烟草废弃物沼气化利用可行性

刘 刈，姜 娜，雷云辉，王智勇，刘刚金，郑 丹，王 勇，安银敏，董建新

(1.农业部沼气科学研究所，成都 610041；2.四川省烟草公司凉山州公司，四川 西昌 615000；3.贵州大学 电气工程学院，贵阳 550025;4.中国农业科学院烟草研究所，农业部烟草生物学与加工重点实验室，中国农业科学院青岛烟草资源与环境野外科学观测试验站，山东 青岛 266101)

我国是烟草第一大种植国和消费国，2017年全国烟叶产量239.14万吨，卷烟产量2.34万亿支[1]。在烟草种植和生产过程中会产生大量烟秆和废弃烟叶等废弃物。与传统种植业废弃物类似，以往烟草废弃物通常采用焚烧、填埋或直接丢弃等方式处理[2]。这不仅会对环境造成一定程度的污染，而且是资源的浪费。针对以上问题，许多采用理化[3-4]或生物[5-6]手段的烟草废弃物资源化利用的方法不断被研究和开发。近些年，推进农业绿色发展、建设美丽乡村、打赢蓝天保卫战等任务行动的实施，给种植业废弃物资源化利用提出了更高的要求，需从资源评价、收储技术、利用手段等多方面攻关，实现生产、生活、生态之间的协调可持续发展。

沼气发酵具有可回收能源、提供优质沼肥、杀灭病原菌等优点，是农作物秸秆资源化利用的重要技术[7]，烟草作为一种重要的经济作物，其废弃物自然有可能采用沼气发酵技术进行处理利用。但是，相对于传统农作物的废弃物，烟草废弃物又有其特有的性质，例如含有烟碱[8]、可能携带病原物[9-10]等特点也有可能会对沼气发酵过程和沼肥的利用产生影响。因此，目前沼气发酵用并没有成为烟草废弃物资源化利用的一种广泛采用的技术，甚至在研究领域的探索也不多。

为拓宽烟草废弃物资源化利用的技术手段，本文以烟草秸秆和废弃烟叶为对象，从烟秆和废弃烟叶特性入手，在分析了目前的主要资源化利用技术的优缺点之后，讨论了其在产沼气潜力、沼气烘烤烟叶、沼气卫生及沼肥安全还田等方面的可行性，并提出了烟草废弃物沼气化利用的难点和技术发展方向。

1 烟草废弃物的特性

1.1 产量

原料的产量是评估某一区域产沼气潜力的重要资料，利用原料产量和原料可收集系数，结合沼气工程的技术经济分析，即可对工程规模、原料收集半径等参数提供准确的依据。烟草秸秆的产量通常采用草谷比法确定。根据我国农产品统计说明[11]，烟叶产品以干烟叶计算。烟草的草谷比是指烟秆(包括收获在烟秆上的剩余残次烟叶)产量与烟叶产量之比，其数值在1.1～1.6之间[11-12]。此外，烟秆的单产量约为2250～3000 kg·hm-2[13]，这也可以作为烟秆产量估算的依据。对于废弃烟叶，有学者估算，我国烟叶产量的约25%不能用作卷烟的生产从而废弃[14]，通过这个比例也可以估算废弃烟叶的产量。

1.2 理化特性

原料的理化特性是原料是否适合沼气发酵的基础，不同理化特性的发酵原料不但产沼气性能有区别，沼气发酵工艺、部分沼气工程装备的选择也会不同[15]。

原料中的纤维素通常难以被沼气发酵微生物直接快速利用，当原料中的纤维素含量较高时，水解过程通常是沼气发酵过程的限速步骤[16]。因此，农作物秸秆类沼气发酵原料在沼气发酵之前通常采用切碎、碱处理等理化手段进行预处理，从而获得更高的沼气发酵效率[15]。相对于主要农作物秸秆，烟草秸秆的纤维素含量略高(见表1)，所以烟草秸秆进行沼气发酵的预处理难度可能更大。然而烟叶的纤维素含量较低(见表1)，其大量碳元素分布在果胶和还原糖中[17-18]，因此从纤维素含量和碳元素分布的角度看，烟叶沼气发酵的可行性较大。相对于纤维素，木质素成分更难被沼气发酵微生物直接快速利用[19]，烟草秸秆的木质素含量与主要农作物秸秆相差不大(见表1)。通常认为，沼气发酵原料的碳氮比宜为20～30∶1[15]。虽然相对传统主要农作物秸秆，烟草秸秆的碳氮比较低，但是其仍然高于沼气发酵适宜碳氮比的范围，因此采用烟草秸秆与富氮原料(通常是畜禽粪便)混合进行沼气发酵普遍被认为可以获得更高的沼气发酵效率[20-21]。烟草秸秆较高的碳氮比主要由于氮元素含量高于其它农作物秸秆(见表1)。而烟叶的碳氮比则低于沼气发酵适宜碳氮比的范围。沼气来产自于原料中的有机成分，原料成分中挥发分高，则可生物降解或产沼气的潜力可能也高。从表1中数据看，烟草秸秆和烟叶的挥发分含量比传统秸秆的挥发分含量高，所以从理论上看，烟草废弃物产沼气的潜力也应该较好。但是，与传统作物不同的是，烟草废弃物中含有烟碱，而生物碱的存在有可能抑制沼气发酵微生物的代谢活动[22]，从而降低烟草废弃物的沼气产量。

