菌糠厌氧发酵的研究进展

张建伟，曹燕篆，卜玉山

（山西农业大学资源环境学院，山西太谷030801）

近年来，作为白色农业的食用菌产业发展迅猛，我国现已成为食用菌生产大国，据2015 年中国食用菌协会数据统计，产量已达590.18 万t[1]。调查显示，每生产1 kg 的食用菌约可产生5 kg 菌糠[2]。大量的菌糠若处理不当，不仅会污染环境，同时也会浪费资源。菌糠含有丰富的菌体蛋白、木质纤维素及微量元素等，目前其再利用方式主要包括动物饲料、农作物肥料、食用菌的二次成料、燃料和能源材料[3]、土壤改良剂和修复材料以及作为水稻、花卉和蔬菜等无土栽培基质等。

随着社会的进步与发展，菌糠作为新型生物能源沼气的原料开发前景十分可观。大力发展废弃菌糠的利用，一方面可以优化能源结构、创新农村农业生产经营方式，同时可缓解食用菌生产原料成本高、菌林和菌牧矛盾加剧等问题，减少对环境的破坏和污染，实现资源循环利用。以菌糠为原料生产的沼气可用于燃气，沼渣可用于育秧，沼液可用于浸种或猪饲料添加剂，由此形成农作物—食用菌—沼气—有机肥（或饲料）—农作物生物质循环作用的高效生态农业模型[4]。

本研究从菌糠原料特性、厌氧发酵过程中的影响因素、预处理方式及存在的问题等方面展开论述，旨在为菌糠资源的开发利用提供理论依据。

1 菌糠的原料特性

菌糠是利用秸秆、木屑等原料进行食用菌栽培后的废弃基质，其具有多孔结构，粒径大小取决于菌糠的成分配方，含水量在30%～50%，干基有机质含量约40%～60%[5]。娄子墨等[6-7]研究指出，平菇出菇后菌糠水分明显下降，pH 变化不大，而多糖、蛋白质等有机物的含量增加。菌糠结构主要由木质纤维素组成，同时富含N、P、K 等大量元素，Ca、Mg、S 等中量元素及Cu、Zn、Fe、B、Mn 等微量营养元素，能够在厌氧发酵过程中为微生物提供营养。林满红等[8]研究发现，发酵原料的营养成分含量越高，木质纤维素含量越低，产沼气效果越好。麻明可等[9]研究表明，降解率与沼气产率、甲烷产率均成正比，其中，木质纤维素的降解以半纤维素为主。在产甲烷菌的化学组成中，Fe、Co、Ni、Cu、Zn 是多种产甲烷菌的重要组成成分，其中，Fe、Co、Ni 的含量较高，需求量大，而秸秆类原料营养成分不足，其所含的Fe、Co、Ni 等微生物代谢所必需的微量元素不够，导致其在厌氧反应器中不能维持微生物代谢所必需微量元素的足够浓度，而菌糠中Fe、Ca、Mg、Zn 等微量元素都能成为沼气发酵的原料，同时菌糠中丰富的营养物质可以将发酵的时间缩短，提升甲烷的产气效率，满足甲烷菌对有机质的需求[10-12]。此外，菌糠厌氧发酵出料可以制备肥料，路子佳[13]经样品测试得出，菌糠中As、Hg、Pb、Cd、Cr 等5 项重金属含量均达到NY 525—2012 有机肥料国标要求，还田施用不存在重金属污染风险。

2 菌糠厌氧发酵的影响因素

2.1 发酵原料

沼气在我国农村已有几十年的历史[14]，菌糠作为发酵底物来生产沼气是理想的发酵原料，并且易于粉碎，既可以缩短投料前的准备时间，还能缩短发酵时间、降低换料工作量。易降解的发酵原料，可以快速启动发酵过程，大大提高了发酵效率；若不易降解，则容易造成反应体系中酸积累严重，进而使启动后产气量过低，甚至无法启动发酵过程[13]。刘德江等[15]用棉籽壳、稻草、小麦秸秆等为原料的3 种菌渣作为底物进行厌氧发酵，结果发现，3 种菌渣均可发酵生产沼气，产沼气效果依次为棉籽壳菌渣＞稻草菌渣＞小麦秸秆菌渣。邓媛方[16]研究发现，香菇废弃菌棒、杏鲍菇废弃菌棒和平菇废弃菌棒均具有良好的产气潜力，且香菇菌棒总产气量＞杏鲍菇菌棒总产气量＞平菇菌棒总产气量。有研究表明，1 kg 的平菇菌糠可产0.15～0.20 cm3的沼气[17]；1 m3的平菇下脚料作沼气发酵底物，平均可以日产沼气0.25 m3[18]。

