废弃花卉秸秆厌氧消化生产沼气的研究进展

李秋敏　杨洋　廖承菌　褚素珍

摘要    本文针对废弃花卉秸秆厌氧消化生产沼气的研究及应用情况以及应用过程中存在的问题及对策等方面进行了阐述，以探讨废弃花卉秸秆厌氧消化生产沼气的可行性和工程应用前景。废弃花卉秸秆作为优质的沼气发酵原料，具有较大的开发利用价值，其沼气化利用在未来将是一个重要利用方式。

关键词    废弃花卉秸秆;厌氧消化;沼气

中图分类号    S216.4        文献标识码    A

文章编号   1007-5739（2019）13-0160-03                                                                                     开放科学（资源服务）标识码（OSID）

Research  Advances  on  Biogas  Productionby  Anaerobic  Digestion  of  Discarded  Flower  Straw

LI Qiu-min    YANG Yang    LIAO Cheng-jun    CHU Su-zhen

（Yunnan Agricultural Vocational and Technical College，Kunming Yunnan 650220）

Abstract    This paper expounded the research and application of biogas production by anaerobic digestion of discarded flower straw，the problems and countermeasures in the application process，to explore the feasibility and engineering application prospects of anaerobic digestion of discarded flower straw for biogas production.As a high-quality biogas fermentation raw material，flower straw has great development and utilization value，and its biogas utilization will be an important utilization method in the future.

Key words    discarded flower straw;anaerobic digestion;biogas

花卉行业是一个新兴产业，花卉在很多工业中都有应用，如香水、化妆品、食品、酒类和纺织工业等[1]。随着生活水平的提高，花卉的需求量也逐渐增加，在大力开拓花卉种植面积、促进花卉产业繁荣发展的同时，清洁有效地进行花卉废弃秸秆的处理已成为了花卉种植和销售市场所面临的关键问题。目前废弃花卉秸秆的利用主要是粉碎、覆盖还田或简单堆沤后还田[2]，大量的秸秆直接堆沤使用或还田存在污染环境、利用率低、肥效差等问题，而将农业废弃物通过厌氧消化进行沼气化利用除了可用作生活生产用能以及农副产品加工外，发酵残留物还可作为优质有机肥、土壤改良剂、生物农药和栽培料等[3]。故对于废弃花卉秸秆，可采用厌氧消化技术生产沼气。

本文针对利用厌氧消化生产沼气进行废弃花卉秸秆处理和利用的研究现状进行阐述，并针对该利用方式存在的问题提出对策，旨在为研究废弃花卉秸秆资源化利用提供一定的参考，并积极促进该技术在废弃花卉秸秆处置中的实际工程应用。

1    废弃花卉秸秆资源化利用现状

废弃花卉秸秆是指在花卉生产种植和采摘过程中产生的大量花、茎、叶等废弃物。废弃花卉秸秆还田是秸秆传统的利用方式，也是目前主要的处理方式，即机械化粉碎还田和覆盖、堆沤还田，可增加土壤有机质、培肥地力、提高作物产量，但是大量秸秆直接堆沤或还田导致肥效较差、利用率低，而且还会污染环境。此外，随着科技不断进步，秸秆饲料、能源化利用、基料化利用、秸秆建材等方式逐渐发展起来，极大提高了废弃秸秆的使用价值和利用率。废弃秸秆能源化利用包括直接用作生活燃料、厌氧发酵产沼气、秸秆气化、秸秆发电和秸秆乙醇等方式[4]。目前廢弃花卉秸秆的能源化利用主要为直接生活燃料，其他利用方式较少，而且由于花卉多为草本或茎杆较小的灌木，秸秆直接燃烧作为生活燃料存在热效率低、污染环境等问题，不是能源化的优质利用方式。部分花卉秸秆除经过加工成禽畜饲料外，还可直接用于奶牛、奶山羊等禽畜的饲养，以替代青绿饲料。基料化利用主要是指以秸秆为基料的食用菌生产，此外还可用于秸秆育苗、花木基质、草坪基料、温室大棚育苗等，但是目前废弃花卉秸秆基料化使用较少。

