)酵；但可將其與牛糞、豬糞等農(nóng)村常見的沼氣發(fā)酵原料進行混合，從促進煙堿的厭氧降解、調(diào)節(jié)碳氮比等方面來對發(fā)酵過程進行控制，以達到提高廢棄煙葉厭氧發(fā)酵效果的目的。陳智遠(yuǎn)等將沒有經(jīng)過預(yù)處理的廢棄煙葉桿切碎至2cm～3cm后與畜禽場沼液沼渣混合，在38℃恒溫條件下進行高濃度厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣研究。發(fā)酵持續(xù)90d，累計甲烷含量達60%以上，說明煙稈是高濃度沼氣發(fā)酵的較好原料。丁琨等以烤煙秸稈與接種物的總固體質(zhì)量比為4∶6配制發(fā)酵底物，研究烤煙秸稈在不同溫度下采用厭氧發(fā)酵工藝產(chǎn)沼氣的情況。結(jié)果表明，在室溫和中溫下，產(chǎn)氣規(guī)律基本一致，都在第5天和第25天出現(xiàn)產(chǎn)氣高峰；但中溫下的沼氣總生成量比室溫下低了約50%。另外，他們還利用Cheynoweth方程建立其動力學(xué)模型，對烤煙秸稈厭氧發(fā)酵過程的兩個階段進行擬合，所建模型得出的相關(guān)系數(shù)均大于0.97，擬合所得結(jié)果與試驗真實數(shù)據(jù)非常接近，這可為烤煙秸稈利用厭氧發(fā)酵工藝產(chǎn)沼氣的實際應(yīng)用提供了理論支撐。

2.2 預(yù)處理的方式

若不經(jīng)任何處理的煙草廢棄物直接投料，會使得發(fā)酵過程中產(chǎn)甲烷菌群慢性中毒。因此，有效的預(yù)處理是保證煙草廢棄物進行正常厭氧發(fā)酵的前提，同時也是提高沼氣產(chǎn)量及發(fā)酵效率的關(guān)鍵。目前，主要的預(yù)處理方式主要有物理預(yù)處理、化學(xué)預(yù)處理和生物法預(yù)處理3種。

粉碎法是應(yīng)用最普遍的物理預(yù)處理法，但是該法不能有效地破壞原料內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)，但可以與生物法預(yù)處理或化學(xué)預(yù)處理結(jié)合使用，能有效地提高處理效果。此外，研磨預(yù)處理、蒸汽爆破預(yù)處理和超聲波預(yù)處理等也是較常見的物理預(yù)處理方式，但這些預(yù)處理方式均對設(shè)備要求高，能耗也較高，從而限制了其在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用。目前，擠壓膨化預(yù)處理的研究具備較大熱度，這是因為此法處理過程中在不消耗蒸汽的情況下能夠達到類似于蒸汽爆破預(yù)處理的效果，且連續(xù)生產(chǎn)性也較好。

在化學(xué)預(yù)處理技術(shù)中，常見的只有酸處理和堿處理。這是由于酸堿預(yù)處理能直接與物料產(chǎn)生生化反應(yīng)，去除木質(zhì)素，可有效地打開作物內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)，從而使得纖維素和半纖維素更容易被發(fā)酵微生物菌群利用，從而產(chǎn)生沼氣，但其可能造成二次污染的問題還需進一步考察和研究。

近年來，生物法預(yù)處理已經(jīng)成為研究熱點，生物法預(yù)處理的反應(yīng)較溫和，不僅對設(shè)備要求簡單，且能耗更少，更加環(huán)?？煽?。該預(yù)處理是將作物中的木質(zhì)素通過好氧微生物菌群的降解，從而使得作物更利于厭氧發(fā)酵菌群進行分解的預(yù)處理方法。但是生物法預(yù)處理也有速度偏慢、耗時較長等缺陷，因此需要尋找經(jīng)濟價值高、降解速率高的微生物菌種，并與其他預(yù)處理方法相結(jié)合，來提高預(yù)處理環(huán)節(jié)的效率和經(jīng)濟效益。

