廢棄煙稈厭氧消化產(chǎn)甲烷工藝的研究進(jìn)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(xué)院 農(nóng)學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650214)

煙草作為我國的重要經(jīng)濟(jì)作物之一，在我國各地被廣泛種植，每年產(chǎn)量約占世界總產(chǎn)量的43%[1]，煙草秸稈(Tobacco stalks，簡稱煙稈)是煙草生產(chǎn)中最大的副產(chǎn)品，每年煙葉采收后所剩余的大量煙稈(煙葉與煙稈的產(chǎn)量比為1∶1)是讓煙葉種植地區(qū)頗為頭疼的問題[2]，這些煙稈通常被丟棄于農(nóng)田或被曬干燃燒，資源浪費(fèi)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(chǎn)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(jìn)入土壤，容易造成煙草病害蔓延而降低煙葉產(chǎn)量[4].有研究[5]表明烤煙黑脛病病原菌可在土壤及病株殘?bào)w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(zhì)素、纖維素和尼古丁，普通的分解細(xì)菌難以對其進(jìn)行分解，因而傳統(tǒng)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(nóng)業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃》中所提出的“推進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展”目標(biāo)背道而馳.因此如何合理、高效、環(huán)保地利用煙稈成為我國煙草種植產(chǎn)業(yè)當(dāng)前的緊迫任務(wù).煙稈的再利用途徑之一是用來生產(chǎn)比木材成本更低的煙稈纖維板，雖然煙稈纖維板在抗彎強(qiáng)度、內(nèi)部粘結(jié)強(qiáng)度和表面持釘能力等方面都符合纖維板制定的標(biāo)準(zhǔn)，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(shù)手段提取其中的煙堿作為生產(chǎn)綠色食品理想的高效殺蟲劑和生物性農(nóng)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(chǎn)品；Mijailovic[11]對煙稈的化學(xué)性質(zhì)和熱值進(jìn)行了測定，發(fā)現(xiàn)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(shí)際生產(chǎn)中還面臨技術(shù)的改進(jìn)和高額的經(jīng)濟(jì)投入.如何更經(jīng)濟(jì)和有效地利用煙稈，獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益是當(dāng)前的研究熱點(diǎn).

劉超等[12]總結(jié)了如何利用煙稈制備活性炭、提取化學(xué)原料、造板、造紙、生產(chǎn)生物質(zhì)燃料和生產(chǎn)肥料共6個方面的進(jìn)展，認(rèn)為在推廣煙稈資源化利用的過程中，應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況和市場行情，開發(fā)出多層次、多途徑的綜合利用方式，才能促進(jìn)煙稈資源化的進(jìn)程；覃佐東等[13]分析了煙稈生物質(zhì)的理化性質(zhì)，對煙稈生物質(zhì)的利用進(jìn)行了分析，提出了在利用煙稈的過程中，可根據(jù)產(chǎn)地原料的獲取難易、可實(shí)行的工藝條件及發(fā)展需求選擇不同的利用方式進(jìn)行靈活開發(fā)利用煙稈；夏鳴[14]等從可行性研究和實(shí)際工程應(yīng)用方面總結(jié)了煙草廢棄物厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的研究進(jìn)展，對預(yù)處理方法和接種物的選擇進(jìn)行了對比分析，認(rèn)為預(yù)處理技術(shù)的組合使用和優(yōu)秀接種物中優(yōu)勢菌群的篩選培育是今后實(shí)際工程應(yīng)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(jìn)行了評估，結(jié)論提出應(yīng)該加大相關(guān)配套機(jī)械設(shè)備的研發(fā)和生產(chǎn).婁曉平[16]等總結(jié)了田間廢棄鮮煙葉、煙葉采后秸稈、廢棄病蟲害煙株、機(jī)械損傷煙株及雹災(zāi)煙株的現(xiàn)狀和利用方式，認(rèn)為必須通過地方政府聯(lián)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(zhì)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(chǎn)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(shù)處理煙稈不僅能將煙稈中可降解的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為清潔能源——甲烷(CH4)[17]，產(chǎn)生的沼渣還可作為優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥[18]，既不會對環(huán)境造成負(fù)面的影響，又可充分利用農(nóng)業(yè)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(shù)具有成本較低、設(shè)備要求簡單、運(yùn)行條件易滿足、最易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化等優(yōu)點(diǎn)，是目前對廢棄煙稈進(jìn)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(jié)對象，概括了近15年來利用厭氧消化技術(shù)對煙稈進(jìn)行資源化利用的研究結(jié)果，分析了不同研究結(jié)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(fā)展該技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供技術(shù)支持.

