沼氣發酵原料研究*

李家琪，張 勝，董秀婷，陳 薇

（中南林業科技大學材料科學與工程學院，湖南長沙 410004）

沼氣發酵原料研究*

李家琪，張 勝※，董秀婷，陳 薇

（中南林業科技大學材料科學與工程學院，湖南長沙 410004）

沼氣發酵是國內外生物質能源研究的熱點，沼氣發酵原料是沼氣發酵過程的關鍵影響因素。文章主要介紹國內外沼氣發酵原料的相關研究，將沼氣發酵原料分為植物類發酵源、動物糞便類發酵源、有機污水類發酵源和混合型發酵源四大類，并指出動物糞便類原料的大規模集中處理和沼氣發酵原料整體結構的優化升級將成為我國未來沼氣發酵原料的發展方向，對沼氣工程的建設與發展具有重要的實際意義。

沼氣發酵原料 分類 發展前景

沼氣是一種可再生的生物質氣體燃料，在石化資源日益枯竭的當今，高效利用生物質轉化獲得清潔沼氣已成為國內外研究的熱點。沼氣發酵原料是沼氣發酵過程的關鍵影響因素。目前，沼氣發酵原料種類繁多，來源甚廣，各有特點。經研究分析國內外大量相關文獻，文章將其分為植物類發酵源、動物糞便類發酵源、有機污水類發酵源和混合型發酵源四大類，并指出沼氣發酵原料的未來發展趨勢，對沼氣發酵的實際應用有著重要價值。

1 植物類發酵源

植物類發酵原料包括作物秸稈、植物廢葉、農林產品加工廢料、水生植物等。不同地區可用作發酵原料的植物種類不同，取決于當地植被分布類型、所種植的作物類型及經濟產業特點。

1.1 作物秸稈

作物秸稈包括以糧食作物為主的農作物秸稈和以花卉、蔬菜為主的經濟作物的秸稈。絕大多數的作物秸稈含有大量的粗纖維和多種微量元素，可進行厭氧沼氣發酵研究。

玉米、水稻、小麥等農作物秸稈產量較多，是作物秸稈發酵的主要研究對象。郭萃萍[1]研究了干稻稈發酵制沼氣的具體參數和工藝條件，對干稻稈發酵的各影響因素進行正交試驗，優化處理正交實驗的參數，得到了干稻稈發酵的最適條件。在以花卉產業為特色經濟產業的地區，大面積種植花卉的同時，面臨著如何合理而有效地處理廢棄秸稈的關鍵問題。

經濟作物秸稈種類豐富，因地而異。楊紅等[2]研究了玫瑰秸稈產沼氣潛力表示，在一定條件下，玫瑰秸稈相對于其它植物性原料發酵具有優越性。當地大型鮮花種植基地提供了充足的發酵原料。此外，沼渣可作為養料提供給種植基地，且具較高肥效，可實現能源的循環再利用。

研究表明，秸稈沼氣發酵具有巨大的發展潛力，但其收集存在季節性制約，不易降解。現階段，以作物秸稈作為發酵原料的工藝處于瓶頸期，利用率較低，仍需深入研究。

1.2 植物廢葉

植物廢葉包括雜草、樹葉、菜葉等葉類。植物廢葉含纖維素、半纖維素等糖類，具有沼氣發酵的利用潛力，但常作垃圾處理，關注度低。隨著生物質能源觀念和可持續發展理念深入人心，現階段對植物廢葉用于沼氣發酵的研究報道逐漸增加。

雜草對農業種植和城鄉景觀有不利影響，經常除去而不加以利用，以雜草進行沼氣發酵，對雜草綜合利用有指導性意義。劉靜輝等[3]將野艾蒿作為發酵原料，開展批量式厭氧發酵研究表明，以野艾蒿為原料進行沼氣發酵，效果良好。

當某地區遭受植物入侵時，如何合理地處理入侵的植物往往成為關鍵。李榮峰等[4]以常見的6種外來入侵植物為主要發酵原料，進行了制備沼氣的試驗研究，結果表明，所研究的植物原料皆可產生沼氣。其中，車前草的發酵效果最佳。當入侵植物數量足夠大、發酵產氣性能滿足一般要求時，通過沼氣發酵處理不失為一種方法。

另外，廢棄的樹葉、菜葉、茶葉等葉類也可以用以沼氣發酵。李亞純等[5]研究指出，可以將烤煙廢棄鮮葉作為原料發酵產沼氣。

1.3 農林產品加工廢料

農林產品加工廢料是指，在以農林產品為原料進行加工過程中，未被利用的殘品、殘渣剩余物等。當農林產品加工工業發展至一定規模時，廢料的合理處理成為一個難題。通過沼氣發酵可實現廢料資源化，提高經濟效益與環保效益。

