劉 刈，姜 娜，雷云輝，王智勇，劉剛金，鄭 丹，王 勇，安銀敏，董建新

(1.農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所，成都 610041；2.四川省煙草公司涼山州公司，四川 西昌 615000；3.貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，貴陽 550025;4.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所，農(nóng)業(yè)部煙草生物學(xué)與加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院青島煙草資源與環(huán)境野外科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)站，山東 青島 266101)

我國(guó)是煙草第一大種植國(guó)和消費(fèi)國(guó)，2017年全國(guó)煙葉產(chǎn)量239.14萬噸，卷煙產(chǎn)量2.34萬億支[1]。在煙草種植和生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生大量煙稈和廢棄煙葉等廢棄物。與傳統(tǒng)種植業(yè)廢棄物類似，以往煙草廢棄物通常采用焚燒、填埋或直接丟棄等方式處理[2]。這不僅會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定程度的污染，而且是資源的浪費(fèi)。針對(duì)以上問題，許多采用理化[3-4]或生物[5-6]手段的煙草廢棄物資源化利用的方法不斷被研究和開發(fā)。近些年，推進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展、建設(shè)美麗鄉(xiāng)村、打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)等任務(wù)行動(dòng)的實(shí)施，給種植業(yè)廢棄物資源化利用提出了更高的要求，需從資源評(píng)價(jià)、收儲(chǔ)技術(shù)、利用手段等多方面攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、生活、生態(tài)之間的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展。

沼氣發(fā)酵具有可回收能源、提供優(yōu)質(zhì)沼肥、殺滅病原菌等優(yōu)點(diǎn)，是農(nóng)作物秸稈資源化利用的重要技術(shù)[7]，煙草作為一種重要的經(jīng)濟(jì)作物，其廢棄物自然有可能采用沼氣發(fā)酵技術(shù)進(jìn)行處理利用。但是，相對(duì)于傳統(tǒng)農(nóng)作物的廢棄物，煙草廢棄物又有其特有的性質(zhì)，例如含有煙堿[8]、可能攜帶病原物[9-10]等特點(diǎn)也有可能會(huì)對(duì)沼氣發(fā)酵過程和沼肥的利用產(chǎn)生影響。因此，目前沼氣發(fā)酵用并沒有成為煙草廢棄物資源化利用的一種廣泛采用的技術(shù)，甚至在研究領(lǐng)域的探索也不多。

為拓寬煙草廢棄物資源化利用的技術(shù)手段，本文以煙草秸稈和廢棄煙葉為對(duì)象，從煙稈和廢棄煙葉特性入手，在分析了目前的主要資源化利用技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)之后，討論了其在產(chǎn)沼氣潛力、沼氣烘烤煙葉、沼氣衛(wèi)生及沼肥安全還田等方面的可行性，并提出了煙草廢棄物沼氣化利用的難點(diǎn)和技術(shù)發(fā)展方向。

1 煙草廢棄物的特性

1.1 產(chǎn)量

原料的產(chǎn)量是評(píng)估某一區(qū)域產(chǎn)沼氣潛力的重要資料，利用原料產(chǎn)量和原料可收集系數(shù)，結(jié)合沼氣工程的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，即可對(duì)工程規(guī)模、原料收集半徑等參數(shù)提供準(zhǔn)確的依據(jù)。煙草秸稈的產(chǎn)量通常采用草谷比法確定。根據(jù)我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品統(tǒng)計(jì)說明[11]，煙葉產(chǎn)品以干煙葉計(jì)算。煙草的草谷比是指煙稈(包括收獲在煙稈上的剩余殘次煙葉)產(chǎn)量與煙葉產(chǎn)量之比，其數(shù)值在1.1～1.6之間[11-12]。此外，煙稈的單產(chǎn)量約為2250～3000 kg·hm-2[13]，這也可以作為煙稈產(chǎn)量估算的依據(jù)。對(duì)于廢棄煙葉，有學(xué)者估算，我國(guó)煙葉產(chǎn)量的約25%不能用作卷煙的生產(chǎn)從而廢棄[14]，通過這個(gè)比例也可以估算廢棄煙葉的產(chǎn)量。

1.2 理化特性

原料的理化特性是原料是否適合沼氣發(fā)酵的基礎(chǔ)，不同理化特性的發(fā)酵原料不但產(chǎn)沼氣性能有區(qū)別，沼氣發(fā)酵工藝、部分沼氣工程裝備的選擇也會(huì)不同[15]。