2    废弃花卉秸秆厌氧消化产沼气的研究

2.1    可行性

目前，对于以秸秆为原料的厌氧发酵产沼气研究，国内外已相对成熟，主要包括水稻秸秆、小麦秸秆、玉米秸秆、棉花秸秆、高粱秸秆等常见农业废弃物，主要针对秸秆原料预处理方法以及产气特性方面。对于花卉秸秆厌氧发酵产沼气的研究相对较少，但试验结果均显示废弃花卉秸秆可作为厌氧发酵产沼气的原料且具有良好的产气效果。如杨  红等[5]以非洲菊为发酵原料，在恒温30 ℃下进行批量式沼气发酵试验，结果显示在发酵过程中易出现酸化，酸化期达15 d，调节pH值能缩短酸化时间且TS产气潜力更高，为468 mL/g;以康乃馨秸秆为原料，在恒温30 ℃下采用批量式工艺进行厌氧发酵产沼气试验，原料TS产气潜力为266 mL/g[6];以玫瑰秸秆为原料，在恒温30 ℃下采用批量式工艺进行厌氧发酵产沼气试验，发酵历时44 d，发酵体系发生酸化后能很快自动调节恢复产气，秸秆发酵总固体量为20%时，规律相同，原料TS产气潜力为305 mL/g[2]。李梦洁[7]以玫瑰秸秆为原料对其厌氧发酵产气特性进行了研究，结果显示，最适合玫瑰秸秆厌氧发酵的接种量为40%;20%沼液预处理原料时玫瑰秸秆的产气效果较好;单一补料、分批发酵的半连续发酵方式可以获得稳定的产气效果。吉喜燕[8]等以勿忘我花杆为原料，在恒温30 ℃下进行批量式沼气发酵试验，发酵历时36 d，第15天出现酸化，但能很快恢复，TS产气潜力为359 mL/g。

2.2    发酵影响因素

2.2.1    预处理。秸秆原料主要由纤维素、半纤维素和木质素3个部分组成，木质素的存在使纤维素酶难以直接作用于易被微生物利用的纤维素和半纤维素，阻碍了厌氧发酵的水解过程，造成秸秆类原料进行发酵的过程中存在启动速度慢、降解率低、进料困难等问题，严重影响和制约了厌氧发酵技术的发展。为避免此类现象发生、提高厌氧发酵的效率，可通过预处理方式增加原料的降解效率，缩短发酵所需的时间，提高原料的产气效率[7]。秸秆预处理的方式主要有物理、化学、生物等方式。

目前，针对花卉秸秆预处理方面的研究较少，李梦洁[7]以玫瑰秸秆为原料研究了沼液预处理对其厌氧发酵产气特性的影响，结果显示，当原料TS含量为20%的沼液预处理时，总产沼气量最大。印度学者M.B.Kulkarni和P.M.Ghanega-onkar通过使用不同的技术，如新型碱性预处理、沼气池的太阳能加热和食物垃圾的共同消化等方式，可以增加花卉废物产生的沼气量。试验结果显示，与传统的氢氧化钠预处理相比，使用碳酸钠和碳酸氢钠对花卉废物进行新的碱性预处理使沼气产量提高了106%，化学预处理成本节省高达96%[9]。

2.2.2    起始pH值、温度、接种物与接种物量、氧化乐果农药。厌氧消化产沼气过程受到多种因素的影响，不同发酵条件下产气效果差异较大，选择适宜的发酵条件对于高效产气至关重要。赵霞[10]以玫瑰秸秆为原料分别研究了起始pH值、温度、接种物与接种物量、氧化乐果农药等因素对厌氧发酵产气效果的影响，结果显示，起始pH值为7.0时最有利于沼气发酵;35 ℃的发酵温度能最好地提高废弃玫瑰秸秆厌氧消化产气效果;相同质量的猪粪作为接种物效果普遍优于鸡粪，而且猪粪和秸秆质量比为3.0∶1.0时有利于提高产气量;氧化乐果农药可在厌氧发酵过程中降解，但是高浓度的氧化乐果会抑制产气。

