生物质废弃物厌氧发酵的研究进展

杜婷婷， 云斯宁， 朱 江， 黄欣磊， 张仙梅， 曾汉候

(西安建筑科技大学 材料与矿资学院， 西安 710055)



生物质废弃物厌氧发酵的研究进展

杜婷婷， 云斯宁， 朱 江， 黄欣磊， 张仙梅， 曾汉候

(西安建筑科技大学 材料与矿资学院， 西安 710055)

文章综述了不同生物质废弃物(如农业废弃物、林业废弃物、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)厌氧发酵的研究进展，重点强调了混合发酵、预处理、添加催化剂等对厌氧发酵产气率的影响，并对生物质废弃物厌氧发酵未来发展趋势进行了展望。

生物质废弃物； 沼气； 厌氧发酵； 预处理； 混合发酵

生物质是指通过光合作用而形成的各种有机体，包括所有的动植物和微生物[1]。与传统的化石燃料相比，生物质资源具有可再生性和清洁性的优势[2]。生物质资源是生物质能产业发展的基础，虽然世界上生物质资源储量丰富，且关于生物质研究越来越多，但大多尚处于实验阶段未大规模推广利用。

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[3]。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。

1 厌氧发酵生物质废弃物

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。如表1所示，不同生物质废弃物具有不同的厌氧发酵产气潜力。

1.1 农业生物质资源

1.1.1 农业废弃物

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[20]等采用花生秧作为发酵底物进行厌氧发酵，产沼率达367.62 mL·g-1TS(总固体含量)。石勇[21]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317.88 mL·g-1TS。程辉彩[22]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133 mL·g-1TS。刘德江[24]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[25-26]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305 mL·g-1TS和358 mL·g-1TS。

表1 不同生物质废弃物厌氧发酵产气潜力

1.1.2 能源植物

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[27]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35 d和68 d的原料产气量分别为243.77 mL·g-1VS和247.06 mL·g-1VS。肖正[28]等用巨菌草厌氧发酵发现15 d沼气累积产量为406.5 mL·g-1TS。陈金发[29]等用紫茎泽兰的茎进行厌氧发酵，30℃产气量为152.8 L·k g-1TS。李连华[30]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214～288 mL·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。

1.2 林业生物质资源

1.2.1 林业废弃物

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[31]等以银杏叶为原料进行厌氧发酵，获得了374 mL·g-1TS的产气量。

1.2.2 林业副产品废弃物

林业副产品废弃物具体是指一些果皮等。Ge[32]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345～411 L·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。

1.3 畜禽粪便

畜禽粪便是一种很好的生物质资源，宋立[33]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273 mL·g-1TS，鸭粪441 mL·g-1TS，兔粪210 mL·g-1TS。杨斌[34]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206 mL·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。

1.4 生活污水和工业有机废水

1.4.1 生活污水

日常生活中所产生的污水一般都经下水管道进入污水处理厂，而在污水处理过程中会产生污泥。其中戴前进[35]等以污泥为研究对象，考察了投加接种污泥和未投加接种污泥条件下污泥厌氧消化的产气情况。结果表明：与未接种条件相比，采用投加接种污泥的方式可大大促进消化反应，加快污泥的产气速率，使厌氧消化周期缩短近1/4。但单一污泥发酵的产气量并不是很高，由于其中含有大量的厌氧微生物，所以污泥常被用作厌氧发酵的接种物。

1.4.2 工业有机废水

工业有机废水的种类繁多，白娜[36]等用茶渣进行厌氧发酵，产气率为470 mL·g-1TS。陈智远[37]等以醋渣为原料进行厌氧发酵，其产气率为359.18 mL·g-1TS。邢颖[38]等以果渣和酒糟为原料，在不同温度下进行了厌氧发酵，结果表明：酒糟在30℃时产气量最大为130.26 mL·g-1TS，果渣在35℃时产气量最大为135.68 mL·g-1TS。郭德芳[39]等人以芦荟皮为发酵原料进行厌氧发酵，在20℃和30℃条件下都可以很好地实现发酵产沼气，其产气潜力分别为349 mL·g-1TS和478 mL·g-1TS。孙传伯[40]等以马铃薯皮渣为原料进行厌氧发酵，其产气量为729 mL·g-1TS。Yin[41]等以含有硫酸抗敌素的制药厂污水为原料，测试其厌氧发酵潜能发现：含有硫酸抗敌素的制药厂污水单独发酵的效果不佳，当加入一定的接种物后产气量有所上升。