1 煙堿抑制煙稈厭氧消化產(chǎn)氣性的研究

現(xiàn)有研究[19-22]對利用煙稈進(jìn)行厭氧消化的可行性進(jìn)行了探索.楊斌[12]曾報(bào)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(jìn)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(bào)道云南煙草種植區(qū)部分煙葉的煙堿含量達(dá)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(fā)現(xiàn)煙稈上部的煙堿含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)大于下部，范圍在0.15%～2.0%之間.早在2009年，陳智遠(yuǎn)[26]等采用干式發(fā)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(chǎn)氣情況，得出煙稈的甲烷產(chǎn)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(yàn)過程中并沒有發(fā)現(xiàn)煙堿抑制煙稈厭氧消化產(chǎn)氣的現(xiàn)象.張鴻雁[23]將煙堿以不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)(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(jié)果表明，煙堿含量較低的環(huán)境(<4%)對葡萄糖的厭氧消化產(chǎn)氣性能沒有顯著影響，而較高質(zhì)量分?jǐn)?shù)(7.00%，10.00%)的煙堿對葡萄糖的厭氧消化有一定抑制作用，產(chǎn)氣量分別下降了10.9%和21.2%.該研究首次在試驗(yàn)中探明了較低濃度的煙堿含量不會對厭氧消化產(chǎn)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(chǎn)氣性的研究

研究表明煙草的品種會對煙稈的厭氧消化產(chǎn)生影響.由于不同品種的煙稈在物質(zhì)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(zhì)量)、VS(可揮發(fā)性固體)、纖維素和木質(zhì)素等，煙稈厭氧消化的產(chǎn)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(zhì)素為11.37%)、云煙99(TS為82.87%，VS為75.01%，木質(zhì)素為13.75%)、云煙114(TS為78.21%，VS為71.11%，木質(zhì)素為9.05%)、貴煙2號(TS為68.48%，VS為62.24%，木質(zhì)素為13.60%)4種煙稈厭氧消化產(chǎn)甲烷潛力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)云煙114(木質(zhì)素含量低于其他品種)的秸稈甲烷累積產(chǎn)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(zhì)素為14.85%)、云煙99(TS為92.51%，VS為89.76%，木質(zhì)素為15.27%)和云煙85(TS為92.07%，VS為89.02%，木質(zhì)素為14.88%)3個品種煙草煙稈厭氧消化產(chǎn)甲烷潛力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)云煙116的秸稈最大累加甲烷產(chǎn)量為 148.0 mL/gVS，高于同試驗(yàn)的另外2個品種(云煙99和云煙85).說明煙稈的木質(zhì)素越低，VS/TS越高，厭氧消化產(chǎn)甲烷量就越多.

3 厭氧消化工藝參數(shù)對煙稈厭氧消化產(chǎn)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(chǎn)氣性有重要影響[27].厭氧消化本質(zhì)上是數(shù)百種厭氧微生物在無氧(或少氧)的環(huán)境中進(jìn)行能量代謝的過程[28]，由不同的接種物造成產(chǎn)氣性較大差異的主要原因在于厭氧消化系統(tǒng)中的微生物組成和結(jié)構(gòu)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(qiáng)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(yǎng)殖場[21，22]，也有來自于實(shí)驗(yàn)室將作物秸稈與各種畜禽糞便混合進(jìn)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(jìn)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(shù)在40～60 d[19，20，23，29]，這可能與煙稈的品種、接種物、工藝參數(shù)以及煙稈的不同處理方式有關(guān)[22].