印度学者Puja Singh等[11]建立了利用气相色谱仪测定花渣生产沼气质量的试验装置。结果表明，该工艺可有效降低花卉废弃物的污染潜力，比较了冬季（12月至翌年2月）和夏季（3—5月）花渣沼气浓度分别为43%～50%甲烷（CH4）和44%～50%二氧化碳（CO2）、50%～54%甲烷（CH4）和40%～43%二氧化碳（CO2）。

张莉娟等[12]以新鲜薇甘菊为原料在中温30 ℃和常温下进行厌氧发酵产沼气，中温30 ℃和常温试验组的沼气发酵历时32 d，中温30 ℃和常温净产气量分别为3 725、2 765 mL。从试验结果计算得出，中温30 ℃下薇甘菊的TS产气潜力为511 mL/g，VS产气潜力为627 mL/g。由此可见，中温较常温条件产气较好。

2.2.3    发酵浓度。印度学者J Ranjitha等[13]以猪粪为接种剂，采用1 L容量的厌氧消化器对香蕉、花椰菜、马铃薯、红薯等蔬菜及花卉废弃物（玫瑰、桑邦吉、古莫哈、金盏花、金莲花、丝合欢）进行厌氧消化。按原料与接种物1∶1的比例实时操作，发酵浓度分别为5%、7%和10%，结果表明，发酵浓度为7%的产气效果最好，鲜花是生产沼气的良好原料[13]。

3    废弃花卉秸秆厌氧消化产沼气的利用现状

废弃花卉秸秆厌氧消化产沼气的利用主要有户用沼气池和沼气工程2个方面。在户用沼气池利用方面，部分废弃花卉秸秆会被农户作为发酵原料投入户用沼气池产沼气，但此部分所占比例较小，而且随着农村沼气工程的转型升级，此利用方式的比例将会更小。废弃花卉秸秆厌氧消化产沼气的利用将主要集中在大中型沼气工程方面，目前国内单纯的废弃花卉秸秆沼气工程实例还未见报道，但是秸秆沼气工程已非常成熟，例如湖北省首個大型沼气工程于2011年建成，以农作物秸秆作沼气发酵原料，日处理作物秸秆2.28 t，日产沼气800 m3，对650家农户实现集中供气[14]。云南省首座大中型秸秆沼气集中供气工程于2012年建设完工，建设地点为保山市隆阳区金鸡乡东方村，日处理秸秆1.5 t，年产沼气21.9万m3，以集中供气方式供应周边360户农户使用[15]。随着花卉行业的不断发展，废弃花卉秸秆沼气工程利用将是一个很重要的发展方向。

4    废弃花卉秸秆厌氧消化产沼气利用存在的问题及对策

4.1    试验研究基本成熟但不全面系统

根据国内外废弃花卉秸秆厌氧消化产沼气的研究显示，废弃花卉秸秆具有较好的产气潜力，是较好的发酵原料，而且对其发酵过程中的影响因素也进行了研究，获得了废弃花卉秸秆产沼气的较佳工艺条件，但是由于不同地区花卉种植品种不同，产气情况和发酵特性存在差异。目前研究较多的花卉品种是玫瑰，其余花卉品种发酵产沼气研究较少，而且虽然针对影响发酵的大部分因素都进行了研究，但是没有比较系统的试验论证，不同的研究采用的试验装置、工艺类型不同，试验结果差异较大。因此，虽然厌氧消化产沼气的工艺目前在国内外已经发展成熟，但是对于废弃花卉秸秆而言，还需要进一步系统地针对大宗品种、发酵条件、工艺类型等方面进行研究及试验，以确保其工程化利用的稳定性。

4.2    秸秆还田的利用方式转变难度大

在花卉种植和生产过程中会产生大量废弃秸秆，大量废弃秸秆除了占用土地外，腐烂变质以后还会污染环境。秸秆还田可以减少秸秆的存量，同时增加土壤养分和减少化肥使用，但是粉碎秸秆需要机械设备和燃料的投入，而且不正确的还田方式不仅不能增加土壤养分，还会增加肥料施用量和病虫害发生次数。目前，由于很多花卉种植区域缺乏相关的秸秆饲料化、基料化、汽化、炭化、固化成型、产沼气等方面的配套设备和企业，秸秆还田仍是花卉种植企业和农户处理利用废弃花卉秸秆的主要方式。因此，针对目前废弃花卉秸秆的主要处理现状，在秸秆还田方面需科学计算秸秆还田量以及进行合理的技术操作，并配套相应的植保技术，保证不影响作物生长和污染环境，同时应结合市场发展情况，积极发展秸秆饲料化、基料化、汽化、炭化、固化成型、产沼气等利用方式，提高废弃花卉秸秆的利用率和价值。