2.2 发酵的接种物与进料浓度

2.2.1 发酵的接种物 接种物中沼气发酵微生物的含量是影响发酵启动速度的重要因素。适当的接种量也是发酵成功的关键因素。一般沼气发酵均以活性污泥为接种物。程辉彩等[19]以平菇菌糠为原料，调节有机负荷比为6%～8%、C/N 为（24～26）∶1、初始pH 值7.0～7.5 进行厌氧发酵，取富含菌群的厌氧活性污泥为接种物，相比其他发酵条件原料产气率提高了103.7%，有机质利用率提高了124.4%。邓媛方等[20]通过优化接种物及料液质量分数，以香菇废弃菌糠作为高碳原料，30 ℃发酵总固体成分（TS）产气率达0.16 L/g，较对照组TS 产气率增长128.57%。路子佳[13]则以沼液为接种物并完全替代清水进行发酵，沼液中含有大量的沼气发酵微生物，可以快速启动沼气发酵进入产气高峰期，并且沼液的TS 为3.01%，对沼气发酵起始的总固体含量影响较小。

2.2.2 发酵的料液浓度 其总固体含量在5%～10%比较适宜。若总固体含量过低，产气量少，利用率低；总固体含量过高，会导致发酵系统酸化，产甲烷失败，从而影响发酵的正常进行。路子佳[13]在53 ℃进行菌糠发酵生产沼气，结果得出，最适的发酵料液TS 浓度为10%，其产气潜力为367.5 m3/kg。麻明可等[9]利用菇渣作为原料，在35 ℃温度条件下进行厌氧发酵，结果也得出，当干物质浓度等于10%时为最佳，此时累计产甲烷量为4 034.71 mL；当初始干物质的浓度小于10%时，产气性能会提升，与初始干物质浓度增加呈正相关；反之大于10%时，产能则越来越小。

2.3 发酵温度与碳氮比

2.3.1 发酵温度 其是沼气发酵微生物的重要影响因素，可以进行发酵的温度通常在10～60 ℃，分为高温发酵（45～60 ℃）、中温发酵（30～45 ℃）和常温发酵（发酵温度随环境而变）[21]，随着温度的变高，发酵周期会逐渐缩短，产气率也会提升。在发酵进行时，反应温度突然出现5 ℃以上的幅度变化则会抑制产甲烷菌的活性，使沼气产生量降低，也可能终止生产；若短时间内恢复温度，产气又可正常进行[13]。秦文弟等[22]用榆黄蘑菌糠为原料，在24～34 ℃的温度条件下进行厌氧发酵，原料产气潜力为0.12 m3/kg。

2.3.2 碳氮比 合适的C/N 能促进厌氧发酵稳定运行，而C/N 失衡，则会出现酸化或氨氮累积，使厌氧发酵受到抑制。因此，菌糠C/N 大部分在30∶1 以下，如果大于此比例则不利于微生物的固氮作用[23]。正是因为菌糠具有C/N 高、发酵过程易酸化的特点，研究人员才采用C/N 较低的废弃物（例如猪粪、鸡粪和菌糠混合后）进行厌氧发酵。李亚冰等[24]研究发现，在发酵过程中，添加尿素可以调节C/N，可明显提高产气高峰期的日产气量及甲烷含量，其中，木耳、滑子菇、平菇菌糠总产气量与对照组相比分别增加了59.4%，41.4%，127.6%，并且能够使产气高峰期提前，在高峰期可以明显提高沼气中的甲烷含量，同时能延长产气高峰期时间。

2.4 发酵的pH

pH 也是影响沼气发酵效率的因素之一，pH 过低或过高都会导致沼气发酵微生物的活性受到抑制。微生物发酵的适宜pH 值为6.8～7.5，菌糠的pH 值在6.0～8.0。在发酵过程中，反应体系中的pH值一般由微生物自身进行调节。食用菌培养基常常添加生石灰，因此，菌糠发酵液起始pH 值较高。刘家亨[25]研究了香菇菌糠厌氧发酵过程中的pH 值变化，结果得出，在发酵正常时pH 值在7.0 左右，而此时发酵液容易酸化，主要由于原料降解时产生较多挥发脂肪酸，甲烷菌不能吸收利用的部分降低了发酵液pH 值。林满红等[8]试验结果表明，茶树菇菌糠、银耳菌糠、杏鲍菇菌糠中，杏鲍菇菌糠发酵液的酸化程度最高，可推测其易降解转化成有机酸的成分较多，而茶树菇菌糠发酵液的pH 值最低（7.3），这是因为其可能含有较多难以降解或转化成有机酸的成分。

2.5 发酵工艺

2.5.1 进料方式 混合厌氧发酵技术是菌糠厌氧发酵常采用的方法，而进出原料的方式主要分2 种：一是批式发酵，二是连续发酵。当总固体含量大于20%时为干发酵技术，而菌糠的干发酵试验也多采用批量发酵[23]。李亚冰等[24]以菌糠为原料进行批量发酵，添加尿素调节碳氮比，不仅提高了菌糠的总产气量和甲烷含量，还改变了菌糠的产气特性。姚利等[26]以废弃鸡腿菇菌渣为发酵原料，利用自行设计的发酵装置进行批量发酵试验，结果得出，最高产沼气75.69 L（装料1 kg 菌渣），原料产气率可达133 mL/g。

