菌糠厭氧發酵的研究進展

張建偉，曹燕篆，卜玉山

（山西農業大學資源環境學院，山西太谷030801）

近年來，作為白色農業的食用菌產業發展迅猛，我國現已成為食用菌生產大國，據2015 年中國食用菌協會數據統計，產量已達590.18 萬t[1]。調查顯示，每生產1 kg 的食用菌約可產生5 kg 菌糠[2]。大量的菌糠若處理不當，不僅會污染環境，同時也會浪費資源。菌糠含有豐富的菌體蛋白、木質纖維素及微量元素等，目前其再利用方式主要包括動物飼料、農作物肥料、食用菌的二次成料、燃料和能源材料[3]、土壤改良劑和修復材料以及作為水稻、花卉和蔬菜等無土栽培基質等。

隨著社會的進步與發展，菌糠作為新型生物能源沼氣的原料開發前景十分可觀。大力發展廢棄菌糠的利用，一方面可以優化能源結構、創新農村農業生產經營方式，同時可緩解食用菌生產原料成本高、菌林和菌牧矛盾加劇等問題，減少對環境的破壞和污染，實現資源循環利用。以菌糠為原料生產的沼氣可用于燃氣，沼渣可用于育秧，沼液可用于浸種或豬飼料添加劑，由此形成農作物—食用菌—沼氣—有機肥（或飼料）—農作物生物質循環作用的高效生態農業模型[4]。

本研究從菌糠原料特性、厭氧發酵過程中的影響因素、預處理方式及存在的問題等方面展開論述，旨在為菌糠資源的開發利用提供理論依據。

1 菌糠的原料特性

菌糠是利用秸稈、木屑等原料進行食用菌栽培后的廢棄基質，其具有多孔結構，粒徑大小取決于菌糠的成分配方，含水量在30%～50%，干基有機質含量約40%～60%[5]。婁子墨等[6-7]研究指出，平菇出菇后菌糠水分明顯下降，pH 變化不大，而多糖、蛋白質等有機物的含量增加。菌糠結構主要由木質纖維素組成，同時富含N、P、K 等大量元素，Ca、Mg、S 等中量元素及Cu、Zn、Fe、B、Mn 等微量營養元素，能夠在厭氧發酵過程中為微生物提供營養。林滿紅等[8]研究發現，發酵原料的營養成分含量越高，木質纖維素含量越低，產沼氣效果越好。麻明可等[9]研究表明，降解率與沼氣產率、甲烷產率均成正比，其中，木質纖維素的降解以半纖維素為主。在產甲烷菌的化學組成中，Fe、Co、Ni、Cu、Zn 是多種產甲烷菌的重要組成成分，其中，Fe、Co、Ni 的含量較高，需求量大，而秸稈類原料營養成分不足，其所含的Fe、Co、Ni 等微生物代謝所必需的微量元素不夠，導致其在厭氧反應器中不能維持微生物代謝所必需微量元素的足夠濃度，而菌糠中Fe、Ca、Mg、Zn 等微量元素都能成為沼氣發酵的原料，同時菌糠中豐富的營養物質可以將發酵的時間縮短，提升甲烷的產氣效率，滿足甲烷菌對有機質的需求[10-12]。此外，菌糠厭氧發酵出料可以制備肥料，路子佳[13]經樣品測試得出，菌糠中As、Hg、Pb、Cd、Cr 等5 項重金屬含量均達到NY 525—2012 有機肥料國標要求，還田施用不存在重金屬污染風險。

2 菌糠厭氧發酵的影響因素

2.1 發酵原料

沼氣在我國農村已有幾十年的歷史[14]，菌糠作為發酵底物來生產沼氣是理想的發酵原料，并且易于粉碎，既可以縮短投料前的準備時間，還能縮短發酵時間、降低換料工作量。易降解的發酵原料，可以快速啟動發酵過程，大大提高了發酵效率；若不易降解，則容易造成反應體系中酸積累嚴重，進而使啟動后產氣量過低，甚至無法啟動發酵過程[13]。劉德江等[15]用棉籽殼、稻草、小麥秸稈等為原料的3 種菌渣作為底物進行厭氧發酵，結果發現，3 種菌渣均可發酵生產沼氣，產沼氣效果依次為棉籽殼菌渣＞稻草菌渣＞小麥秸稈菌渣。鄧媛方[16]研究發現，香菇廢棄菌棒、杏鮑菇廢棄菌棒和平菇廢棄菌棒均具有良好的產氣潛力，且香菇菌棒總產氣量＞杏鮑菇菌棒總產氣量＞平菇菌棒總產氣量。有研究表明，1 kg 的平菇菌糠可產0.15～0.20 cm3的沼氣[17]；1 m3的平菇下腳料作沼氣發酵底物，平均可以日產沼氣0.25 m3[18]。

