夏鳴 汪云 孫運(yùn)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(shuō)明了近年來(lái)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(jìn)展，從可行性研究和實(shí)際工程應(yīng)用方面分別闡述了其產(chǎn)氣規(guī)律以及實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和前景，并重點(diǎn)對(duì)預(yù)處理方法和接種物的選擇進(jìn)行了對(duì)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(dá)到節(jié)能減排的目的，這對(duì)于日益嚴(yán)峻的化石能源形勢(shì)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(hào)：S216.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

我國(guó)是煙草生產(chǎn)大國(guó)，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(guò)程會(huì)產(chǎn)生約20%～25%的煙草廢棄物，不僅占用大量場(chǎng)地，而且長(zhǎng)期堆放容易發(fā)生霉變從而引起環(huán)境問(wèn)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(fèi)了大量資源成本，同時(shí)還為不法分子利用劣質(zhì)煙葉原料來(lái)制造假煙提供了可乘機(jī)會(huì)。因此，如何對(duì)煙草廢棄物進(jìn)行高效合理的資源化利用，已成為擺在中國(guó)煙草產(chǎn)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展面前的一項(xiàng)迫切而艱巨的任務(wù)。

該文闡述了近年來(lái)利用厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣工藝進(jìn)行煙草廢棄物處置和利用的研究現(xiàn)狀，并對(duì)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(shí)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(lái)自收獲和加工過(guò)程，大體為兩類：一類是煙田廢棄物，包括底腳葉、煙稈以及無(wú)法加工的低等級(jí)或等外級(jí)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(zhǎng)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(lái)決定利用方式，從實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，目前對(duì)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(jìn)行焚燒，但易造成環(huán)境污染，也使得某些具有利用價(jià)值的成分被白白浪費(fèi)。高溫堆肥需要在高溫或者有熱源的條件下進(jìn)行，因此能耗較高，較難實(shí)現(xiàn)推廣應(yīng)用。從文獻(xiàn)看，在從煙草廢棄物提取有用成分的研究中，對(duì)提取煙堿、茄尼醇、氨基酸、植物蛋白、果膠等物質(zhì)的報(bào)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(chóng)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(lái)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(lái)說(shuō)，厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣過(guò)程其實(shí)是微生物的培養(yǎng)繁殖過(guò)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(lái)，研究生物質(zhì)能的部分高?；蚩蒲袡C(jī)構(gòu)已開(kāi)始關(guān)注利用煙草廢棄物進(jìn)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(jìn)行探索性試驗(yàn)。結(jié)果表明廢棄煙葉的碳氮比偏低，且含有對(duì)厭氧微生物有毒害作用的煙堿等生物堿，不能單獨(dú)用來(lái)啟動(dòng)沼氣發(fā)酵；但可將其與牛糞、豬糞等農(nóng)村常見(jiàn)的沼氣發(fā)酵原料進(jìn)行混合，從促進(jìn)煙堿的厭氧降解、調(diào)節(jié)碳氮比等方面來(lái)對(duì)發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行控制，以達(dá)到提高廢棄煙葉厭氧發(fā)酵效果的目的。陳智遠(yuǎn)等將沒(méi)有經(jīng)過(guò)預(yù)處理的廢棄煙葉桿切碎至2cm～3cm后與畜禽場(chǎng)沼液沼渣混合，在38℃恒溫條件下進(jìn)行高濃度厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣研究。發(fā)酵持續(xù)90d，累計(jì)甲烷含量達(dá)60%以上，說(shuō)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(dòng)力學(xué)模型，對(duì)烤煙秸稈厭氧發(fā)酵過(guò)程的兩個(gè)階段進(jìn)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(yàn)真實(shí)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(shí)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(huì)使得發(fā)酵過(guò)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(jìn)行正常厭氧發(fā)酵的前提，同時(shí)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(jiàn)的物理預(yù)處理方式，但這些預(yù)處理方式均對(duì)設(shè)備要求高，能耗也較高，從而限制了其在實(shí)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?yàn)榇朔ㄌ幚磉^(guò)程中在不消耗蒸汽的情況下能夠達(dá)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(jiàn)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(kāi)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(wèn)題還需進(jìn)一步考察和研究。

近年來(lái)，生物法預(yù)處理已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)，生物法預(yù)處理的反應(yīng)較溫和，不僅對(duì)設(shè)備要求簡(jiǎn)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(guò)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(jìn)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(shí)較長(zhǎng)等缺陷，因此需要尋找經(jīng)濟(jì)價(jià)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(lái)提高預(yù)處理環(huán)節(jié)的效率和經(jīng)濟(jì)效益。

2.3 接種物的選擇

接種物實(shí)質(zhì)就是菌種，主要是指發(fā)酵過(guò)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(duì)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(jìn)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(zhǎng)足進(jìn)步，但尚未看到大規(guī)模應(yīng)用的報(bào)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(duì)煙草秸稈進(jìn)行批式試驗(yàn)，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(duì)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?yàn)榕＜S經(jīng)牛反芻后消化更充分，廢棄鮮煙葉和牛糞混合，對(duì)沼液產(chǎn)生的酸化程度較輕，從而對(duì)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(duì)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(guò)一年培育后的接種物對(duì)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(jìn)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(guó)內(nèi)煙草行業(yè)在利用煙草廢棄物產(chǎn)沼氣的實(shí)際工程應(yīng)用還較少，現(xiàn)有的報(bào)道只見(jiàn)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(duì)煙草廢棄物進(jìn)行中試研究，記錄了發(fā)酵過(guò)程中沼氣產(chǎn)量、pH值及甲烷含量等數(shù)據(jù)的動(dòng)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(duì)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?，為?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(guó)內(nèi)第一個(gè)沼氣替代燃煤烘烤煙葉項(xiàng)目。此項(xiàng)目充分利用太陽(yáng)能輔助熱泵，實(shí)現(xiàn)了中溫發(fā)酵沼氣，用來(lái)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(jì)新模式。

結(jié)語(yǔ)

該文重點(diǎn)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(jìn)展和趨勢(shì)。在今后的研究中，為達(dá)到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，預(yù)處理技術(shù)的組合使用且能應(yīng)用于實(shí)際工程應(yīng)用的預(yù)處理方法將是未來(lái)的一個(gè)主要研究方向。同時(shí)，對(duì)優(yōu)秀接種物中的優(yōu)勢(shì)菌群進(jìn)行篩選和培育，也是未來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用或工業(yè)化生產(chǎn)研究中的重點(diǎn)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(duì)這些控制參數(shù)對(duì)整個(gè)發(fā)酵效果的影響程度進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，以尋求經(jīng)濟(jì)合理，過(guò)程理想的控制范圍。煙草企業(yè)可以和高?；蜓芯拷M織加強(qiáng)合作，大力推廣相關(guān)技術(shù)研究成果在實(shí)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(huì)有更廣闊的應(yīng)用前景。

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