表1 關(guān)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(biāo)準(zhǔn).根據(jù)TS質(zhì)量分?jǐn)?shù)的高低可分為：濕式厭氧消化(TS質(zhì)量分?jǐn)?shù)<10%)，高固體厭氧消化(10%≤TS質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤20%)和干式厭氧消化(TS質(zhì)量分?jǐn)?shù)>20%)3種[29].根據(jù)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(jù)投料運(yùn)行方式分為連續(xù)式、半連續(xù)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(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)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(yù)處理

預(yù)處理會直接影響煙稈厭氧消化的產(chǎn)氣效果，主要可分為物理預(yù)處理、化學(xué)預(yù)處理和生物預(yù)處理[23]，其中物理粉碎是煙稈預(yù)處理中最常用的手段.早期關(guān)于煙稈厭氧消化的產(chǎn)氣潛力研究中，都對煙稈進(jìn)行物理預(yù)處理，并根據(jù)處理后的粒徑大小(最粗的為2～3 cm[26]；最細(xì)的40目(相當(dāng)于 0.425 mm)[20，22])進(jìn)行了產(chǎn)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(yīng)器啟動就越快，產(chǎn)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(jìn)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(xué)試劑對煙稈進(jìn)行了處理，其中包括強(qiáng)氧化劑處理(堿性過氧化氫AHP)，3種堿預(yù)處理(NaOH、Ca(OH)2、KOH)，和2種酸預(yù)處理(草酸、HCl)，各處理濃度均為1.00%，3.00%，5.00%，7.00%，對比發(fā)現(xiàn)7.00% AHP預(yù)處理效果最佳，累積甲烷產(chǎn)量為 350.7 mL/g VS，是未預(yù)處理?xiàng)l件下產(chǎn)氣量(170.5 mL/g VS)的2倍多.總的來說，物理預(yù)處理有著操作簡單的優(yōu)點(diǎn)，但也存在設(shè)備昂貴、耗能過高的問題；而化學(xué)預(yù)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(yù)處理有著環(huán)境污染小成本低的優(yōu)點(diǎn)，但還是存在處理時間長、預(yù)處理效果不顯著等問題，因此還需要進(jìn)一步的研究和開發(fā).

3.3 溫度、有機(jī)負(fù)荷和TS質(zhì)量分?jǐn)?shù)

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(jī)物的降解速度[32].其中甲烷菌對溫度非常敏感[33]，當(dāng)產(chǎn)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(chǎn)氣量將急劇降低[34].對不同營養(yǎng)類型的產(chǎn)甲烷菌而言，溫度降低導(dǎo)致其活性的抑制程度存在顯著差別，在20～30 ℃ 范圍內(nèi)，乙酸營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌對溫度脅迫表現(xiàn)出更好的耐受性，而在 15 ℃ 以下時，氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌則表現(xiàn)出更好的耐受性.安銀敏[22]研究了不同發(fā)酵溫度(25 ℃、35 ℃、45 ℃)和物料配比對煙稈發(fā)酵特性的影響發(fā)現(xiàn)，相較于物料配比對煙稈發(fā)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(guān)鍵產(chǎn)氣菌群的干擾[35].在升溫技術(shù)研發(fā)方面，云南師范大學(xué)最先實(shí)現(xiàn)了利用太陽能加熱對煙稈厭氧消化進(jìn)行升溫，實(shí)現(xiàn)了煙稈中溫發(fā)酵，產(chǎn)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(jī)結(jié)合，促進(jìn)了煙草節(jié)能生產(chǎn)與碳中和理念的協(xié)調(diào)發(fā)展[36].

厭氧消化系統(tǒng)中的有機(jī)負(fù)荷(OL)和TS質(zhì)量分?jǐn)?shù)相關(guān)，有機(jī)負(fù)荷可表現(xiàn)出厭氧消化系統(tǒng)中的揮發(fā)性固體在系統(tǒng)中的占比情況，而TS質(zhì)量分?jǐn)?shù)反映的是總固體在系統(tǒng)中的占比情況[29].張鴻雁[23]通過3D響應(yīng)面法研究發(fā)現(xiàn)，不同煙草品種最適有機(jī)負(fù)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(zhì)量比4∶6配制發(fā)酵底物，研究煙稈在室溫(22 ℃)和中溫(28 ℃)條件下厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的情況，結(jié)果表明室溫條件下(TS質(zhì)量分?jǐn)?shù)9.63%)的總產(chǎn)氣量比中溫條件下(TS質(zhì)量分?jǐn)?shù)8.7%)高52%.在全國煙草種植的區(qū)域中，西南地區(qū)年平均溫度較高(12～20 ℃)，厭氧消化系統(tǒng)不需要人工增溫也可正常運(yùn)行.大量數(shù)據(jù)[19-29]表明，選擇合適的溫度和TS質(zhì)量分?jǐn)?shù)是提升產(chǎn)氣效率的關(guān)鍵，而現(xiàn)有的研究中，對TS質(zhì)量分?jǐn)?shù)的設(shè)置比較單一，大多集中在6%[21，23]和8%[22](表2).

