沼气发酵原料研究*

李家琪，张 胜，董秀婷，陈 薇

（中南林业科技大学材料科学与工程学院，湖南长沙 410004）

沼气发酵原料研究*

李家琪，张 胜※，董秀婷，陈 薇

（中南林业科技大学材料科学与工程学院，湖南长沙 410004）

沼气发酵是国内外生物质能源研究的热点，沼气发酵原料是沼气发酵过程的关键影响因素。文章主要介绍国内外沼气发酵原料的相关研究，将沼气发酵原料分为植物类发酵源、动物粪便类发酵源、有机污水类发酵源和混合型发酵源四大类，并指出动物粪便类原料的大规模集中处理和沼气发酵原料整体结构的优化升级将成为我国未来沼气发酵原料的发展方向，对沼气工程的建设与发展具有重要的实际意义。

沼气发酵原料 分类 发展前景

沼气是一种可再生的生物质气体燃料，在石化资源日益枯竭的当今，高效利用生物质转化获得清洁沼气已成为国内外研究的热点。沼气发酵原料是沼气发酵过程的关键影响因素。目前，沼气发酵原料种类繁多，来源甚广，各有特点。经研究分析国内外大量相关文献，文章将其分为植物类发酵源、动物粪便类发酵源、有机污水类发酵源和混合型发酵源四大类，并指出沼气发酵原料的未来发展趋势，对沼气发酵的实际应用有着重要价值。

1 植物类发酵源

植物类发酵原料包括作物秸秆、植物废叶、农林产品加工废料、水生植物等。不同地区可用作发酵原料的植物种类不同，取决于当地植被分布类型、所种植的作物类型及经济产业特点。

1.1 作物秸秆

作物秸秆包括以粮食作物为主的农作物秸秆和以花卉、蔬菜为主的经济作物的秸秆。绝大多数的作物秸秆含有大量的粗纤维和多种微量元素，可进行厌氧沼气发酵研究。

玉米、水稻、小麦等农作物秸秆产量较多，是作物秸秆发酵的主要研究对象。郭萃萍[1]研究了干稻秆发酵制沼气的具体参数和工艺条件，对干稻秆发酵的各影响因素进行正交试验，优化处理正交实验的参数，得到了干稻秆发酵的最适条件。在以花卉产业为特色经济产业的地区，大面积种植花卉的同时，面临着如何合理而有效地处理废弃秸秆的关键问题。

经济作物秸秆种类丰富，因地而异。杨红等[2]研究了玫瑰秸秆产沼气潜力表示，在一定条件下，玫瑰秸秆相对于其它植物性原料发酵具有优越性。当地大型鲜花种植基地提供了充足的发酵原料。此外，沼渣可作为养料提供给种植基地，且具较高肥效，可实现能源的循环再利用。

研究表明，秸秆沼气发酵具有巨大的发展潜力，但其收集存在季节性制约，不易降解。现阶段，以作物秸秆作为发酵原料的工艺处于瓶颈期，利用率较低，仍需深入研究。

1.2 植物废叶

植物废叶包括杂草、树叶、菜叶等叶类。植物废叶含纤维素、半纤维素等糖类，具有沼气发酵的利用潜力，但常作垃圾处理，关注度低。随着生物质能源观念和可持续发展理念深入人心，现阶段对植物废叶用于沼气发酵的研究报道逐渐增加。

杂草对农业种植和城乡景观有不利影响，经常除去而不加以利用，以杂草进行沼气发酵，对杂草综合利用有指导性意义。刘静辉等[3]将野艾蒿作为发酵原料，开展批量式厌氧发酵研究表明，以野艾蒿为原料进行沼气发酵，效果良好。

当某地区遭受植物入侵时，如何合理地处理入侵的植物往往成为关键。李荣峰等[4]以常见的6种外来入侵植物为主要发酵原料，进行了制备沼气的试验研究，结果表明，所研究的植物原料皆可产生沼气。其中，车前草的发酵效果最佳。当入侵植物数量足够大、发酵产气性能满足一般要求时，通过沼气发酵处理不失为一种方法。

另外，废弃的树叶、菜叶、茶叶等叶类也可以用以沼气发酵。李亚纯等[5]研究指出，可以将烤烟废弃鲜叶作为原料发酵产沼气。

1.3 农林产品加工废料

农林产品加工废料是指，在以农林产品为原料进行加工过程中，未被利用的残品、残渣剩余物等。当农林产品加工工业发展至一定规模时，废料的合理处理成为一个难题。通过沼气发酵可实现废料资源化，提高经济效益与环保效益。