農林產品加工時的殘品可以用作發酵原料。劉偉偉等[6]研究了腐爛、病害梨、蘋果的沼氣發酵，實驗說明，腐爛、病害蘋果、梨均可作為良好的沼氣發酵原料。

水果種植業中除秸稈可以發酵產氣外，果皮也可通過沼氣實現無廢物處理。朱海春等[7]探究了以香蕉皮為沼氣發酵原料的沼氣發酵工藝，結果表明，在平均溫度為23.3℃的條件下，成熟香蕉皮的總固體殘渣（TS）產氣潛力為752.16 ml/g，揮發性固體殘渣（VS）產氣潛力為

975.05 ml/g，產沼氣性能優良。

此外，以殘渣廢料為原料，省去了原料粉碎的步驟，更易被菌群分解。白娜等[8]對茶渣發酵潛力進行了研究指出，茶渣的沼氣發酵性能良好。

1.4 水生植物

我國的海洋資源、水產資源豐富。目前，從海洋生物中制乙醇、生物柴油已有研究，但用于沼氣發酵的研究較少。由于環境保護的需求，相關研究主要集中于水域環境破壞性水生植物、藻類的沼氣發酵，如水葫蘆、水花生、藍藻[9]。

鐘祥榮[10]研究了水葫蘆的厭氧發酵性能，并提出了漓江流域水葫蘆治理的新方案，實驗結果表示，水葫蘆干物質的產沼氣量為0.4 m3/kg。高春燕等[11]研究了大型海藻發酵生產甲烷技術指出，海藻可作為一種新的發酵沼氣原料，但在相關工藝上缺乏深入研究。近幾年，部分區域水體出現富營養化，藻類數量呈爆炸性增長，利用藻類等水生植物為原料制備沼氣，可“化險為夷”，實現藻類的高效處理和水體環境的有效整治。

通過研究表明，以水生植物為沼氣發酵原料具有可行性，其缺點在于原料含水量過高，預處理過程耗時、耗力，且未經中試放大研究，實際應用效果未知。

2 動物糞便類發酵源

動物糞便主要指人畜家禽糞便，是現階段我國農村沼氣發酵的主要原料[12]。隨著城鎮化發展，養殖業逐漸大規模集約化，這為沼氣集中發酵提供了充足的動物糞便，使得大型沼氣發酵工程的發展建設成為可能。

宋立等[13]對6種家畜家禽糞便的產沼氣潛力進行了對比研究發現，在中溫發酵條件下，各種原料總固體產氣率的順序大小為：兔糞＜羊糞＜牛糞＜豬糞＜鴨糞＜雞糞，但豬糞產量最大。因此，綜合考慮，常使用豬糞做沼氣發酵原料。吉喜燕等[14]研究了鴿糞為沼氣發酵原料時的產氣效果，實驗表明，鴿糞是一種具有較好發酵性能的沼氣原料，單位產沼氣量略高于其他家畜糞便原料。

動物糞便經厭氧發酵后，除了可以產生清潔、高效、可再生的沼氣，其沼渣還可用作肥料，且發酵過程避免了碳、氮的流失逸散，因此，與原糞便相比其沼渣的肥力更佳[15]，可提供農業生產過程所需的養分，形成廢料的能源化循環利用。

不容忽視的問題是，隨著我國城鎮化建設的深入和居民收入水平的普遍提高，養殖業逐漸由分散經營向集中經營轉型，農村普通養殖戶的數量減少，這將造成農戶用動物糞便類沼氣發酵原料的不足，而依靠于大規模養殖場的集中產沼氣仍具有一定的發展前景。

3 有機污水類發酵源

有機污水主要包括工業有機污水、養殖業污水、城鄉生活污水，可用于沼氣發酵的主要是易于生物降解的、有害物質較少的、有機污染物濃度較高的有機污水，其來源有以農牧產品為原料的工業污水、城市生活污水和餐余廢水等。

3.1 有機污水產沼氣現狀

隨著環保形勢的日益嚴峻，有機污水的高效處理問題越發的引人注目，而通過生物厭氧發酵產沼氣是一種重要資源化處理方式。翁新春等[16]對比分析了食品工業污水處理中的厭氧生物處理工藝與好氧生物處理工藝指出，厭氧生物處理具有多方面的優勢，是一種節能型污水處理工藝，將成為食品工業污水處理的主流方向。Periyasamy Elaiyaraju等[17]人發現西米加工污水經厭氧發酵可以生產沼氣，單位體積污水的一級產氣量可達3 393 ml。同時，可以有效降低有機污水對環境的污染。