原料中的纖維素通常難以被沼氣發(fā)酵微生物直接快速利用，當(dāng)原料中的纖維素含量較高時(shí)，水解過程通常是沼氣發(fā)酵過程的限速步驟[16]。因此，農(nóng)作物秸稈類沼氣發(fā)酵原料在沼氣發(fā)酵之前通常采用切碎、堿處理等理化手段進(jìn)行預(yù)處理，從而獲得更高的沼氣發(fā)酵效率[15]。相對(duì)于主要農(nóng)作物秸稈，煙草秸稈的纖維素含量略高(見表1)，所以煙草秸稈進(jìn)行沼氣發(fā)酵的預(yù)處理難度可能更大。然而煙葉的纖維素含量較低(見表1)，其大量碳元素分布在果膠和還原糖中[17-18]，因此從纖維素含量和碳元素分布的角度看，煙葉沼氣發(fā)酵的可行性較大。相對(duì)于纖維素，木質(zhì)素成分更難被沼氣發(fā)酵微生物直接快速利用[19]，煙草秸稈的木質(zhì)素含量與主要農(nóng)作物秸稈相差不大(見表1)。通常認(rèn)為，沼氣發(fā)酵原料的碳氮比宜為20～30∶1[15]。雖然相對(duì)傳統(tǒng)主要農(nóng)作物秸稈，煙草秸稈的碳氮比較低，但是其仍然高于沼氣發(fā)酵適宜碳氮比的范圍，因此采用煙草秸稈與富氮原料(通常是畜禽糞便)混合進(jìn)行沼氣發(fā)酵普遍被認(rèn)為可以獲得更高的沼氣發(fā)酵效率[20-21]。煙草秸稈較高的碳氮比主要由于氮元素含量高于其它農(nóng)作物秸稈(見表1)。而煙葉的碳氮比則低于沼氣發(fā)酵適宜碳氮比的范圍。沼氣來產(chǎn)自于原料中的有機(jī)成分，原料成分中揮發(fā)分高，則可生物降解或產(chǎn)沼氣的潛力可能也高。從表1中數(shù)據(jù)看，煙草秸稈和煙葉的揮發(fā)分含量比傳統(tǒng)秸稈的揮發(fā)分含量高，所以從理論上看，煙草廢棄物產(chǎn)沼氣的潛力也應(yīng)該較好。但是，與傳統(tǒng)作物不同的是，煙草廢棄物中含有煙堿，而生物堿的存在有可能抑制沼氣發(fā)酵微生物的代謝活動(dòng)[22]，從而降低煙草廢棄物的沼氣產(chǎn)量。

此外，煙草秸稈、煙葉的不同部位，理化特性也有一定的區(qū)別[17,23-24]，在煙草廢棄物沼氣化利用中也需要有針對(duì)性的考慮。

表1 煙草廢棄物和主要農(nóng)作物秸稈理化特性 (%)

2 煙草廢棄物處理和利用方式

2.1 物化利用

2.2 生物利用

除了物理化學(xué)方法處理利用煙草廢棄物，采用好氧堆肥處理生產(chǎn)有機(jī)肥也是一種通常的生物處理方法。通過高溫好氧發(fā)酵，煙草廢棄物的總固體含量可以降低50%左右[37]，煙堿的含量降低80%左右[37-38]，降低了煙草廢棄物還田利用的成本和風(fēng)險(xiǎn)。但是，有研究表明好氧堆肥并不能去除煙草廢棄物中存在的病毒[39]，這對(duì)煙草廢棄物有機(jī)肥還田利用是不利的。而沼氣發(fā)酵已經(jīng)被證明對(duì)多種病原物有去除或鈍化作用[40-41]，因此相對(duì)于好氧發(fā)酵，沼氣化利用在生產(chǎn)能源的基礎(chǔ)上更有可能將沼肥安全回用至煙田中。

