廢棄花卉秸稈厭氧消化生產(chǎn)沼氣的研究進展

李秋敏　楊洋　廖承菌　褚素珍

摘要 ? ?本文針對廢棄花卉秸稈厭氧消化生產(chǎn)沼氣的研究及應(yīng)用情況以及應(yīng)用過程中存在的問題及對策等方面進行了闡述，以探討廢棄花卉秸稈厭氧消化生產(chǎn)沼氣的可行性和工程應(yīng)用前景。廢棄花卉秸稈作為優(yōu)質(zhì)的沼氣發(fā)酵原料，具有較大的開發(fā)利用價值，其沼氣化利用在未來將是一個重要利用方式。

關(guān)鍵詞 ? ?廢棄花卉秸稈;厭氧消化;沼氣

中圖分類號 ? ?S216.4 ? ? ? ?文獻標識碼 ? ?A

文章編號 ? 1007-5739（2019）13-0160-03 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）

Research ?Advances ?on ?Biogas ?Productionby ?Anaerobic ?Digestion ?of ?Discarded ?Flower ?Straw

LI Qiu-min ? ?YANG Yang ? ?LIAO Cheng-jun ? ?CHU Su-zhen

（Yunnan Agricultural Vocational and Technical College，Kunming Yunnan 650220）

Abstract ? ?This paper expounded the research and application of biogas production by anaerobic digestion of discarded flower straw，the problems and countermeasures in the application process，to explore the feasibility and engineering application prospects of anaerobic digestion of discarded flower straw for biogas production.As a high-quality biogas fermentation raw material，flower straw has great development and utilization value，and its biogas utilization will be an important utilization method in the future.

Key words ? ?discarded flower straw;anaerobic digestion;biogas

花卉行業(yè)是一個新興產(chǎn)業(yè)，花卉在很多工業(yè)中都有應(yīng)用，如香水、化妝品、食品、酒類和紡織工業(yè)等[1]。隨著生活水平的提高，花卉的需求量也逐漸增加，在大力開拓花卉種植面積、促進花卉產(chǎn)業(yè)繁榮發(fā)展的同時，清潔有效地進行花卉廢棄秸稈的處理已成為了花卉種植和銷售市場所面臨的關(guān)鍵問題。目前廢棄花卉秸稈的利用主要是粉碎、覆蓋還田或簡單堆漚后還田[2]，大量的秸稈直接堆漚使用或還田存在污染環(huán)境、利用率低、肥效差等問題，而將農(nóng)業(yè)廢棄物通過厭氧消化進行沼氣化利用除了可用作生活生產(chǎn)用能以及農(nóng)副產(chǎn)品加工外，發(fā)酵殘留物還可作為優(yōu)質(zhì)有機肥、土壤改良劑、生物農(nóng)藥和栽培料等[3]。故對于廢棄花卉秸稈，可采用厭氧消化技術(shù)生產(chǎn)沼氣。

本文針對利用厭氧消化生產(chǎn)沼氣進行廢棄花卉秸稈處理和利用的研究現(xiàn)狀進行闡述，并針對該利用方式存在的問題提出對策，旨在為研究廢棄花卉秸稈資源化利用提供一定的參考，并積極促進該技術(shù)在廢棄花卉秸稈處置中的實際工程應(yīng)用。

1 ? ?廢棄花卉秸稈資源化利用現(xiàn)狀

廢棄花卉秸稈是指在花卉生產(chǎn)種植和采摘過程中產(chǎn)生的大量花、莖、葉等廢棄物。廢棄花卉秸稈還田是秸稈傳統(tǒng)的利用方式，也是目前主要的處理方式，即機械化粉碎還田和覆蓋、堆漚還田，可增加土壤有機質(zhì)、培肥地力、提高作物產(chǎn)量，但是大量秸稈直接堆漚或還田導(dǎo)致肥效較差、利用率低，而且還會污染環(huán)境。此外，隨著科技不斷進步，秸稈飼料、能源化利用、基料化利用、秸稈建材等方式逐漸發(fā)展起來，極大提高了廢棄秸稈的使用價值和利用率。廢棄秸稈能源化利用包括直接用作生活燃料、厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣、秸稈氣化、秸稈發(fā)電和秸稈乙醇等方式[4]。目前廢棄花卉秸稈的能源化利用主要為直接生活燃料，其他利用方式較少，而且由于花卉多為草本或莖桿較小的灌木，秸稈直接燃燒作為生活燃料存在熱效率低、污染環(huán)境等問題，不是能源化的優(yōu)質(zhì)利用方式。部分花卉秸稈除經(jīng)過加工成禽畜飼料外，還可直接用于奶牛、奶山羊等禽畜的飼養(yǎng)，以替代青綠飼料?；匣弥饕侵敢越斩挒榛系氖秤镁a(chǎn)，此外還可用于秸稈育苗、花木基質(zhì)、草坪基料、溫室大棚育苗等，但是目前廢棄花卉秸稈基料化使用較少。