鄭超[18]研究了纖維乙醇的沼氣發酵工藝，并探究了微量金屬離子對厭氧發酵過程的影響，探索出了一條高效的纖維乙醇污水資源化處理途徑。李淑蘭[19]等人通過實驗證明了木材加工污水沼氣化處理是行之有效的。廖家林[20]在餐余廢水的厭氧發酵的基礎上，研究了油脂對產氣性能的影響，實驗指出，廢水中適量的油脂可以提高沼氣中甲烷含量。

3.2 有機污水源沼氣的利用

人們開發了多種有機污水發酵沼氣的利用方式，主要用于發電、燃料。Ivan Felipe Silva dos Santos等[21]人分析了巴西污水處理廠厭氧產沼氣的可行性和市場潛力指出，隨著污水聯合農林廢棄物厭氧發酵產生沼氣量的進一步提高，沼氣發電工業具有一定的市場潛力。郭悅嬌[22]等人研究分析了高濃度有機污水處理領域的 CDM項目，此項目是由某釀酒廠產出的污水，通過厭氧發酵制得沼氣發電的效能，提高經濟價值，減少溫室氣體對環境的污染。

南寧市安寧淀粉有限責任公司[23]將木薯淀粉和酒精高濃度有機廢水作為原料生產沼氣，將其純化為天然氣，并將其大規模應用于出租車興業，解決了燃氣和高濃度有機污水的處理問題。

利用沼氣的厭氧發酵，綜合利用高有機物含量的城市污水或工業污水，是污水處理的一種途徑[24]。集中回收污水中所含的溫室氣體，一方面可減輕由污水引起的溫室效應，使污水清潔化；另一方面可實現污水中的有機物的循環利用，使污水能源化，有機污水生產沼氣是未來沼氣發酵的希望。

4 混合型發酵源

混合型發酵原料是指，經一定工藝技術將2種或2種以上的原料充分混合所得的沼氣發酵原料，一般是將農作物秸稈和人畜家禽糞便混合。在我國，采用混合型原料進行聯合發酵是農村沼氣發酵的特點之一。實際應用中，應根據原料的組分的特點，選擇科學、合理、適宜的配比。

王金利等[25]研究了甘蔗葉干法厭氧發酵產沼氣過程，采用草糞混合型發酵原料，以及甘蔗葉經堆漚與新鮮豬糞混合，在接種量為30%，草糞比為1∶1，發酵溫度為35℃的條件下，得到較好的發酵效率。Shungang Wan等[26]研究了以餐余垃圾和芒草為混合沼氣發酵原料的工藝技術發現，該混合原料經45 d分解發酵，平均產氣量為429.3 L/kg，甲烷含量約為60%。趙云飛等[27]研究了餐余垃圾與污泥固體的聯合產氣特性發現，隨著混合底物中污泥所占比例的增加，沼氣中甲烷含量也隨之增加；另一方面，亦可以緩解 VFAs 抑制作用。

與單一組分原料的沼氣發酵相比，混合發酵具有易分解、效率高、穩定性強等優勢[28]。其應用將隨著沼氣發酵研究的深入而不斷擴大。

5 總結與展望

利用生物質進行沼氣發酵。一方面，可以代替部分石化能源，緩解能源壓力；另一方面，通過廢棄資源的合理利用，為環境凈化提供了良好的整治方案，可以實現產業剩余物資源化、能源化、無害化。

經研究發現，現階段的沼氣發酵原料主要分為植物類發酵源、動物糞便類發酵源、有機污水類發酵源和混合型發酵源等四大類，具有種類豐富、分布廣泛、廉價易得的特點。植物類發酵來源甚廣，但存在難以降解的問題。動物糞便類發酵源產氣效果優良，但傳統飼養業開始向規模化飼養轉型，沼氣產業也趨于集中化、規模化，普通農戶的沼氣原料會受到限制。目前，我國有機污水產沼氣的探索尚處于初級階段，對環境保護的重要實際意義將推動該領域不斷的深入研究。在各原料配比有良好控制的條件下，混合型發酵源的產氣質量較高，優勢明顯。

“十三五”時期，我國將加大生態文明建設，在沼氣工業的開發過程中，挑戰與機遇并存。沼氣原料方面，由于動物糞便類發酵源材料將逐漸受限，未來沼氣發酵原料或向秸稈類發酵源和有機污水類發酵源發展，但受到相關技術的制約，在未來的一定時間內，主要的沼氣發酵原料將會成為動物糞便與其它原料的混合型原料。一方面，未來可依托大型養殖場建設大規模的沼氣產業，集中利用動物糞便產沼氣；另一方面，大力開發沼氣原料降解利用的關鍵技術，逐步擺脫對動物糞便類發酵源的過度依賴，實現沼氣原料整體結構的優化升級，是我國沼氣發酵原料的未來發展方向。

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※張勝為通訊作者，gingshen123@126.com

中南林業科技大學“十二五”專業綜合改革研究項目（20126401）