3 煙草廢棄物沼氣化利用

3.1 煙草廢棄物產(chǎn)沼氣潛力

煙草廢棄物的理化特性表明煙草廢棄物從成分上是可以進(jìn)行沼氣發(fā)酵生產(chǎn)沼氣的。38℃條件下的批式干發(fā)酵試驗(yàn)得出煙草秸稈的沼氣原料產(chǎn)氣率為333 L·kg-1TS或426 L·kg-1VS[29]，中試規(guī)模的高溫干發(fā)酵煙草廢棄物的原料產(chǎn)氣率為257 L·kg-1TS[42]，與傳統(tǒng)農(nóng)作物秸稈的沼氣原料產(chǎn)氣率接近。但是也有學(xué)者認(rèn)為煙草秸稈的產(chǎn)沼氣潛力顯著低于玉米、水稻等秸稈[43]。在煙草秸稈中添加畜禽糞便進(jìn)行混合發(fā)酵已經(jīng)被證明可以提升煙草秸稈的產(chǎn)沼氣潛力[20]，也有學(xué)者將煙草秸稈作為碳源添加至市政污泥中來提升市政污泥的沼氣發(fā)酵效率[44]。對(duì)于廢棄煙葉，有學(xué)者認(rèn)為其可以進(jìn)行單獨(dú)發(fā)酵，能獲得與煙草秸稈接近的原料產(chǎn)氣率[45]；相反，也有學(xué)者認(rèn)為廢棄煙葉煙堿含量較高，單獨(dú)發(fā)酵啟動(dòng)較為困難[27]。除了在批式發(fā)酵中探討煙草廢棄物的產(chǎn)沼氣潛力，也有學(xué)者研究了煙草廢棄物在不同規(guī)模的沼氣發(fā)酵裝置中進(jìn)行連續(xù)發(fā)酵的可行性。在近中溫條件下，200 L的沼氣發(fā)酵裝置中進(jìn)行煙草廢棄物的連續(xù)發(fā)酵，容積產(chǎn)氣率可以達(dá)到0.48 m3·m-3d-1，以日進(jìn)料量計(jì)的原料產(chǎn)氣率為192 L·kg-1TS，放大至10 m3規(guī)模的沼氣發(fā)酵裝置中，在環(huán)境溫度為12.7℃～29.6℃的條件下，常溫發(fā)酵的原料產(chǎn)氣率為169～282 L·kg-1TS[28]。有學(xué)者認(rèn)為，煙草廢棄物進(jìn)行連續(xù)發(fā)酵易酸化，采用氫氧化鈣調(diào)節(jié)pH值后進(jìn)行連續(xù)發(fā)酵的原料產(chǎn)氣率有很大提升，可以達(dá)到53.4 m3·t-1鮮重[46-47]。需要指出的是，上述許多研究中的煙草廢棄物在沼氣發(fā)酵前大多進(jìn)行了切碎、粉碎等物理預(yù)處理，有些還進(jìn)行了堆漚，因此試驗(yàn)得出沼氣產(chǎn)率有可能較高。煙草秸稈較玉米、水稻等傳統(tǒng)農(nóng)作物秸稈更硬，特別是靠近根部的秸稈硬度很大，所以在工程規(guī)模的應(yīng)用中，煙草秸稈的預(yù)處理難度會(huì)更高，這是制約煙草廢棄物沼氣化利用的一個(gè)因素。

3.2 利用沼氣作為能源烘烤煙葉

煤炭是烤煙能量的傳統(tǒng)來源，隨著全社會(huì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提升，國(guó)際上也開始提倡利用可再生能源烤煙。利用可再生能源烤煙可以在保證煙葉品質(zhì)的前提下，一定程度的降低烘烤成本、減少環(huán)境污染，目前可用于烤煙生產(chǎn)中的可再生能源有太陽能、電能、生物質(zhì)能等[48-49]。但是，利用太陽能的問題是受地域和天氣影響較大，利用電能的問題是種植烤煙的山區(qū)大功率供電的困難[50]。生物質(zhì)能源烤煙主要利用生物質(zhì)氣、生物質(zhì)固化燃料或沼氣等。對(duì)于沼氣烤煙，安徽省鳳陽縣早在1976年即有應(yīng)用，烘烤出的煙葉質(zhì)量也好于采用煤炭烘烤煙葉的質(zhì)量[51]。到1984年，湖南省鳳凰縣也有技術(shù)人員利用沼氣烘烤煙葉取得成功，降低了烘烤成本，也提升了煙葉品質(zhì)[52]。近些年，利用沼氣作為能源的新型烤房也已經(jīng)申請(qǐng)了相關(guān)知識(shí)產(chǎn)權(quán)[53]。但是，通常情況下沼氣的生產(chǎn)是全年連續(xù)并相對(duì)穩(wěn)定的，而煙葉烘烤只有在煙葉收獲的季節(jié)進(jìn)行，而且烘烤期間短時(shí)能量的消耗也比較大。因此，在非烘烤期間，沼氣要有其它的利用方式；在煙葉烘烤期間，若短時(shí)能量需求太大，還需要配套其它能源供給。針對(duì)以上情況，云南省在煙區(qū)示范建設(shè)了處理畜禽糞污的沼氣工程，沼氣在烘烤期間配合太陽能熱泵的輔助能源進(jìn)行煙葉烘烤，非烘烤期間沼氣用作發(fā)電或集中供氣等用途，沼肥用作煙田的有機(jī)肥料，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生態(tài)循環(huán)發(fā)展[54-55]。

