生物质废弃物厌氧发酵的研究进展

　　1 前言

　　生物质包含了全体的动物植物微生物，相比较于传统的活化石而言有着更好的可再生性，能够用做资源。在用作资源的过程中需要经过厌氧发酵的过程，文章就此进行分析。

　　2 厌氧发酵在生物质发酵的应用

　　厌氧发酵技术是生物质废弃物实现资源化利用的有效途径之一。生物质厌氧发酵是在厌氧细菌的同化作用下，有效地把生物质中的有机质转化，最后生成具有经济价值的甲烷及部分二氧化碳，即可作为燃烧及发电使用，且沼渣可以作为动物饲料或土地肥料，沼液还可以作为农作物的营养液。笔者综述现阶段利用生物质废弃物资源厌氧发酵的研究成果，以及利用预处理、不同生物质混合发酵和添加外源催化剂等手段来强化生物质厌氧发酵的进展。农作物、油料作物、农业有机剩余物、林木和森林工业残余物等生物质资源通常都能提供能源。一些生物质废弃物资源，如动物的排泄物、江河湖泊的沉积物、农副产品加工后的有机废物和废水、城市生活有机废水和有机垃圾等也可通过厌氧发酵等一些方式提供能源，依据来源的不同可将其分为：农业生物质资源、林业生物质资源、畜禽粪便、生活污水和工业有机废水、城市固体有机废弃物等几类。

　　不同生物质废弃物具有不同的厌氧发酵产气潜力。玉米秸秆、麦秆、花生秧、菌渣和花卉秸秆等农业废弃物是较好的生物质资源。刘亮等采用花生秧作为发酵底物进行厌氧发酵，产沼率达367．62mL•g－1TS（总固体含量）。石勇等用小麦秸秆和红薯藤叶混合厌氧发酵，当碳氮比为25∶1时产气效果最佳，产气量为317．88mL•g－1TS。程辉彩等用平菇菌糠作厌氧发酵，优化厌氧发酵条件后，产气率提高了103．7%。姚利［23］等把鸡腿菇菌渣经过适当的处理可实现高效发酵产沼气，原料产气率可达133mL•g－1TS。刘德江等用棉籽壳、稻草、小麦秸秆等3种菌渣作为发酵底物进行厌氧发酵，结果表明：3种菌渣均可发酵产沼气，以棉籽壳菌渣产沼气的效果最好，其次是稻草菌渣，小麦秸秆菌渣效果较差。杨红等以玫瑰秸秆和非洲菊秸秆为发酵原料，在恒温30℃条件下进行厌氧发酵，产气潜力分别为305mL•g－1TS和358mL•g－1TS。

　　能源植物是指直接用于提供能源为目的的植物。广义的能源植物包含所有的陆地和海洋的植物，狭义的能源植物是指能量富集型的植物。罗艳等用不同生长期的皇竹草为原料进行厌氧发酵实验，发现生长期为35d和68d的原料产气量分别为243．77mL•g－1VS和247．06mL•g－1VS。肖正等用巨菌草厌氧发酵发现15d沼气累积产量为406．5mL•g－1TS。陈金发等用紫茎泽兰的茎进行厌氧发酵，30℃产气量为152．8L•kg－1TS。李连华等以柳枝稷荻和杂交狼尾草为原料进行厌氧发酵，不同能源草品种发酵过程中的平均甲烷含量为51%～52%，产甲烷率为214～288mL•g－1VS。因此，将农业生物质资源进行厌氧发酵，不仅减少了农业废弃物焚烧对大气的污染，而且充分利用了能源植物所含有的能量，有效地解决了环境污染和能源危机。

　　常见的一些林业废弃物有树皮、树枝和树叶。由于树皮和树枝中含有较多的难以降解的木质纤维素，而树叶较之容易，李秋敏等以银杏叶为原料进行厌氧发酵，获得了374mL•g－1TS的产气量。林业副产品废弃物具体是指一些果皮等。Ge等典型的热带林业废弃物（合欢类生物质以及一些副产品废弃物）分别进行厌氧湿发酵和厌氧干发酵后发现：不论在何种发酵方式下，热带林业废弃物可以进行稳定的厌氧发酵，其产气量为345～411L•kg－1VS。将林业废弃物进行厌氧发酵，减少其对环境的污染，使得其实现了资源的多元化利用。

　　畜禽粪便是一种很好的生物质资源，宋立等以鸭粪、羊粪和兔粪为发酵原料，在不同温度条件下进行了厌氧消化试验，35℃±1℃时各原料产气率分别为：羊粪273mL•g－1TS，鸭粪441mL•g－1TS，兔粪210mL•g－1TS。杨斌等对虎粪的单独发酵以及虎粪和象粪的混合发酵（质量配比为3∶5）进行了对比实验研究发现：在虎粪的单独发酵过程中，料液发生“氨中毒”现象，沼气发酵被抑止；虎粪和象粪混合发酵的产气率为206mL•g－1TS。因此，虎粪和象粪的混合发酵能有效解决虎粪单独发酵易发生的“氨中毒”问题。畜禽粪便的厌氧发酵，一方面，解决了其对环境污染问题；另一方面，实现了其的资源化应用。

　　3 强化生物质厌氧发酵的方法

　　将含有大量纤维素和木质素等难降解成分的物质（秸秆和能源作物等）直接厌氧发酵的效果并不理想，但对富含此类成分的原料经预处理后再发酵，或将几种原料在一起混合发酵可以改善发酵效果。同样采用催化剂也可以获得较好的产气效果。强化生物质厌氧发酵是目前生物质厌氧发酵研究的热点。预处理的目的在于破坏原料的结构，提高其降解率。

　　常用预处理方法包含物理预处理、化学预处理以及生物预处理。物理预处理法是利用热能、机械能、电磁辐射能等作用于难降解的生物质，破坏其细胞壁，释放胞内物质，降低难降解生物质的利用难度。物理预处理主要包括热预处理、微波预处理和超声波预处理等。热预处理可破坏生物质的细胞壁，将胞内有机物释放，使不溶性有机物转化为溶解性有机物，大大缩短水解时间，提高产沼气效能。Ariunbaatar等在80℃对食品废弃物热处理1．5h后，再进行厌氧发酵，其产气量为647．5±10．6mLCH4•g－1VS，与未处理相比，甲烷含量提高了52%。

　　微波预处理破坏生物质细胞壁有两种机制：微波引起分子振荡，导致生物质温度升高，从而引发热效应；微波产生的交变电场使细胞壁中大分子的氢键断裂，从而破坏细胞壁结构。冯磊等用不同的微波强度处理秸秆后进行厌氧消化，发现微波处理明显促进了秸秆厌氧消化，经预处理秸秆的平均日产气量由未被预处理的6．21mL•g－1VS上升到8．16mL•g－1VS，提高了31．33%；甲烷浓度平均浓度由原来的50%提高至62%。李连华等研究了微波照射对能源草厌氧发酵性能的影响，获得了345．16mg•g－1TS的产气量。超声波的作用是利用超声低频时的空穴效应和高频时的化学效应。

　　4 结语

　　我国有着大量的生物质能源原料，如果能充分应用的话则可以有效的推动资源应用进展，获得更好的发展，文章分析了在这一过程中应用厌氧发酵的措施，实现了综合化的利用过程。