2 ? ?廢棄花卉秸稈厭氧消化產(chǎn)沼氣的研究

2.1 ? ?可行性

目前，對于以秸稈為原料的厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣研究，國內(nèi)外已相對成熟，主要包括水稻秸稈、小麥秸稈、玉米秸稈、棉花秸稈、高粱秸稈等常見農(nóng)業(yè)廢棄物，主要針對秸稈原料預(yù)處理方法以及產(chǎn)氣特性方面。對于花卉秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的研究相對較少，但試驗結(jié)果均顯示廢棄花卉秸稈可作為厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的原料且具有良好的產(chǎn)氣效果。如楊 ?紅等[5]以非洲菊為發(fā)酵原料，在恒溫30 ℃下進行批量式沼氣發(fā)酵試驗，結(jié)果顯示在發(fā)酵過程中易出現(xiàn)酸化，酸化期達15 d，調(diào)節(jié)pH值能縮短酸化時間且TS產(chǎn)氣潛力更高，為468 mL/g;以康乃馨秸稈為原料，在恒溫30 ℃下采用批量式工藝進行厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣試驗，原料TS產(chǎn)氣潛力為266 mL/g[6];以玫瑰秸稈為原料，在恒溫30 ℃下采用批量式工藝進行厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣試驗，發(fā)酵歷時44 d，發(fā)酵體系發(fā)生酸化后能很快自動調(diào)節(jié)恢復(fù)產(chǎn)氣，秸稈發(fā)酵總固體量為20%時，規(guī)律相同，原料TS產(chǎn)氣潛力為305 mL/g[2]。李夢潔[7]以玫瑰秸稈為原料對其厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣特性進行了研究，結(jié)果顯示，最適合玫瑰秸稈厭氧發(fā)酵的接種量為40%;20%沼液預(yù)處理原料時玫瑰秸稈的產(chǎn)氣效果較好;單一補料、分批發(fā)酵的半連續(xù)發(fā)酵方式可以獲得穩(wěn)定的產(chǎn)氣效果。吉喜燕[8]等以勿忘我花桿為原料，在恒溫30 ℃下進行批量式沼氣發(fā)酵試驗，發(fā)酵歷時36 d，第15天出現(xiàn)酸化，但能很快恢復(fù)，TS產(chǎn)氣潛力為359 mL/g。

2.2 ? ?發(fā)酵影響因素

2.2.1 ? ?預(yù)處理。秸稈原料主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素3個部分組成，木質(zhì)素的存在使纖維素酶難以直接作用于易被微生物利用的纖維素和半纖維素，阻礙了厭氧發(fā)酵的水解過程，造成秸稈類原料進行發(fā)酵的過程中存在啟動速度慢、降解率低、進料困難等問題，嚴重影響和制約了厭氧發(fā)酵技術(shù)的發(fā)展。為避免此類現(xiàn)象發(fā)生、提高厭氧發(fā)酵的效率，可通過預(yù)處理方式增加原料的降解效率，縮短發(fā)酵所需的時間，提高原料的產(chǎn)氣效率[7]。秸稈預(yù)處理的方式主要有物理、化學(xué)、生物等方式。

目前，針對花卉秸稈預(yù)處理方面的研究較少，李夢潔[7]以玫瑰秸稈為原料研究了沼液預(yù)處理對其厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣特性的影響，結(jié)果顯示，當(dāng)原料TS含量為20%的沼液預(yù)處理時，總產(chǎn)沼氣量最大。印度學(xué)者M.B.Kulkarni和P.M.Ghanega-onkar通過使用不同的技術(shù)，如新型堿性預(yù)處理、沼氣池的太陽能加熱和食物垃圾的共同消化等方式，可以增加花卉廢物產(chǎn)生的沼氣量。試驗結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)的氫氧化鈉預(yù)處理相比，使用碳酸鈉和碳酸氫鈉對花卉廢物進行新的堿性預(yù)處理使沼氣產(chǎn)量提高了106%，化學(xué)預(yù)處理成本節(jié)省高達96%[9]。