生活污水和工业有机废水通过厌氧发酵实现了新的利用价值，在产生能量的同时也实现了有机物的降解，降低了对环境的污染。

1.5 城市固体有机废弃物

城市固体有机废弃物主要包括城镇居民生活垃圾、商业和服务业垃圾等。刘芳[42]等人以菜花、甘蓝、白菜、西红柿等的废弃叶为原料试验单因素厌氧发酵，这4种原料的TS产气率分别为100.8 mL·g-1，116.9 mL·g-1，107.7 mL·g-1和123.1 mL·g-1。樊九华[43]等以花菜废弃叶为厌氧发酵原料，获得759.24 mL·g-1TS的产气量。Brown[44]等以食品废弃物和校园废弃物(树枝、树叶等)为原料，进行厌氧发酵，结果表明：校园废弃物/食品废弃物(90/10)与接种物的比率为2，或者校园废弃物/食品废弃物(80/20)与接种物的比率为1时，与校园废弃物单独发酵时相比，沼气产量显著提高。不同种类的生物质废弃物，通过厌氧发酵这一手段都能得到合理的处置，使其变废为宝，减少其对环境的污染。

2 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。

2.1 预处理

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。

2.1.1 物理预处理

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[45]等在80℃对食品废弃物热处理1.5 h后，再进行厌氧发酵，其产气量为647.5±10.6 mLCH4·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： 1)微波引起分子振荡，导致生物质温度升高，从而引发热效应； 2)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[46]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6.21 mL·g-1VS上升到8.16 mL·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[47]等研究了微波照射对能源草厌氧发酵性能的影响，获得了345.16 mg·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。冯磊[48]等考察了超声波预处理对牛粪厌氧消化的影响。结果表明：适宜强度的超声波预处理对牛粪厌氧发酵有一定促进作用，250 W超声波预处理40 min后最好，其产气速率为297.78 mL·g-1TS。Mithun[49]等用超声波处理造纸厂的污泥后，测试对厌氧发酵的影响。研究表明：1250 W的超声波预处理对发酵有一定促进作用。Luste[50]等将肉加工厂的副产品与牛粪污水混合，用超声波预处理后进行厌氧发酵，结果表明：经超声波预处理后，沼气产量明显上升。

2.1.2 化学预处理

化学预处理是利用一些具有腐蚀性的化学药品(强酸、强碱和强氧化剂等)来破坏生物质细胞壁结构及胞外聚合物。化学制剂甚至与细胞外的大分子有机物发生反应而促进其降解。化学预处理包括碱预处理法、酸处理法和臭氧预处理等。Zhang[51]等用6%的NaOH对香蕉茎预处理后进行厌氧发酵，发现沼气的产气量提高到357.90 mL·g-1VS。杨懂艳[52]等利用4%氨水预处理麦秸厌氧发酵，发现半纤维素和纤维素的去除率分别能达到42%和20%，并且在65 g·L-1负荷率下经厌氧发酵获得最大377 mL·g-1的沼气产量。李鹤[53]等将玉米秸秆经稀酸处理再用于厌氧干式发酵，处理60 h后总产气率为4.76 m3·m-3，甲烷含量最高可达82.90%。魏自民[54]等采用酸碱预处理龙须眼子菜和芦苇，结果表明：水生植物经过酸碱预处理后厌氧发酵累积产气量及甲烷含量均显著提高，且酸处理效果优于碱处理。李辉勇[55]等人研究发现秸秆受碱性臭氧法处理后，木质素被氧化分解为小分子有机酸，提高了秸秆的厌氧降解率。

2.1.3 生物预处理

发酵原料的生物预处理是利用微生物菌群降解秸秆中的木质素，使木质素结构发生变化，利于厌氧发酵。张麟凤[56]等通过驯化获得一组酶活性较高且稳定的纤维素分解复合菌，用其来预处理秸秆再进行厌氧发酵。实验产气量比未处理组高出33.3%。万楚筠[57]等采用混合菌剂预处理油菜秸秆再进行厌氧发酵试验，结果表明：预处理后的秸秆累计产气量比未处理的提高了17.8%。焦静[58]等测试白腐菌预处理对甘蔗叶产沼气效果的影响，发现添加白腐菌可以加快甘蔗叶厌氧发酵启动速率和产气高峰的出现。

采用上述各种预处理方式，生物质原料在厌氧发酵过程产气效果都得到一定的改善，但这些预处理方式也存在不足之处，如表2所示。

表2 不同预处理方式的优缺点

2.2 不同生物质混合发酵

由于各种生物质在组成上存在差异，采用单一生物质发酵，发酵效果并不理想，而采用不同生物质混合发酵的方式能够有效改善厌氧发酵的产气效果。

由于污泥中含有大量的厌氧微生物而本身却缺乏营养物质，因而污泥可作为接种物或作为原料与其他生物质进行混合发酵。王凯丽[59]等使用脱水污泥和加拿大一枝黄花(一种引进的观赏植物)混合厌氧发酵，结果发现：与污泥单独厌氧发酵相比，黄花与污泥混合发酵其单位体积甲烷产率提高了79.5%。胡萍[60]等采用厌氧颗粒污泥、消化污泥、剩余污泥分别与蓝藻混合进行厌氧发酵，发现蓝藻与这三种污泥混合都可以有效促进厌氧发酵进程，其中蓝藻与厌氧颗粒污泥物料比为6∶1时, 产气效果最佳，产气率为73 mL·g-1VS。Koch[61]等采用了不同配比的食品废弃物与市政污泥混合发酵，产气效果有明显提高。田兴[62]等将豆腐渣与消化污泥混合后厌氧消化，发现在消化污泥的作用下，豆腐渣取得了良好的发酵效果。Gu[63]等以稻秆为发酵底物，分别接种消化的牛粪、猪粪、鸡粪、市政污泥及厌氧颗粒污泥，发现上述五种接种物有效提高了稻秆厌氧发酵的产气率。