农林产品加工时的残品可以用作发酵原料。刘伟伟等[6]研究了腐烂、病害梨、苹果的沼气发酵，实验说明，腐烂、病害苹果、梨均可作为良好的沼气发酵原料。

水果种植业中除秸秆可以发酵产气外，果皮也可通过沼气实现无废物处理。朱海春等[7]探究了以香蕉皮为沼气发酵原料的沼气发酵工艺，结果表明，在平均温度为23.3℃的条件下，成熟香蕉皮的总固体残渣（TS）产气潜力为752.16 ml/g，挥发性固体残渣（VS）产气潜力为

975.05 ml/g，产沼气性能优良。

此外，以残渣废料为原料，省去了原料粉碎的步骤，更易被菌群分解。白娜等[8]对茶渣发酵潜力进行了研究指出，茶渣的沼气发酵性能良好。

1.4 水生植物

我国的海洋资源、水产资源丰富。目前，从海洋生物中制乙醇、生物柴油已有研究，但用于沼气发酵的研究较少。由于环境保护的需求，相关研究主要集中于水域环境破坏性水生植物、藻类的沼气发酵，如水葫芦、水花生、蓝藻[9]。

钟祥荣[10]研究了水葫芦的厌氧发酵性能，并提出了漓江流域水葫芦治理的新方案，实验结果表示，水葫芦干物质的产沼气量为0.4 m3/kg。高春燕等[11]研究了大型海藻发酵生产甲烷技术指出，海藻可作为一种新的发酵沼气原料，但在相关工艺上缺乏深入研究。近几年，部分区域水体出现富营养化，藻类数量呈爆炸性增长，利用藻类等水生植物为原料制备沼气，可“化险为夷”，实现藻类的高效处理和水体环境的有效整治。

通过研究表明，以水生植物为沼气发酵原料具有可行性，其缺点在于原料含水量过高，预处理过程耗时、耗力，且未经中试放大研究，实际应用效果未知。

2 动物粪便类发酵源

动物粪便主要指人畜家禽粪便，是现阶段我国农村沼气发酵的主要原料[12]。随着城镇化发展，养殖业逐渐大规模集约化，这为沼气集中发酵提供了充足的动物粪便，使得大型沼气发酵工程的发展建设成为可能。

宋立等[13]对6种家畜家禽粪便的产沼气潜力进行了对比研究发现，在中温发酵条件下，各种原料总固体产气率的顺序大小为：兔粪＜羊粪＜牛粪＜猪粪＜鸭粪＜鸡粪，但猪粪产量最大。因此，综合考虑，常使用猪粪做沼气发酵原料。吉喜燕等[14]研究了鸽粪为沼气发酵原料时的产气效果，实验表明，鸽粪是一种具有较好发酵性能的沼气原料，单位产沼气量略高于其他家畜粪便原料。

动物粪便经厌氧发酵后，除了可以产生清洁、高效、可再生的沼气，其沼渣还可用作肥料，且发酵过程避免了碳、氮的流失逸散，因此，与原粪便相比其沼渣的肥力更佳[15]，可提供农业生产过程所需的养分，形成废料的能源化循环利用。

不容忽视的问题是，随着我国城镇化建设的深入和居民收入水平的普遍提高，养殖业逐渐由分散经营向集中经营转型，农村普通养殖户的数量减少，这将造成农户用动物粪便类沼气发酵原料的不足，而依靠于大规模养殖场的集中产沼气仍具有一定的发展前景。

3 有机污水类发酵源

有机污水主要包括工业有机污水、养殖业污水、城乡生活污水，可用于沼气发酵的主要是易于生物降解的、有害物质较少的、有机污染物浓度较高的有机污水，其来源有以农牧产品为原料的工业污水、城市生活污水和餐余废水等。

3.1 有机污水产沼气现状

随着环保形势的日益严峻，有机污水的高效处理问题越发的引人注目，而通过生物厌氧发酵产沼气是一种重要资源化处理方式。翁新春等[16]对比分析了食品工业污水处理中的厌氧生物处理工艺与好氧生物处理工艺指出，厌氧生物处理具有多方面的优势，是一种节能型污水处理工艺，将成为食品工业污水处理的主流方向。Periyasamy Elaiyaraju等[17]人发现西米加工污水经厌氧发酵可以生产沼气，单位体积污水的一级产气量可达3 393 ml。同时，可以有效降低有机污水对环境的污染。