2.2.2 ? ?起始pH值、溫度、接種物與接種物量、氧化樂果農(nóng)藥。厭氧消化產(chǎn)沼氣過程受到多種因素的影響，不同發(fā)酵條件下產(chǎn)氣效果差異較大，選擇適宜的發(fā)酵條件對于高效產(chǎn)氣至關(guān)重要。趙霞[10]以玫瑰秸稈為原料分別研究了起始pH值、溫度、接種物與接種物量、氧化樂果農(nóng)藥等因素對厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效果的影響，結(jié)果顯示，起始pH值為7.0時最有利于沼氣發(fā)酵;35 ℃的發(fā)酵溫度能最好地提高廢棄玫瑰秸稈厭氧消化產(chǎn)氣效果;相同質(zhì)量的豬糞作為接種物效果普遍優(yōu)于雞糞，而且豬糞和秸稈質(zhì)量比為3.0∶1.0時有利于提高產(chǎn)氣量;氧化樂果農(nóng)藥可在厭氧發(fā)酵過程中降解，但是高濃度的氧化樂果會抑制產(chǎn)氣。

印度學(xué)者Puja Singh等[11]建立了利用氣相色譜儀測定花渣生產(chǎn)沼氣質(zhì)量的試驗裝置。結(jié)果表明，該工藝可有效降低花卉廢棄物的污染潛力，比較了冬季（12月至翌年2月）和夏季（3—5月）花渣沼氣濃度分別為43%～50%甲烷（CH4）和44%～50%二氧化碳（CO2）、50%～54%甲烷（CH4）和40%～43%二氧化碳（CO2）。

張莉娟等[12]以新鮮薇甘菊為原料在中溫30 ℃和常溫下進行厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣，中溫30 ℃和常溫試驗組的沼氣發(fā)酵歷時32 d，中溫30 ℃和常溫凈產(chǎn)氣量分別為3 725、2 765 mL。從試驗結(jié)果計算得出，中溫30 ℃下薇甘菊的TS產(chǎn)氣潛力為511 mL/g，VS產(chǎn)氣潛力為627 mL/g。由此可見，中溫較常溫條件產(chǎn)氣較好。

2.2.3 ? ?發(fā)酵濃度。印度學(xué)者J Ranjitha等[13]以豬糞為接種劑，采用1 L容量的厭氧消化器對香蕉、花椰菜、馬鈴薯、紅薯等蔬菜及花卉廢棄物（玫瑰、桑邦吉、古莫哈、金盞花、金蓮花、絲合歡）進行厭氧消化。按原料與接種物1∶1的比例實時操作，發(fā)酵濃度分別為5%、7%和10%，結(jié)果表明，發(fā)酵濃度為7%的產(chǎn)氣效果最好，鮮花是生產(chǎn)沼氣的良好原料[13]。

3 ? ?廢棄花卉秸稈厭氧消化產(chǎn)沼氣的利用現(xiàn)狀

廢棄花卉秸稈厭氧消化產(chǎn)沼氣的利用主要有戶用沼氣池和沼氣工程2個方面。在戶用沼氣池利用方面，部分廢棄花卉秸稈會被農(nóng)戶作為發(fā)酵原料投入戶用沼氣池產(chǎn)沼氣，但此部分所占比例較小，而且隨著農(nóng)村沼氣工程的轉(zhuǎn)型升級，此利用方式的比例將會更小。廢棄花卉秸稈厭氧消化產(chǎn)沼氣的利用將主要集中在大中型沼氣工程方面，目前國內(nèi)單純的廢棄花卉秸稈沼氣工程實例還未見報道，但是秸稈沼氣工程已非常成熟，例如湖北省首個大型沼氣工程于2011年建成，以農(nóng)作物秸稈作沼氣發(fā)酵原料，日處理作物秸稈2.28 t，日產(chǎn)沼氣800 m3，對650家農(nóng)戶實現(xiàn)集中供氣[14]。云南省首座大中型秸稈沼氣集中供氣工程于2012年建設(shè)完工，建設(shè)地點為保山市隆陽區(qū)金雞鄉(xiāng)東方村，日處理秸稈1.5 t，年產(chǎn)沼氣21.9萬m3，以集中供氣方式供應(yīng)周邊360戶農(nóng)戶使用[15]。隨著花卉行業(yè)的不斷發(fā)展，廢棄花卉秸稈沼氣工程利用將是一個很重要的發(fā)展方向。

4 ? ?廢棄花卉秸稈厭氧消化產(chǎn)沼氣利用存在的問題及對策

4.1 ? ?試驗研究基本成熟但不全面系統(tǒng)