影响厌氧发酵的因素包括温度,pH值和碳氮比等，其中碳氮比取决于发酵原料的化学组成。为了使发酵底料处于合适的碳氮比，可将一些富碳物质(如秸秆)和一些富氮物质(如禽畜粪便)以合理的配比混合，以提高生物质发酵的产气量。不同生物质原料的碳氮值如表3[2]所示。

表3 不同生物质原料的碳氮值

Zhang[64]等将富碳的食品废弃物与富氮的猪舍废水混合发酵，沼气产量为396 mL·g-1VSadded。L Castrillón[65]等将食品废弃物和甘油混合在55℃进行厌氧发酵，发现在不同配比的混合发酵，沼气产量都有所提高，最高的甲烷产量可达640 L·kg-1VS。Dechrugsa[66]等将草和猪粪混合发酵，在加入不同接种物的条件下进行厌氧发酵，结果表明：加入接种物后，甲烷产量最高为521.9 mL·g-1TSadded。Dias[67]等试验了奶牛厂牛粪与梨废弃物的混合发酵，在不同配比下，沼气产量都得到了提高，产气量最高达到了390.0±2.0 mL·g-1VS。Li[68]等试验鸡粪与稻草混合发酵发现：在稳定的发酵环境下，甲烷产量为223±7 mL·g-1VSadded。

将不同种类的生物质进行混合发酵，在弥补各自不足的情况下，为微生物营造了一个良好的生存环境，进一步实现了生物质废弃物的资源化利用。

2.3 发酵催化剂

催化剂又叫促进剂，是指促进有机物分解，并能提高产气率的各种物质的统称。不同类别的催化剂如表4所示。

Xi[69]等以麦秆为发酵底物，与添加了亚铁血红素的接种污泥试验共同发酵，结果表明：加入1 mg·L-1亚铁血红素产气量由213.5 mL·g-1TS提高到275.40 mL·g-1TS。Zhang[70]等以食品废弃物和猪舍废水混合发酵，且向发酵料液中添加微量元素后发现：沼气产量得以提高。

表4 厌氧发酵催化剂的分类

向发酵料液中添加不同的催化剂来改变发酵环境，创造满足微生物生长条件，是目前的热点研究。

3 结论与展望

我国生物质废弃物资源相当充足，厌氧发酵，使得生物质废弃物(农业废弃物、林业废弃物、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)实现了其资源化综合利用。不同的生物质强化预处理、不同生物质混合发酵及添加不同外源催化剂，有助于进一步提高厌氧有机废弃物的降解率和产气率。工厂废水、养殖业污水、村镇生物质废弃物、城市垃圾等发酵沼气池的建立也大大拓宽了沼气的生产和使用范围，有力地促进了沼气产业的进一步发展。但目前规模化沼气项目普遍，存在沼气发酵启动慢、产气率低、冬季不产气和沼渣沼液处理难等问题，为此，今后生物质废弃物厌氧发酵资源化利用需要有针对性的开展研究，如：1)针对不同种类的生物质废弃物资源，寻求最佳的原料匹配和与处理方式，深入理解厌氧发酵产气动态规律，解决发酵启动慢、产气率低等问题； 2)培养能在常温或较低温度下正常发酵的菌群，解决厌氧发酵寒冷地区冬季不产气的问题，降低发酵系统的能耗； 3)对于规模化厌氧发酵所产生大量的沼渣、沼液，除了直接还田利用之外，探索沼渣，沼液肥料化利用符合沼气产业资源循环利用的发展理念。

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Research Progress of Anaerobic Fermentation of Different Biomass Waste /

DU Ting-ting, YUN Si-ning, ZHU Jiang, HUANG Xin-lei, ZHANG Xian-mei, ZENG Han-hou /

(School of Materials & Mineral Resources, Xi′an University of Architecture and Technology, Xian 710055 China)

In recent years, biomass resources have attracted more attention due to their renewability and cleanliness. This paper reviews recent research progress of anaerobic fermentation of different biomass waste (agricultural waste, forestry waste, manure, sewage and industrial organic waste, municipal solid organic waste, etc.). The emphasis was put on the effect of the co-fermentation, pretreatment, and the addition of catalysts. And future development for the bio-waste anaerobic fermentation was prospected..

biomass waste； biogas； anaerobic fermentation； pretreatment； co-digestion

2015-05-08

项目来源： “十二五”国家科技支撑计划资助项目(2012BAD47B02)

杜婷婷(1990-)，女，硕士，主要从事厌氧发酵多功能生物催化剂的研究工作，E-mail：dutingting47@163.com

云斯宁，E-mail：yunsining@xauat.edu.cn

TQ920； O643.36

A

1000-1166(2016)02-0046-07