生物質廢棄物厭氧發酵的研究進展

　　1 前言

　　生物質包含了全體的動物植物微生物，相比較于傳統的活化石而言有著更好的可再生性，能夠用做資源。在用作資源的過程中需要經過厭氧發酵的過程，文章就此進行分析。

　　2 厭氧發酵在生物質發酵的應用

　　厭氧發酵技術是生物質廢棄物實現資源化利用的有效途徑之一。生物質厭氧發酵是在厭氧細菌的同化作用下，有效地把生物質中的有機質轉化，最后生成具有經濟價值的甲烷及部分二氧化碳，即可作為燃燒及發電使用，且沼渣可以作為動物飼料或土地肥料，沼液還可以作為農作物的營養液。筆者綜述現階段利用生物質廢棄物資源厭氧發酵的研究成果，以及利用預處理、不同生物質混合發酵和添加外源催化劑等手段來強化生物質厭氧發酵的進展。農作物、油料作物、農業有機剩余物、林木和森林工業殘余物等生物質資源通常都能提供能源。一些生物質廢棄物資源，如動物的排泄物、江河湖泊的沉積物、農副產品加工后的有機廢物和廢水、城市生活有機廢水和有機垃圾等也可通過厭氧發酵等一些方式提供能源，依據來源的不同可將其分為：農業生物質資源、林業生物質資源、畜禽糞便、生活污水和工業有機廢水、城市固體有機廢棄物等幾類。

　　不同生物質廢棄物具有不同的厭氧發酵產氣潛力。玉米秸稈、麥稈、花生秧、菌渣和花卉秸稈等農業廢棄物是較好的生物質資源。劉亮等采用花生秧作為發酵底物進行厭氧發酵，產沼率達367．62mL?g－1TS（總固體含量）。石勇等用小麥秸稈和紅薯藤葉混合厭氧發酵，當碳氮比為25∶1時產氣效果最佳，產氣量為317．88mL?g－1TS。程輝彩等用平菇菌糠作厭氧發酵，優化厭氧發酵條件后，產氣率提高了103．7%。姚利［23］等把雞腿菇菌渣經過適當的處理可實現高效發酵產沼氣，原料產氣率可達133mL?g－1TS。劉德江等用棉籽殼、稻草、小麥秸稈等3種菌渣作為發酵底物進行厭氧發酵，結果表明：3種菌渣均可發酵產沼氣，以棉籽殼菌渣產沼氣的效果最好，其次是稻草菌渣，小麥秸稈菌渣效果較差。楊紅等以玫瑰秸稈和非洲菊秸稈為發酵原料，在恒溫30℃條件下進行厭氧發酵，產氣潛力分別為305mL?g－1TS和358mL?g－1TS。

　　能源植物是指直接用于提供能源為目的的植物。廣義的能源植物包含所有的陸地和海洋的植物，狹義的能源植物是指能量富集型的植物。羅艷等用不同生長期的皇竹草為原料進行厭氧發酵實驗，發現生長期為35d和68d的原料產氣量分別為243．77mL?g－1VS和247．06mL?g－1VS。肖正等用巨菌草厭氧發酵發現15d沼氣累積產量為406．5mL?g－1TS。陳金發等用紫莖澤蘭的莖進行厭氧發酵，30℃產氣量為152．8L?kg－1TS。李連華等以柳枝稷荻和雜交狼尾草為原料進行厭氧發酵，不同能源草品種發酵過程中的平均甲烷含量為51%～52%，產甲烷率為214～288mL?g－1VS。因此，將農業生物質資源進行厭氧發酵，不僅減少了農業廢棄物焚燒對大氣的污染，而且充分利用了能源植物所含有的能量，有效地解決了環境污染和能源危機。

　　常見的一些林業廢棄物有樹皮、樹枝和樹葉。由于樹皮和樹枝中含有較多的難以降解的木質纖維素，而樹葉較之容易，李秋敏等以銀杏葉為原料進行厭氧發酵，獲得了374mL?g－1TS的產氣量。林業副產品廢棄物具體是指一些果皮等。Ge等典型的熱帶林業廢棄物（合歡類生物質以及一些副產品廢棄物）分別進行厭氧濕發酵和厭氧干發酵后發現：不論在何種發酵方式下，熱帶林業廢棄物可以進行穩定的厭氧發酵，其產氣量為345～411L?kg－1VS。將林業廢棄物進行厭氧發酵，減少其對環境的污染，使得其實現了資源的多元化利用。

　　畜禽糞便是一種很好的生物質資源，宋立等以鴨糞、羊糞和兔糞為發酵原料，在不同溫度條件下進行了厭氧消化試驗，35℃±1℃時各原料產氣率分別為：羊糞273mL?g－1TS，鴨糞441mL?g－1TS，兔糞210mL?g－1TS。楊斌等對虎糞的單獨發酵以及虎糞和象糞的混合發酵（質量配比為3∶5）進行了對比實驗研究發現：在虎糞的單獨發酵過程中，料液發生“氨中毒”現象，沼氣發酵被抑止；虎糞和象糞混合發酵的產氣率為206mL?g－1TS。因此，虎糞和象糞的混合發酵能有效解決虎糞單獨發酵易發生的“氨中毒”問題。畜禽糞便的厭氧發酵，一方面，解決了其對環境污染問題；另一方面，實現了其的資源化應用。

　　3 強化生物質厭氧發酵的方法

　　將含有大量纖維素和木質素等難降解成分的物質（秸稈和能源作物等）直接厭氧發酵的效果并不理想，但對富含此類成分的原料經預處理后再發酵，或將幾種原料在一起混合發酵可以改善發酵效果。同樣采用催化劑也可以獲得較好的產氣效果。強化生物質厭氧發酵是目前生物質厭氧發酵研究的熱點。預處理的目的在于破壞原料的結構，提高其降解率。

　　常用預處理方法包含物理預處理、化學預處理以及生物預處理。物理預處理法是利用熱能、機械能、電磁輻射能等作用于難降解的生物質，破壞其細胞壁，釋放胞內物質，降低難降解生物質的利用難度。物理預處理主要包括熱預處理、微波預處理和超聲波預處理等。熱預處理可破壞生物質的細胞壁，將胞內有機物釋放，使不溶性有機物轉化為溶解性有機物，大大縮短水解時間，提高產沼氣效能。Ariunbaatar等在80℃對食品廢棄物熱處理1．5h后，再進行厭氧發酵，其產氣量為647．5±10．6mLCH4?g－1VS，與未處理相比，甲烷含量提高了52%。

　　微波預處理破壞生物質細胞壁有兩種機制：微波引起分子振蕩，導致生物質溫度升高，從而引發熱效應；微波產生的交變電場使細胞壁中大分子的氫鍵斷裂，從而破壞細胞壁結構。馮磊等用不同的微波強度處理秸稈后進行厭氧消化，發現微波處理明顯促進了秸稈厭氧消化，經預處理秸稈的平均日產氣量由未被預處理的6．21mL?g－1VS上升到8．16mL?g－1VS，提高了31．33%；甲烷濃度平均濃度由原來的50%提高至62%。李連華等研究了微波照射對能源草厭氧發酵性能的影響，獲得了345．16mg?g－1TS的產氣量。超聲波的作用是利用超聲低頻時的空穴效應和高頻時的化學效應。

　　4 結語

　　我國有著大量的生物質能源原料，如果能充分應用的話則可以有效的推動資源應用進展，獲得更好的發展，文章分析了在這一過程中應用厭氧發酵的措施，實現了綜合化的利用過程。