2.5.2 混和发酵 菌糠作为一种良好的原料进行沼气发酵，调节菌糠与粪便、落叶等的混合比例，可以改善发酵原料结构，提高原料的转化率，从而增加沼气产气量。邓媛方等[15]通过香菇废弃菌棒、杏鲍菇废弃菌棒和平菇废弃菌棒与猪粪混合厌氧发酵，将碳氮比调整至25∶1，结果表明，高碳原料与高氮原料相混合呈现出良性互补的良好状态，还能降低单一猪粪厌氧发酵所造成的氨氮抑制，提前原料的产气高峰，且相比菌糠单一发酵，总产气量有所增加。LUO 等[27]研究了蘑菇菌糠与牛粪在不同配比条件下混合消化产生的甲烷产量，结果发现，菌糠的种类不同，与牛粪的最适混合比例不同；同时，混合发酵的甲烷产率比蘑菇菌糠和牛粪单独发酵的产率高6%～61%，所有共消化配比的pH 值在6.8～8.0，表明添加牛粪可以提高系统的缓冲能力。路子佳等[13]研究表明，当木耳菌糠与牛粪比为40∶60、猴头菇菌糠与牛粪比为50∶50 时，发酵总产气量最高。姚利等[26]以鸡腿菇菌渣为原料，将菌渣和牛粪以7∶3 的比例混合，并以质量比5∶3∶2 将发酵原料、沼液、水混合搅拌均匀，堆沤预处理3～5 d 后投入发酵装置，添加10%的鸡粪沼液为接种物启动发酵，可实现高效发酵产沼气，同时该试验在农户沼气池内进行了应用试验，并取得了较好的效果。LIN 等[28]将菌糠和落叶进行混合发酵，结果发现，相比菌糠或落叶作为单独原料发酵，产气量分别比菌糠或落叶单独原料高出16 倍和2 倍。由此可知，混合发酵技术具有十分明显的技术优势，平衡发酵原料碳氮比的同时，还可以有效处理多种废弃物，是当下菌糠沼气化利用的热门方向。杜静雯等[29]利用剩余污泥与双孢菇菌糠为原料共同发酵产酸，采用污泥预处理技术加速细胞破壁，提高污泥厌氧发酵产酸速率，并结合均匀设计与相应曲面，优化剩余污泥及双孢菇菌糠的投加比例以及采用热碱预处理的方式，从而使挥发酸（COD）的产量最大化。

3 菌糠的预处理方式

菌糠中的木质纤维素难以降解，因此预处理过的菌糠利用效率更高。预处理技术主要有3 种：化学预处理、物理预处理及生物预处理，而菌糠的预处理通常采用化学预处理。在化学预处理中，刘家亨[25]首次提出了酸碱混合预处理—酶解糖化工艺，分别用稀H2SO4和稀KOH 溶液处理菌糠，并对木质纤维素的降解程度进行比较，结果发现，对木质纤维素有明显影响的是碱处理，对半纤维素含量影响较大的是酸处理；KOH 预处理去除了69.5%的木质素，氨水预处理去除了33.3%的半纤维素。

相比秸秆来说，菌糠的粒径仅为10 mm 左右，因此不需要剪切处理，而有关于菌糠物理预处理上的气爆处理的报道较少。FERREIRA 等[30]对不同粒径的秸秆进行发酵试验，结果表明，秸秆粒径的大小对厌氧发酵的效果并没有直接的影响。同时，菌糠经过了食用菌种植过程，相当于完成了生物预处理，但是秸秆还需要用食用菌来降解其中的木质纤维素[31]。

4 菌糠厌氧发酵存在的问题及展望

目前，我国对菌糠的开发利用主要集中在食用菌栽培中的二次利用、肥料开发、饲料开发3 个方面，沼气发酵方面相对较少。虽然李亚冰等[24]利用废弃菌糠生产沼气具有巨大潜力，但仍存在很多问题，比如，菌糠中木质纤维素难以降解，发酵过程极易酸化，进而导致有机酸快速积累，pH 值降低，致使甲烷菌生长受限，产气效率明显下降，厌氧消化时间长等，使这类技术在我国没有很好地推展开来。同时，沼液作为沼气发酵的废弃物，在其处理上也已成为沼气生产的附带问题，而路子佳[13]研究提出，以沼液代替清水进行发酵，为沼液处理指明了一个新的方向。如果废弃菌糠发酵时发酵温度适宜，及时调整pH 值，按照碳氮比合理搭配原料，那么以菌糠生物质作为原料的沼气开发将具有很好的前景。