2.2 發酵的接種物與進料濃度

2.2.1 發酵的接種物 接種物中沼氣發酵微生物的含量是影響發酵啟動速度的重要因素。適當的接種量也是發酵成功的關鍵因素。一般沼氣發酵均以活性污泥為接種物。程輝彩等[19]以平菇菌糠為原料，調節有機負荷比為6%～8%、C/N 為（24～26）∶1、初始pH 值7.0～7.5 進行厭氧發酵，取富含菌群的厭氧活性污泥為接種物，相比其他發酵條件原料產氣率提高了103.7%，有機質利用率提高了124.4%。鄧媛方等[20]通過優化接種物及料液質量分數，以香菇廢棄菌糠作為高碳原料，30 ℃發酵總固體成分（TS）產氣率達0.16 L/g，較對照組TS 產氣率增長128.57%。路子佳[13]則以沼液為接種物并完全替代清水進行發酵，沼液中含有大量的沼氣發酵微生物，可以快速啟動沼氣發酵進入產氣高峰期，并且沼液的TS 為3.01%，對沼氣發酵起始的總固體含量影響較小。

2.2.2 發酵的料液濃度 其總固體含量在5%～10%比較適宜。若總固體含量過低，產氣量少，利用率低；總固體含量過高，會導致發酵系統酸化，產甲烷失敗，從而影響發酵的正常進行。路子佳[13]在53 ℃進行菌糠發酵生產沼氣，結果得出，最適的發酵料液TS 濃度為10%，其產氣潛力為367.5 m3/kg。麻明可等[9]利用菇渣作為原料，在35 ℃溫度條件下進行厭氧發酵，結果也得出，當干物質濃度等于10%時為最佳，此時累計產甲烷量為4 034.71 mL；當初始干物質的濃度小于10%時，產氣性能會提升，與初始干物質濃度增加呈正相關；反之大于10%時，產能則越來越小。

2.3 發酵溫度與碳氮比

2.3.1 發酵溫度 其是沼氣發酵微生物的重要影響因素，可以進行發酵的溫度通常在10～60 ℃，分為高溫發酵（45～60 ℃）、中溫發酵（30～45 ℃）和常溫發酵（發酵溫度隨環境而變）[21]，隨著溫度的變高，發酵周期會逐漸縮短，產氣率也會提升。在發酵進行時，反應溫度突然出現5 ℃以上的幅度變化則會抑制產甲烷菌的活性，使沼氣產生量降低，也可能終止生產；若短時間內恢復溫度，產氣又可正常進行[13]。秦文弟等[22]用榆黃蘑菌糠為原料，在24～34 ℃的溫度條件下進行厭氧發酵，原料產氣潛力為0.12 m3/kg。

2.3.2 碳氮比 合適的C/N 能促進厭氧發酵穩定運行，而C/N 失衡，則會出現酸化或氨氮累積，使厭氧發酵受到抑制。因此，菌糠C/N 大部分在30∶1 以下，如果大于此比例則不利于微生物的固氮作用[23]。正是因為菌糠具有C/N 高、發酵過程易酸化的特點，研究人員才采用C/N 較低的廢棄物（例如豬糞、雞糞和菌糠混合后）進行厭氧發酵。李亞冰等[24]研究發現，在發酵過程中，添加尿素可以調節C/N，可明顯提高產氣高峰期的日產氣量及甲烷含量，其中，木耳、滑子菇、平菇菌糠總產氣量與對照組相比分別增加了59.4%，41.4%，127.6%，并且能夠使產氣高峰期提前，在高峰期可以明顯提高沼氣中的甲烷含量，同時能延長產氣高峰期時間。

2.4 發酵的pH

pH 也是影響沼氣發酵效率的因素之一，pH 過低或過高都會導致沼氣發酵微生物的活性受到抑制。微生物發酵的適宜pH 值為6.8～7.5，菌糠的pH 值在6.0～8.0。在發酵過程中，反應體系中的pH值一般由微生物自身進行調節。食用菌培養基常常添加生石灰，因此，菌糠發酵液起始pH 值較高。劉家亨[25]研究了香菇菌糠厭氧發酵過程中的pH 值變化，結果得出，在發酵正常時pH 值在7.0 左右，而此時發酵液容易酸化，主要由于原料降解時產生較多揮發脂肪酸，甲烷菌不能吸收利用的部分降低了發酵液pH 值。林滿紅等[8]試驗結果表明，茶樹菇菌糠、銀耳菌糠、杏鮑菇菌糠中，杏鮑菇菌糠發酵液的酸化程度最高，可推測其易降解轉化成有機酸的成分較多，而茶樹菇菌糠發酵液的pH 值最低（7.3），這是因為其可能含有較多難以降解或轉化成有機酸的成分。

2.5 發酵工藝

2.5.1 進料方式 混合厭氧發酵技術是菌糠厭氧發酵常采用的方法，而進出原料的方式主要分2 種：一是批式發酵，二是連續發酵。當總固體含量大于20%時為干發酵技術，而菌糠的干發酵試驗也多采用批量發酵[23]。李亞冰等[24]以菌糠為原料進行批量發酵，添加尿素調節碳氮比，不僅提高了菌糠的總產氣量和甲烷含量，還改變了菌糠的產氣特性。姚利等[26]以廢棄雞腿菇菌渣為發酵原料，利用自行設計的發酵裝置進行批量發酵試驗，結果得出，最高產沼氣75.69 L（裝料1 kg 菌渣），原料產氣率可達133 mL/g。

