煙草廢棄物沼氣化利用可行性

劉 刈，姜 娜，雷云輝，王智勇，劉剛金，鄭 丹，王 勇，安銀敏，董建新

(1.農業部沼氣科學研究所，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 電氣工程學院，貴陽 550025;4.中國農業科學院煙草研究所，農業部煙草生物學與加工重點實驗室，中國農業科學院青島煙草資源與環境野外科學觀測試驗站，山東 青島 266101)

我國是煙草第一大種植國和消費國，2017年全國煙葉產量239.14萬噸，卷煙產量2.34萬億支[1]。在煙草種植和生產過程中會產生大量煙稈和廢棄煙葉等廢棄物。與傳統種植業廢棄物類似，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]。這不僅會對環境造成一定程度的污染，而且是資源的浪費。針對以上問題，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。近些年，推進農業綠色發展、建設美麗鄉村、打贏藍天保衛戰等任務行動的實施，給種植業廢棄物資源化利用提出了更高的要求，需從資源評價、收儲技術、利用手段等多方面攻關，實現生產、生活、生態之間的協調可持續發展。

沼氣發酵具有可回收能源、提供優質沼肥、殺滅病原菌等優點，是農作物秸稈資源化利用的重要技術[7]，煙草作為一種重要的經濟作物，其廢棄物自然有可能采用沼氣發酵技術進行處理利用。但是，相對于傳統農作物的廢棄物，煙草廢棄物又有其特有的性質，例如含有煙堿[8]、可能攜帶病原物[9-10]等特點也有可能會對沼氣發酵過程和沼肥的利用產生影響。因此，目前沼氣發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，甚至在研究領域的探索也不多。

為拓寬煙草廢棄物資源化利用的技術手段，本文以煙草秸稈和廢棄煙葉為對象，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的優缺點之后，討論了其在產沼氣潛力、沼氣烘烤煙葉、沼氣衛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和技術發展方向。

1 煙草廢棄物的特性

1.1 產量

原料的產量是評估某一區域產沼氣潛力的重要資料，利用原料產量和原料可收集系數，結合沼氣工程的技術經濟分析，即可對工程規模、原料收集半徑等參數提供準確的依據。煙草秸稈的產量通常采用草谷比法確定。根據我國農產品統計說明[11]，煙葉產品以干煙葉計算。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)產量與煙葉產量之比，其數值在1.1～1.6之間[11-12]。此外，煙稈的單產量約為2250～3000 kg·hm-2[13]，這也可以作為煙稈產量估算的依據。對于廢棄煙葉，有學者估算，我國煙葉產量的約25%不能用作卷煙的生產從而廢棄[14]，通過這個比例也可以估算廢棄煙葉的產量。

1.2 理化特性

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

原料中的纖維素通常難以被沼氣發酵微生物直接快速利用，當原料中的纖維素含量較高時，水解過程通常是沼氣發酵過程的限速步驟[16]。因此，農作物秸稈類沼氣發酵原料在沼氣發酵之前通常采用切碎、堿處理等理化手段進行預處理，從而獲得更高的沼氣發酵效率[15]。相對于主要農作物秸稈，煙草秸稈的纖維素含量略高(見表1)，所以煙草秸稈進行沼氣發酵的預處理難度可能更大。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，煙葉沼氣發酵的可行性較大。相對于纖維素，木質素成分更難被沼氣發酵微生物直接快速利用[19]，煙草秸稈的木質素含量與主要農作物秸稈相差不大(見表1)。通常認為，沼氣發酵原料的碳氮比宜為20～30∶1[15]。雖然相對傳統主要農作物秸稈，煙草秸稈的碳氮比較低，但是其仍然高于沼氣發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)混合進行沼氣發酵普遍被認為可以獲得更高的沼氣發酵效率[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作物秸稈(見表1)。而煙葉的碳氮比則低于沼氣發酵適宜碳氮比的范圍。沼氣來產自于原料中的有機成分，原料成分中揮發分高，則可生物降解或產沼氣的潛力可能也高。從表1中數據看，煙草秸稈和煙葉的揮發分含量比傳統秸稈的揮發分含量高，所以從理論上看，煙草廢棄物產沼氣的潛力也應該較好。但是，與傳統作物不同的是，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酵微生物的代謝活動[22]，從而降低煙草廢棄物的沼氣產量。

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

表1 煙草廢棄物和主要農作物秸稈理化特性 (%)