郑超[18]研究了纤维乙醇的沼气发酵工艺，并探究了微量金属离子对厌氧发酵过程的影响，探索出了一条高效的纤维乙醇污水资源化处理途径。李淑兰[19]等人通过实验证明了木材加工污水沼气化处理是行之有效的。廖家林[20]在餐余废水的厌氧发酵的基础上，研究了油脂对产气性能的影响，实验指出，废水中适量的油脂可以提高沼气中甲烷含量。

3.2 有机污水源沼气的利用

人们开发了多种有机污水发酵沼气的利用方式，主要用于发电、燃料。Ivan Felipe Silva dos Santos等[21]人分析了巴西污水处理厂厌氧产沼气的可行性和市场潜力指出，随着污水联合农林废弃物厌氧发酵产生沼气量的进一步提高，沼气发电工业具有一定的市场潜力。郭悦娇[22]等人研究分析了高浓度有机污水处理领域的 CDM项目，此项目是由某酿酒厂产出的污水，通过厌氧发酵制得沼气发电的效能，提高经济价值，减少温室气体对环境的污染。

南宁市安宁淀粉有限责任公司[23]将木薯淀粉和酒精高浓度有机废水作为原料生产沼气，将其纯化为天然气，并将其大规模应用于出租车兴业，解决了燃气和高浓度有机污水的处理问题。

利用沼气的厌氧发酵，综合利用高有机物含量的城市污水或工业污水，是污水处理的一种途径[24]。集中回收污水中所含的温室气体，一方面可减轻由污水引起的温室效应，使污水清洁化；另一方面可实现污水中的有机物的循环利用，使污水能源化，有机污水生产沼气是未来沼气发酵的希望。

4 混合型发酵源

混合型发酵原料是指，经一定工艺技术将2种或2种以上的原料充分混合所得的沼气发酵原料，一般是将农作物秸秆和人畜家禽粪便混合。在我国，采用混合型原料进行联合发酵是农村沼气发酵的特点之一。实际应用中，应根据原料的组分的特点，选择科学、合理、适宜的配比。

王金利等[25]研究了甘蔗叶干法厌氧发酵产沼气过程，采用草粪混合型发酵原料，以及甘蔗叶经堆沤与新鲜猪粪混合，在接种量为30%，草粪比为1∶1，发酵温度为35℃的条件下，得到较好的发酵效率。Shungang Wan等[26]研究了以餐余垃圾和芒草为混合沼气发酵原料的工艺技术发现，该混合原料经45 d分解发酵，平均产气量为429.3 L/kg，甲烷含量约为60%。赵云飞等[27]研究了餐余垃圾与污泥固体的联合产气特性发现，随着混合底物中污泥所占比例的增加，沼气中甲烷含量也随之增加；另一方面，亦可以缓解 VFAs 抑制作用。

与单一组分原料的沼气发酵相比，混合发酵具有易分解、效率高、稳定性强等优势[28]。其应用将随着沼气发酵研究的深入而不断扩大。

5 总结与展望

利用生物质进行沼气发酵。一方面，可以代替部分石化能源，缓解能源压力；另一方面，通过废弃资源的合理利用，为环境净化提供了良好的整治方案，可以实现产业剩余物资源化、能源化、无害化。

经研究发现，现阶段的沼气发酵原料主要分为植物类发酵源、动物粪便类发酵源、有机污水类发酵源和混合型发酵源等四大类，具有种类丰富、分布广泛、廉价易得的特点。植物类发酵来源甚广，但存在难以降解的问题。动物粪便类发酵源产气效果优良，但传统饲养业开始向规模化饲养转型，沼气产业也趋于集中化、规模化，普通农户的沼气原料会受到限制。目前，我国有机污水产沼气的探索尚处于初级阶段，对环境保护的重要实际意义将推动该领域不断的深入研究。在各原料配比有良好控制的条件下，混合型发酵源的产气质量较高，优势明显。

“十三五”时期，我国将加大生态文明建设，在沼气工业的开发过程中，挑战与机遇并存。沼气原料方面，由于动物粪便类发酵源材料将逐渐受限，未来沼气发酵原料或向秸秆类发酵源和有机污水类发酵源发展，但受到相关技术的制约，在未来的一定时间内，主要的沼气发酵原料将会成为动物粪便与其它原料的混合型原料。一方面，未来可依托大型养殖场建设大规模的沼气产业，集中利用动物粪便产沼气；另一方面，大力开发沼气原料降解利用的关键技术，逐步摆脱对动物粪便类发酵源的过度依赖，实现沼气原料整体结构的优化升级，是我国沼气发酵原料的未来发展方向。

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※张胜为通讯作者，gingshen123@126.com

中南林业科技大学“十二五”专业综合改革研究项目（20126401）