3.3 沼肥在煙草生產(chǎn)中的作用

沼肥通常指以原料經(jīng)過沼氣發(fā)酵后的沼渣、沼液為載體，加工成的有機(jī)肥料。與發(fā)酵原料相比，沼肥更均質(zhì)，氮、磷比例也得到了改善。在實(shí)踐中沼肥也被證明了是良好的農(nóng)田肥料并能改善土壤質(zhì)量[56]。早在上世紀(jì)九十年代即有大田試驗(yàn)研究表明施用戶用型沼氣池的沼肥可使單株煙葉數(shù)量增加，葉片厚度增大，還可降低煙田土壤容重，促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收，使煙葉化學(xué)成分趨于協(xié)調(diào)[57]。近年來，通過系統(tǒng)的盆栽試驗(yàn)和大田試驗(yàn)研究得出：在苗期沼肥可以顯著提升煙苗根系質(zhì)量，沼肥中氮的濃度對(duì)煙苗根系質(zhì)量影響較大，但是相對(duì)于育苗專用肥，沼肥對(duì)煙苗葉片中光合色素含量、光合特性等生理特性指標(biāo)影響不大[58]；在大田生長(zhǎng)期，施用沼肥可以增加煙葉生物量，改善烤煙株高、葉數(shù)、葉面積等農(nóng)藝性狀，也顯著提升了煙葉的產(chǎn)量、產(chǎn)值等經(jīng)濟(jì)性狀，并指出每公頃煙田施用7.5噸戶用型沼氣池產(chǎn)生的沼液是合適的沼肥使用量[59-62]。此外，沼肥對(duì)煙草病毒病、黑脛病、煙蚜等病蟲害有不同程度的防治效果[61]，特別是對(duì)煙草赤星病的防治，有學(xué)者進(jìn)行了深入的研究得出，施用沼液與農(nóng)藥有相似的防治效果，沼液的發(fā)酵時(shí)間對(duì)煙草赤星病防治效果有影響，并證明對(duì)煙草赤星病病原菌起作用的主要是沼液中的微生物[63-64]。

3.4 沼氣發(fā)酵過程對(duì)煙草病原物的作用

普遍認(rèn)為沼氣發(fā)酵過程對(duì)動(dòng)、植物的病原菌有殺滅或鈍化作用，且發(fā)酵時(shí)間越長(zhǎng)、發(fā)酵溫度越高，沼氣發(fā)酵過程對(duì)病原菌的殺滅或鈍化作用越好[40-41,65-66]。但是，沼氣發(fā)酵過程對(duì)煙草病原物的作用研究較少，有研究表明[20]中溫發(fā)酵(35℃)對(duì)黃瓜花葉病毒(CMV)有較好的去除效果，對(duì)煙草花葉病毒(TMW)去除效果不好；高溫發(fā)酵(55℃)對(duì)TMV和CMV都有去除作用。關(guān)于污水中TMV的滅活動(dòng)力學(xué)研究表明，溫度也是影響TMV活性最主要的因素[67]，在污水處理系統(tǒng)中，TMV也可能未被滅活而是被吸附在固態(tài)污泥之中[68-69]。如前一部分介紹，沼液對(duì)煙草赤星病真菌的抑制作用也可能來自與沼氣發(fā)酵微生物的作用[63]。沼氣發(fā)酵過程對(duì)煙草細(xì)菌病的殺滅或鈍化作用未見報(bào)道。煙草病原物的存在是制約煙草廢棄物沼氣發(fā)酵后，沼肥回用至煙田的重要因素，因此深入探索煙草病原物在沼氣發(fā)酵過程中的抑制或鈍化效果和機(jī)理，對(duì)煙草廢棄物通過沼氣發(fā)酵進(jìn)行生態(tài)循環(huán)利用有重要意義。