根據(jù)國內(nèi)外廢棄花卉秸稈厭氧消化產(chǎn)沼氣的研究顯示，廢棄花卉秸稈具有較好的產(chǎn)氣潛力，是較好的發(fā)酵原料，而且對其發(fā)酵過程中的影響因素也進行了研究，獲得了廢棄花卉秸稈產(chǎn)沼氣的較佳工藝條件，但是由于不同地區(qū)花卉種植品種不同，產(chǎn)氣情況和發(fā)酵特性存在差異。目前研究較多的花卉品種是玫瑰，其余花卉品種發(fā)酵產(chǎn)沼氣研究較少，而且雖然針對影響發(fā)酵的大部分因素都進行了研究，但是沒有比較系統(tǒng)的試驗論證，不同的研究采用的試驗裝置、工藝類型不同，試驗結(jié)果差異較大。因此，雖然厭氧消化產(chǎn)沼氣的工藝目前在國內(nèi)外已經(jīng)發(fā)展成熟，但是對于廢棄花卉秸稈而言，還需要進一步系統(tǒng)地針對大宗品種、發(fā)酵條件、工藝類型等方面進行研究及試驗，以確保其工程化利用的穩(wěn)定性。

4.2 ? ?秸稈還田的利用方式轉(zhuǎn)變難度大

在花卉種植和生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量廢棄秸稈，大量廢棄秸稈除了占用土地外，腐爛變質(zhì)以后還會污染環(huán)境。秸稈還田可以減少秸稈的存量，同時增加土壤養(yǎng)分和減少化肥使用，但是粉碎秸稈需要機械設(shè)備和燃料的投入，而且不正確的還田方式不僅不能增加土壤養(yǎng)分，還會增加肥料施用量和病蟲害發(fā)生次數(shù)。目前，由于很多花卉種植區(qū)域缺乏相關(guān)的秸稈飼料化、基料化、汽化、炭化、固化成型、產(chǎn)沼氣等方面的配套設(shè)備和企業(yè)，秸稈還田仍是花卉種植企業(yè)和農(nóng)戶處理利用廢棄花卉秸稈的主要方式。因此，針對目前廢棄花卉秸稈的主要處理現(xiàn)狀，在秸稈還田方面需科學(xué)計算秸稈還田量以及進行合理的技術(shù)操作，并配套相應(yīng)的植保技術(shù)，保證不影響作物生長和污染環(huán)境，同時應(yīng)結(jié)合市場發(fā)展情況，積極發(fā)展秸稈飼料化、基料化、汽化、炭化、固化成型、產(chǎn)沼氣等利用方式，提高廢棄花卉秸稈的利用率和價值。

4.3 ? ?沼氣化利用需配套沼氣工程

廢棄花卉秸稈是較好的沼氣發(fā)酵原料，但是目前廢棄花卉秸稈在沼氣化利用方面較少，這與花卉種植地區(qū)沼氣工程的配套情況有很大的關(guān)系。戶用沼氣池的廢棄花卉秸稈利用由于用量少、農(nóng)戶缺乏預(yù)處理經(jīng)驗、運輸存儲不方便等原因而使用率較低。廢棄花卉秸稈大中型沼氣規(guī)?；眯枰d建配套的大中型沼氣工程，而目前很多花卉種植和生產(chǎn)地區(qū)缺乏配套的大中型沼氣工程用以消耗廢棄花卉秸稈，而這與花卉生產(chǎn)企業(yè)的管理方向及政府的扶持推廣力度有一定的關(guān)系。因此，應(yīng)加大廢棄花卉秸稈大中型沼氣工程的推廣和應(yīng)用，結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展模式，引導(dǎo)當(dāng)?shù)厝罕娎脧U棄花卉秸稈生產(chǎn)沼氣，同時利用沼液、沼渣進行花卉種植，變廢為寶，充分發(fā)揮廢棄花卉秸稈的利用價值。

5 ? ?結(jié)語

隨著化石能源的短缺和農(nóng)業(yè)環(huán)境的日益惡化，生物質(zhì)資源的開發(fā)利用逐漸受到關(guān)注。廢棄花卉秸稈作為優(yōu)質(zhì)的沼氣發(fā)酵原料，具有較好的開發(fā)利用潛力，很多學(xué)者對于廢棄花卉秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣也進行了大量研究，雖然目前國內(nèi)還沒有關(guān)于廢棄花卉秸稈大中型沼氣工程的報道，但是隨著我國各項促進生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)化政策的實施以及開發(fā)利用生物質(zhì)能力度的不斷加大，廢棄花卉秸稈大規(guī)模沼氣化利用將指日可待。

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