2.5.2 混和發酵 菌糠作為一種良好的原料進行沼氣發酵，調節菌糠與糞便、落葉等的混合比例，可以改善發酵原料結構，提高原料的轉化率，從而增加沼氣產氣量。鄧媛方等[15]通過香菇廢棄菌棒、杏鮑菇廢棄菌棒和平菇廢棄菌棒與豬糞混合厭氧發酵，將碳氮比調整至25∶1，結果表明，高碳原料與高氮原料相混合呈現出良性互補的良好狀態，還能降低單一豬糞厭氧發酵所造成的氨氮抑制，提前原料的產氣高峰，且相比菌糠單一發酵，總產氣量有所增加。LUO 等[27]研究了蘑菇菌糠與牛糞在不同配比條件下混合消化產生的甲烷產量，結果發現，菌糠的種類不同，與牛糞的最適混合比例不同；同時，混合發酵的甲烷產率比蘑菇菌糠和牛糞單獨發酵的產率高6%～61%，所有共消化配比的pH 值在6.8～8.0，表明添加牛糞可以提高系統的緩沖能力。路子佳等[13]研究表明，當木耳菌糠與牛糞比為40∶60、猴頭菇菌糠與牛糞比為50∶50 時，發酵總產氣量最高。姚利等[26]以雞腿菇菌渣為原料，將菌渣和牛糞以7∶3 的比例混合，并以質量比5∶3∶2 將發酵原料、沼液、水混合攪拌均勻，堆漚預處理3～5 d 后投入發酵裝置，添加10%的雞糞沼液為接種物啟動發酵，可實現高效發酵產沼氣，同時該試驗在農戶沼氣池內進行了應用試驗，并取得了較好的效果。LIN 等[28]將菌糠和落葉進行混合發酵，結果發現，相比菌糠或落葉作為單獨原料發酵，產氣量分別比菌糠或落葉單獨原料高出16 倍和2 倍。由此可知，混合發酵技術具有十分明顯的技術優勢，平衡發酵原料碳氮比的同時，還可以有效處理多種廢棄物，是當下菌糠沼氣化利用的熱門方向。杜靜雯等[29]利用剩余污泥與雙孢菇菌糠為原料共同發酵產酸，采用污泥預處理技術加速細胞破壁，提高污泥厭氧發酵產酸速率，并結合均勻設計與相應曲面，優化剩余污泥及雙孢菇菌糠的投加比例以及采用熱堿預處理的方式，從而使揮發酸（COD）的產量最大化。

3 菌糠的預處理方式

菌糠中的木質纖維素難以降解，因此預處理過的菌糠利用效率更高。預處理技術主要有3 種：化學預處理、物理預處理及生物預處理，而菌糠的預處理通常采用化學預處理。在化學預處理中，劉家亨[25]首次提出了酸堿混合預處理—酶解糖化工藝，分別用稀H2SO4和稀KOH 溶液處理菌糠，并對木質纖維素的降解程度進行比較，結果發現，對木質纖維素有明顯影響的是堿處理，對半纖維素含量影響較大的是酸處理；KOH 預處理去除了69.5%的木質素，氨水預處理去除了33.3%的半纖維素。

相比秸稈來說，菌糠的粒徑僅為10 mm 左右，因此不需要剪切處理，而有關于菌糠物理預處理上的氣爆處理的報道較少。FERREIRA 等[30]對不同粒徑的秸稈進行發酵試驗，結果表明，秸稈粒徑的大小對厭氧發酵的效果并沒有直接的影響。同時，菌糠經過了食用菌種植過程，相當于完成了生物預處理，但是秸稈還需要用食用菌來降解其中的木質纖維素[31]。

4 菌糠厭氧發酵存在的問題及展望

目前，我國對菌糠的開發利用主要集中在食用菌栽培中的二次利用、肥料開發、飼料開發3 個方面，沼氣發酵方面相對較少。雖然李亞冰等[24]利用廢棄菌糠生產沼氣具有巨大潛力，但仍存在很多問題，比如，菌糠中木質纖維素難以降解，發酵過程極易酸化，進而導致有機酸快速積累，pH 值降低，致使甲烷菌生長受限，產氣效率明顯下降，厭氧消化時間長等，使這類技術在我國沒有很好地推展開來。同時，沼液作為沼氣發酵的廢棄物，在其處理上也已成為沼氣生產的附帶問題，而路子佳[13]研究提出，以沼液代替清水進行發酵，為沼液處理指明了一個新的方向。如果廢棄菌糠發酵時發酵溫度適宜，及時調整pH 值，按照碳氮比合理搭配原料，那么以菌糠生物質作為原料的沼氣開發將具有很好的前景。