4.3    沼气化利用需配套沼气工程

废弃花卉秸秆是较好的沼气发酵原料，但是目前废弃花卉秸秆在沼气化利用方面较少，这与花卉种植地区沼气工程的配套情况有很大的关系。户用沼气池的废弃花卉秸秆利用由于用量少、农户缺乏预处理经验、运输存储不方便等原因而使用率较低。废弃花卉秸秆大中型沼气规模化利用需要兴建配套的大中型沼气工程，而目前很多花卉种植和生产地区缺乏配套的大中型沼气工程用以消耗废弃花卉秸秆，而这与花卉生产企业的管理方向及政府的扶持推广力度有一定的关系。因此，应加大废弃花卉秸秆大中型沼气工程的推广和应用，结合当地经济发展模式，引导当地群众利用废弃花卉秸秆生产沼气，同时利用沼液、沼渣进行花卉种植，变废为宝，充分发挥废弃花卉秸秆的利用价值。

5    结语

随着化石能源的短缺和农业环境的日益恶化，生物质资源的开发利用逐渐受到关注。废弃花卉秸秆作为优质的沼气发酵原料，具有较好的开发利用潜力，很多学者对于废弃花卉秸秆厌氧发酵产沼气也进行了大量研究，虽然目前国内还没有关于废弃花卉秸秆大中型沼气工程的报道，但是随着我国各项促进生物质能产业化政策的实施以及开发利用生物质能力度的不断加大，废弃花卉秸秆大规模沼气化利用将指日可待。

6    参考文献

[1] WAGHMODE M S，GUNJAL A B，NAWANI N N，et al.Management of floral waste by conversion to value-added products and their other app-lications[J].Waste and Biomass Valorization，2018，9（1）：33-43.

[2] 杨红，尹芳，张无敌，等.玫瑰秸秆产沼气潜力的试验研究[J].湖北农业科学，2013，52（17）：4086-4089.

[3] 张无敌，宋洪川，尹芳，等.沼气发酵与综合利用[M].昆明：云南科技出版社，2004.

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[5] 楊红，尹芳，张无敌，等.非洲菊秸秆产沼气潜力的试验研究[J].安徽农业科学，2012，40（34）：16756-16757.

[6] 杨红，马煜，张无敌，等.康乃馨秸秆产沼气潜力的试验研究[J].云南师范大学学报（自然科学版），2011，31（增刊2）：81-84.

[7] 李梦洁.玫瑰秸秆厌氧发酵产沼气特性试验研究[D].上海：东华师范大学，2016.

[8] 吉喜燕，林卫东，张无敌，等.勿忘我花杆发酵产气潜力的实验研究[J].新能源进展，2014，2（5）：358-363.

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[10] 赵霞.以玫瑰秸秆为原料厌氧发酵影响因素的研究[D].沈阳：东华大学，2018.

[11] SINGH P，BAJPAI U.Anaerobic digestion of flower waste for methane production：An alternative energy source[J].Environmental Progress & Sustainable Energy，2012，31（4）：637-641.

[12] 张莉娟，季梅，张无敌，等.新鲜薇甘菊在不同温度下厌氧发酵产气潜力的研究[J].云南师范大学学报（自然科学版），2014，34（6）：47-51.

[13] RANJITHA J，VIJAYALAKSHMI S，VIJAYA K P，et al.Production of bi-ogas from flowers and vegetable wastes using anaerobic digestion[J].Int-ernational Journal of Research in Engineering and Technology，2014，3（8）：279-283.

[14] 湖北首个大型秸秆沼气工程建成[EB/OL].（2011-02-24）（2019-03-29）.http：//jiuban.moa.gov.cn/fwllm/qgxxlb/hubei/201102/t20110224_1

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[15] 候斌，何晓红.云南省首座大中型秸秆沼气集中供气工程[J].云南农业，2015（3）：8.