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

除了物理化學方法處理利用煙草廢棄物，采用好氧堆肥處理生產有機肥也是一種通常的生物處理方法。通過高溫好氧發酵，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險。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]，這對煙草廢棄物有機肥還田利用是不利的。而沼氣發酵已經被證明對多種病原物有去除或鈍化作用[40-41]，因此相對于好氧發酵，沼氣化利用在生產能源的基礎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行沼氣發酵生產沼氣的。38℃條件下的批式干發酵試驗得出煙草秸稈的沼氣原料產氣率為333 L·kg-1TS或426 L·kg-1VS[29]，中試規模的高溫干發酵煙草廢棄物的原料產氣率為257 L·kg-1TS[42]，與傳統農作物秸稈的沼氣原料產氣率接近。但是也有學者認為煙草秸稈的產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行混合發酵已經被證明可以提升煙草秸稈的產沼氣潛力[20]，也有學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酵效率[44]。對于廢棄煙葉，有學者認為其可以進行單獨發酵，能獲得與煙草秸稈接近的原料產氣率[45]；相反，也有學者認為廢棄煙葉煙堿含量較高，單獨發酵啟動較為困難[27]。除了在批式發酵中探討煙草廢棄物的產沼氣潛力，也有學者研究了煙草廢棄物在不同規模的沼氣發酵裝置中進行連續發酵的可行性。在近中溫條件下，200 L的沼氣發酵裝置中進行煙草廢棄物的連續發酵，容積產氣率可以達到0.48 m3·m-3d-1，以日進料量計的原料產氣率為192 L·kg-1TS，放大至10 m3規模的沼氣發酵裝置中，在環境溫度為12.7℃～29.6℃的條件下，常溫發酵的原料產氣率為169～282 L·kg-1TS[28]。有學者認為，煙草廢棄物進行連續發酵易酸化，采用氫氧化鈣調節pH值后進行連續發酵的原料產氣率有很大提升，可以達到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酵前大多進行了切碎、粉碎等物理預處理，有些還進行了堆漚，因此試驗得出沼氣產率有可能較高。煙草秸稈較玉米、水稻等傳統農作物秸稈更硬，特別是靠近根部的秸稈硬度很大，所以在工程規模的應用中，煙草秸稈的預處理難度會更高，這是制約煙草廢棄物沼氣化利用的一個因素。

3.2 利用沼氣作為能源烘烤煙葉

煤炭是烤煙能量的傳統來源，隨著全社會生態環境保護意識的提升，國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的前提下，一定程度的降低烘烤成本、減少環境污染，目前可用于烤煙生產中的可再生能源有太陽能、電能、生物質能等[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大功率供電的困難[50]。生物質能源烤煙主要利用生物質氣、生物質固化燃料或沼氣等。對于沼氣烤煙，安徽省鳳陽縣早在1976年即有應用，烘烤出的煙葉質量也好于采用煤炭烘烤煙葉的質量[51]。到1984年，湖南省鳳凰縣也有技術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[52]。近些年，利用沼氣作為能源的新型烤房也已經申請了相關知識產權[53]。但是，通常情況下沼氣的生產是全年連續并相對穩定的，而煙葉烘烤只有在煙葉收獲的季節進行，而且烘烤期間短時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，若短時能量需求太大，還需要配套其它能源供給。針對以上情況，云南省在煙區示范建設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行煙葉烘烤，非烘烤期間沼氣用作發電或集中供氣等用途，沼肥用作煙田的有機肥料，實現農業生態循環發展[54-55]。

3.3 沼肥在煙草生產中的作用

沼肥通常指以原料經過沼氣發酵后的沼渣、沼液為載體，加工成的有機肥料。與發酵原料相比，沼肥更均質，氮、磷比例也得到了改善。在實踐中沼肥也被證明了是良好的農田肥料并能改善土壤質量[56]。早在上世紀九十年代即有大田試驗研究表明施用戶用型沼氣池的沼肥可使單株煙葉數量增加，葉片厚度增大，還可降低煙田土壤容重，促進營養元素的吸收，使煙葉化學成分趨于協調[57]。近年來，通過系統的盆栽試驗和大田試驗研究得出：在苗期沼肥可以顯著提升煙苗根系質量，沼肥中氮的濃度對煙苗根系質量影響較大，但是相對于育苗專用肥，沼肥對煙苗葉片中光合色素含量、光合特性等生理特性指標影響不大[58]；在大田生長期，施用沼肥可以增加煙葉生物量，改善烤煙株高、葉數、葉面積等農藝性狀，也顯著提升了煙葉的產量、產值等經濟性狀，并指出每公頃煙田施用7.5噸戶用型沼氣池產生的沼液是合適的沼肥使用量[59-62]。此外，沼肥對煙草病毒病、黑脛病、煙蚜等病蟲害有不同程度的防治效果[61]，特別是對煙草赤星病的防治，有學者進行了深入的研究得出，施用沼液與農藥有相似的防治效果，沼液的發酵時間對煙草赤星病防治效果有影響，并證明對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 沼氣發酵過程對煙草病原物的作用