3.5 煙堿對(duì)沼氣發(fā)酵的作用及其在沼氣發(fā)酵過程中的降解

煙堿是生物堿的一種，一定濃度的生物堿對(duì)沼氣發(fā)酵微生物的代謝有抑制作用[22,70]。煙堿與發(fā)酵料液體積比為0.5%時(shí)，以葡萄糖為底物的沼氣發(fā)酵過程甲烷產(chǎn)量降低了86.93%[22]，因此對(duì)照表1中煙草秸稈和廢棄煙葉的煙堿濃度，廢棄煙葉在料液中稀釋10倍的條件下也會(huì)嚴(yán)重影響沼氣發(fā)酵微生物的活性。另一方面，以前的研究表明，生物堿不能被沼氣發(fā)酵微生物利用[22]，但是近些年有關(guān)于低濃度的鴉片生物堿廢水通過好氧或厭氧技術(shù)進(jìn)行處理的報(bào)道[71-72]。在煙草薄片生產(chǎn)中也會(huì)產(chǎn)生大量的含有煙堿的廢水，有報(bào)道采用升流式厭氧污泥床反應(yīng)器(UASB)處理煙草薄片廢水，研究發(fā)現(xiàn)煙堿的生物降解率不高，通過外加硝酸鹽來誘導(dǎo)馴化厭氧顆粒污泥中反硝化菌的代謝活動(dòng)后，煙堿的去除效率可以達(dá)到76%[73-74]。但是廢水中煙堿的濃度僅有120 mg·L[73]，遠(yuǎn)低于報(bào)道的煙堿抑制濃度[22]。因此，煙草廢棄物稀釋到一定程度，例如與其它原料進(jìn)行混合發(fā)酵生產(chǎn)沼氣，從煙堿抑制微生物代謝的角度看是可行的。

4 結(jié)論及展望

煙草廢棄物的資源化利用符合農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展、建設(shè)美麗鄉(xiāng)村、打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)等任務(wù)需求。沼氣發(fā)酵是農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用的有效手段?？傮w來說，在滿足一定工藝技術(shù)條件時(shí)，煙草廢棄物通過沼氣發(fā)酵進(jìn)行資源化利用是可行的。但是，由于煙草廢棄物的一些特性，其進(jìn)行沼氣發(fā)酵還有一定的限制因素：1)與其它農(nóng)作物秸稈類似，煙草秸稈碳元素含量較高，作為沼氣發(fā)酵原料單獨(dú)發(fā)酵碳氮比不合適；2)相對(duì)于傳統(tǒng)農(nóng)作物秸稈煙草秸稈較硬，進(jìn)行沼氣發(fā)酵之前的預(yù)處理難度較大；3)煙草廢棄物中含有煙堿，有可能影響沼氣發(fā)酵微生物的代謝；4)煙草廢棄物中可能含有病原物，這會(huì)影響煙草廢棄物沼氣發(fā)酵后的沼肥還田資源化利用。

針對(duì)以上制約因素，關(guān)于煙草廢棄物沼氣化利用的研究應(yīng)側(cè)重?zé)焿A抑制沼氣發(fā)酵微生物代謝機(jī)制，煙堿在沼氣發(fā)酵過程中的降解機(jī)理，煙草病毒病、細(xì)菌病和真菌病病原物在沼氣發(fā)酵過程中的抑制等方面。技術(shù)方面，應(yīng)探索煙草廢棄物與其它農(nóng)業(yè)廢棄物混合發(fā)酵生產(chǎn)沼氣的機(jī)制，研發(fā)適用于煙草廢棄物沼氣發(fā)酵的預(yù)處理技術(shù)和裝備。在應(yīng)用領(lǐng)域，形成煙草廢棄物發(fā)酵后的沼肥安全回用模式，提高沼氣烤煙的產(chǎn)量，優(yōu)化并推廣“畜—沼—煙”等生態(tài)模式，最終為煙草的綠色生產(chǎn)創(chuàng)造有利的條件。