表2 關(guān)于煙稈厭氧消化主要工藝參數(shù)及產(chǎn)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(wěn)定的pH值范圍才能正常運(yùn)行[37].pH值6.5～7.5之間是大部分產(chǎn)酸菌能適應(yīng)的環(huán)境[38]，在6.5～8.0之間比較適合甲烷菌生長[39].如果反應(yīng)中pH>8.0或pH<6.0，則產(chǎn)甲烷菌的生長會被抑制，會導(dǎo)致酸堿不平衡，對反應(yīng)系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響.張鴻雁[23]在試驗(yàn)開始前將各處理組pH調(diào)節(jié)至6.5～7.5.丁琨[19]對2種配比后消化液的pH進(jìn)行了測定，分別為7.61和7.55，均在可進(jìn)行厭氧消化需要的pH值范圍內(nèi).李雪[21]將pH調(diào)節(jié)至7.0；安銀敏[22]在試驗(yàn)開始時并沒有對pH值進(jìn)行關(guān)注.但是，在試驗(yàn)進(jìn)行的第5～7 d，各處理組相繼進(jìn)入停滯期，經(jīng)開蓋檢查發(fā)現(xiàn)酵罐內(nèi)pH在5.5～6.0之間，已偏離厭氧發(fā)酵適宜pH.最終通過添加NaOH粉末將發(fā)酵罐內(nèi)pH值調(diào)至7.0左右.所以在厭氧消化試驗(yàn)前，對反應(yīng)器的pH值進(jìn)行測量并調(diào)整至需要的范圍是厭氧消化反應(yīng)器正常運(yùn)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(fā)酵基質(zhì)C/N過高或過低都不利于厭氧消化的進(jìn)行，C/N過低，會導(dǎo)致pH過高，發(fā)生氨抑制現(xiàn)象[43]，抑制微生物的生長；C/N過高，氮含量不足，容易發(fā)生酸累積現(xiàn)象，同樣會影響甲烷的產(chǎn)生[44].Li[20]設(shè)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(chǎn)氣潛力進(jìn)行了對比研究，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)C/N為23.17處理組的甲烷產(chǎn)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(jìn)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(tǒng)的穩(wěn)定和產(chǎn)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(fā)酵環(huán)境，其超強(qiáng)的吸附能力還可解決厭氧消化過程可能遇到的有機(jī)酸和氨氮導(dǎo)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(yīng)用研究都可以在煙稈厭氧消化中進(jìn)行嘗試.

4 煙稈厭氧消化中的優(yōu)勢菌群的研究進(jìn)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(yōu)勢菌群關(guān)注較少[22，28].李雪[21]通過高通量測序發(fā)現(xiàn)煙稈厭氧消化過程中的優(yōu)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(chǎn)甲烷階段中占主導(dǎo)地位，其豐度為37.07%，是乙酸代謝產(chǎn)甲烷的主要菌群.

厭氧消化是復(fù)雜的連續(xù)生化過程，一般分為4個階段[49，50]，即水解階段、酸化階段、產(chǎn)酸階段和產(chǎn)甲烷階段.4個階段同時發(fā)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(jī)物(纖維素、蛋白質(zhì)、脂肪等)轉(zhuǎn)化為小分子單體物質(zhì)(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(jī)物降解為C1-C5的短鏈揮發(fā)性脂肪酸(如丁酸、丙酸、乳酸和乙酸等)、醇等；在產(chǎn)酸階段，主要參與產(chǎn)酸的菌群主要包括以下6種[52]：rod-shapedbacterium(桿狀細(xì)菌)、Thermacetogeniumphaeum(棕色嗜熱產(chǎn)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(chǎn)物進(jìn)一步轉(zhuǎn)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(chǎn)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(zhì)轉(zhuǎn)化為乙酸，其中甲酸和甲醇可直接被產(chǎn)甲烷菌利用.在產(chǎn)甲烷階段，按營養(yǎng)類型可將產(chǎn)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(zhuǎn)化為甲烷[55，56]，甲基營養(yǎng)型甲烷菌將甲酸和甲醇轉(zhuǎn)化為甲烷和水[57-59].然而，產(chǎn)甲烷菌對溫度高度敏感且增殖周期長，一般情況下產(chǎn)甲烷是有機(jī)物甲烷化過程的限速步驟，在實(shí)際研究中，可以通過調(diào)節(jié)溫度控制產(chǎn)甲烷的優(yōu)勢菌群.產(chǎn)甲烷階段主要的優(yōu)勢菌群如表3.