普遍認為沼氣發酵過程對動、植物的病原菌有殺滅或鈍化作用，且發酵時間越長、發酵溫度越高，沼氣發酵過程對病原菌的殺滅或鈍化作用越好[40-41,65-66]。但是，沼氣發酵過程對煙草病原物的作用研究較少，有研究表明[20]中溫發酵(35℃)對黃瓜花葉病毒(CMV)有較好的去除效果，對煙草花葉病毒(TMW)去除效果不好；高溫發酵(55℃)對TMV和CMV都有去除作用。關于污水中TMV的滅活動力學研究表明，溫度也是影響TMV活性最主要的因素[67]，在污水處理系統中，TMV也可能未被滅活而是被吸附在固態污泥之中[68-69]。如前一部分介紹，沼液對煙草赤星病真菌的抑制作用也可能來自與沼氣發酵微生物的作用[63]。沼氣發酵過程對煙草細菌病的殺滅或鈍化作用未見報道。煙草病原物的存在是制約煙草廢棄物沼氣發酵后，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酵過程中的抑制或鈍化效果和機理，對煙草廢棄物通過沼氣發酵進行生態循環利用有重要意義。

3.5 煙堿對沼氣發酵的作用及其在沼氣發酵過程中的降解

煙堿是生物堿的一種，一定濃度的生物堿對沼氣發酵微生物的代謝有抑制作用[22,70]。煙堿與發酵料液體積比為0.5%時，以葡萄糖為底物的沼氣發酵過程甲烷產量降低了86.93%[22]，因此對照表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倍的條件下也會嚴重影響沼氣發酵微生物的活性。另一方面，以前的研究表明，生物堿不能被沼氣發酵微生物利用[22]，但是近些年有關于低濃度的鴉片生物堿廢水通過好氧或厭氧技術進行處理的報道[71-72]。在煙草薄片生產中也會產生大量的含有煙堿的廢水，有報道采用升流式厭氧污泥床反應器(UASB)處理煙草薄片廢水，研究發現煙堿的生物降解率不高，通過外加硝酸鹽來誘導馴化厭氧顆粒污泥中反硝化菌的代謝活動后，煙堿的去除效率可以達到76%[73-74]。但是廢水中煙堿的濃度僅有120 mg·L[73]，遠低于報道的煙堿抑制濃度[22]。因此，煙草廢棄物稀釋到一定程度，例如與其它原料進行混合發酵生產沼氣，從煙堿抑制微生物代謝的角度看是可行的。

4 結論及展望

煙草廢棄物的資源化利用符合農業綠色發展、建設美麗鄉村、打贏藍天保衛戰等任務需求。沼氣發酵是農業廢棄物資源化利用的有效手段。總體來說，在滿足一定工藝技術條件時，煙草廢棄物通過沼氣發酵進行資源化利用是可行的。但是，由于煙草廢棄物的一些特性，其進行沼氣發酵還有一定的限制因素：1)與其它農作物秸稈類似，煙草秸稈碳元素含量較高，作為沼氣發酵原料單獨發酵碳氮比不合適；2)相對于傳統農作物秸稈煙草秸稈較硬，進行沼氣發酵之前的預處理難度較大；3)煙草廢棄物中含有煙堿，有可能影響沼氣發酵微生物的代謝；4)煙草廢棄物中可能含有病原物，這會影響煙草廢棄物沼氣發酵后的沼肥還田資源化利用。

針對以上制約因素，關于煙草廢棄物沼氣化利用的研究應側重煙堿抑制沼氣發酵微生物代謝機制，煙堿在沼氣發酵過程中的降解機理，煙草病毒病、細菌病和真菌病病原物在沼氣發酵過程中的抑制等方面。技術方面，應探索煙草廢棄物與其它農業廢棄物混合發酵生產沼氣的機制，研發適用于煙草廢棄物沼氣發酵的預處理技術和裝備。在應用領域，形成煙草廢棄物發酵后的沼肥安全回用模式，提高沼氣烤煙的產量，優化并推廣“畜—沼—煙”等生態模式，最終為煙草的綠色生產創造有利的條件。