2.3 接種物的選擇

接種物實質(zhì)就是菌種，主要是指發(fā)酵過程當(dāng)中所需的含有大量微生物的厭氧活性污泥。煙草具有殺菌效應(yīng)，對許多厭氧菌有抑制作用，因此不同的厭氧菌群的消化效果是不同的，進而得到不同的產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣率。目前普遍應(yīng)用的傳統(tǒng)厭氧發(fā)酵菌群極少有適應(yīng)底物為煙草廢棄物的，雖然各種接種物的馴化工藝已經(jīng)有了長足進步，但尚未看到大規(guī)模應(yīng)用的報道。

李雪等在中溫（35℃）條件下，以玉米秸稈和牛糞為原料馴化獲得的活性污泥作為接種物對煙草秸稈進行批式試驗，結(jié)果表明甲烷含量的最高峰出現(xiàn)在第16天，24天后日產(chǎn)氣量下降到初期水平。李亞純等以烤煙廢棄鮮葉為發(fā)酵底物，分別對比了接種物為牛糞和碳銨的產(chǎn)氣周期和產(chǎn)氣率等參數(shù)。結(jié)果表明牛糞的效果更好，因為牛糞經(jīng)牛反芻后消化更充分，廢棄鮮煙葉和牛糞混合，對沼液產(chǎn)生的酸化程度較輕，從而對菌群的活性影響較小，有利于沼氣的快速產(chǎn)生。趙崧岐等研究了5種接種物對低次煙葉厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的影響，結(jié)果顯示以豬糞+人糞+沼氣池底泥+玉米芯為原料，并經(jīng)過一年培育后的接種物對低次煙葉厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣率和產(chǎn)氣量都有較為明顯的促進作用。

3 煙草廢棄物厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的利用現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)煙草行業(yè)在利用煙草廢棄物產(chǎn)沼氣的實際工程應(yīng)用還較少，現(xiàn)有的報道只見兩例。一是昆船能源環(huán)保裝備工程公司利用高溫干式厭氧發(fā)酵對煙草廢棄物進行中試研究，記錄了發(fā)酵過程中沼氣產(chǎn)量、pH值及甲烷含量等數(shù)據(jù)的動態(tài)變化。結(jié)果顯示，發(fā)酵底物的pH在7.3～7.9之間，產(chǎn)氣量為257.2m3/t，甲烷含量為50%～60%，顯示了對煙草廢棄物采用高溫干式厭氧發(fā)酵工藝產(chǎn)沼氣的良好發(fā)展?jié)摿Γ瑸橐?guī)?；凸こ袒膽?yīng)用奠定了基礎(chǔ)。另外，云南煙草紅河州公司聯(lián)合云南師范大學(xué)共建了國內(nèi)第一個沼氣替代燃煤烘烤煙葉項目。此項目充分利用太陽能輔助熱泵，實現(xiàn)了中溫發(fā)酵沼氣，用來煙葉烘烤，并形成了煙草農(nóng)業(yè)建設(shè)與新農(nóng)村相結(jié)合的生態(tài)循環(huán)經(jīng)濟新模式。

結(jié)語

該文重點探討了煙草廢棄物利用厭氧發(fā)酵技術(shù)產(chǎn)沼氣方面的研究進展和趨勢。在今后的研究中，為達到優(yōu)勢互補，預(yù)處理技術(shù)的組合使用且能應(yīng)用于實際工程應(yīng)用的預(yù)處理方法將是未來的一個主要研究方向。同時，對優(yōu)秀接種物中的優(yōu)勢菌群進行篩選和培育，也是未來實現(xiàn)實際應(yīng)用或工業(yè)化生產(chǎn)研究中的重點內(nèi)容。另外，應(yīng)不斷優(yōu)化工藝參數(shù)，如發(fā)酵溫度、酸堿度、碳氮比、干物質(zhì)濃度等，并針對這些控制參數(shù)對整個發(fā)酵效果的影響程度進行分析和評價，以尋求經(jīng)濟合理，過程理想的控制范圍。煙草企業(yè)可以和高校或研究組織加強合作，大力推廣相關(guān)技術(shù)研究成果在實際中的應(yīng)用。相信隨著不斷深入的研究，利用煙草廢棄物厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣技術(shù)將會有更廣闊的應(yīng)用前景。

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