但上述4個階段處于動態(tài)的變化中，既相互依賴又相互制約.只有設(shè)置合理的工藝條件，讓4個階段的代謝達(dá)到平衡，才能發(fā)揮厭氧消化系統(tǒng)最佳的產(chǎn)氣性能，否則可能就會出現(xiàn)停滯期.安銀敏[22]在第5～7 d 內(nèi)所有試驗(yàn)處理組均進(jìn)入停滯期，且停滯期持續(xù) 10 d 左右.值得注意的一點(diǎn)，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(xiàn)在前3～5 d 內(nèi)[19，23]，在丁琨[19]的研究中第 25 d 還出現(xiàn)了第2個高峰期，這可能是在第 25 d 左右，某一個產(chǎn)甲烷菌群的活性得到提高，成為了該厭氧消化系統(tǒng)的優(yōu)勢菌群，導(dǎo)致產(chǎn)氣效率突增.所以明確煙稈厭氧消化過程中各階段的優(yōu)勢菌群，對試驗(yàn)開始前工藝參數(shù)的設(shè)定和試驗(yàn)過程的調(diào)節(jié)都有重要的意義.采用熒光原位雜交[64](fluoresence in situ hybridization，F(xiàn)ISH)技術(shù)來對厭氧消化過程中各階段的優(yōu)勢菌群進(jìn)行追蹤，通過對比高峰期前后產(chǎn)甲烷菌的豐度變化，就可得到該階段的優(yōu)勢菌群，這對甲烷菌的代謝途徑的研究和如何調(diào)控特定產(chǎn)甲烷菌的活性來提高產(chǎn)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(yōu)勢菌群都可能存在較大差異，進(jìn)一步篩選煙稈厭氧消化中產(chǎn)氣效率高的優(yōu)勢菌群對煙稈厭氧消化的推廣具有重要意義.

5 結(jié)語與展望

厭氧消化是農(nóng)業(yè)秸稈資源化利用的主要途徑之一，該方法可回收能源，生產(chǎn)沼肥并消滅病原菌，減輕環(huán)境危害.

目前在煙稈厭氧消化相關(guān)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(qiáng)的活性污泥.由于前期對于煙稈厭氧消化產(chǎn)甲烷工藝的研究還處于試驗(yàn)階段，與實(shí)際應(yīng)用階段還有一定距離，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1)對預(yù)處理方法進(jìn)行總結(jié)：化學(xué)預(yù)處理具有投入少、反應(yīng)快和產(chǎn)氣效率高等優(yōu)點(diǎn)，但會對環(huán)境造成二次污染；而物理預(yù)處理操作簡單，但需要較高的能耗.生物預(yù)處理則需要開發(fā)具有較高活性微生物菌劑.煙稈預(yù)處理的方法有待進(jìn)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(yīng)加強(qiáng)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(yōu)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(guān)注了煙稈發(fā)酵過程中產(chǎn)酸、產(chǎn)氣以及理化指標(biāo)的變化，而發(fā)酵工藝只應(yīng)用了序批式，缺少對半連續(xù)式和連續(xù)式發(fā)酵工藝的研究，應(yīng)用不同發(fā)酵工藝過程研究煙稈厭氧消化是未來研究的熱點(diǎn).

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

5)能源危急和生態(tài)環(huán)境保護(hù)是全人類發(fā)展所必須會面臨，也必須被解決的問題.我國對實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和作出了重大戰(zhàn)略決策，對相關(guān)可持續(xù)農(nóng)業(yè)在政策上做出了支持.在農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用追求綠色發(fā)展，合理利用的大背景下，采用厭氧消化技術(shù)對煙稈進(jìn)行資源化利用具有廣闊的推廣和應(yīng)用前景.