此外，烟草秸秆、烟叶的不同部位，理化特性也有一定的区别[17,23-24]，在烟草废弃物沼气化利用中也需要有针对性的考虑。

表1 烟草废弃物和主要农作物秸秆理化特性 (%)

2 烟草废弃物处理和利用方式

2.1 物化利用

2.2 生物利用

除了物理化学方法处理利用烟草废弃物，采用好氧堆肥处理生产有机肥也是一种通常的生物处理方法。通过高温好氧发酵，烟草废弃物的总固体含量可以降低50%左右[37]，烟碱的含量降低80%左右[37-38]，降低了烟草废弃物还田利用的成本和风险。但是，有研究表明好氧堆肥并不能去除烟草废弃物中存在的病毒[39]，这对烟草废弃物有机肥还田利用是不利的。而沼气发酵已经被证明对多种病原物有去除或钝化作用[40-41]，因此相对于好氧发酵，沼气化利用在生产能源的基础上更有可能将沼肥安全回用至烟田中。

3 烟草废弃物沼气化利用

3.1 烟草废弃物产沼气潜力

烟草废弃物的理化特性表明烟草废弃物从成分上是可以进行沼气发酵生产沼气的。38℃条件下的批式干发酵试验得出烟草秸秆的沼气原料产气率为333 L·kg-1TS或426 L·kg-1VS[29]，中试规模的高温干发酵烟草废弃物的原料产气率为257 L·kg-1TS[42]，与传统农作物秸秆的沼气原料产气率接近。但是也有学者认为烟草秸秆的产沼气潜力显著低于玉米、水稻等秸秆[43]。在烟草秸秆中添加畜禽粪便进行混合发酵已经被证明可以提升烟草秸秆的产沼气潜力[20]，也有学者将烟草秸秆作为碳源添加至市政污泥中来提升市政污泥的沼气发酵效率[44]。对于废弃烟叶，有学者认为其可以进行单独发酵，能获得与烟草秸秆接近的原料产气率[45]；相反，也有学者认为废弃烟叶烟碱含量较高，单独发酵启动较为困难[27]。除了在批式发酵中探讨烟草废弃物的产沼气潜力，也有学者研究了烟草废弃物在不同规模的沼气发酵装置中进行连续发酵的可行性。在近中温条件下，200 L的沼气发酵装置中进行烟草废弃物的连续发酵，容积产气率可以达到0.48 m3·m-3d-1，以日进料量计的原料产气率为192 L·kg-1TS，放大至10 m3规模的沼气发酵装置中，在环境温度为12.7℃～29.6℃的条件下，常温发酵的原料产气率为169～282 L·kg-1TS[28]。有学者认为，烟草废弃物进行连续发酵易酸化，采用氢氧化钙调节pH值后进行连续发酵的原料产气率有很大提升，可以达到53.4 m3·t-1鲜重[46-47]。需要指出的是，上述许多研究中的烟草废弃物在沼气发酵前大多进行了切碎、粉碎等物理预处理，有些还进行了堆沤，因此试验得出沼气产率有可能较高。烟草秸秆较玉米、水稻等传统农作物秸秆更硬，特别是靠近根部的秸秆硬度很大，所以在工程规模的应用中，烟草秸秆的预处理难度会更高，这是制约烟草废弃物沼气化利用的一个因素。

3.2 利用沼气作为能源烘烤烟叶

煤炭是烤烟能量的传统来源，随着全社会生态环境保护意识的提升，国际上也开始提倡利用可再生能源烤烟。利用可再生能源烤烟可以在保证烟叶品质的前提下，一定程度的降低烘烤成本、减少环境污染，目前可用于烤烟生产中的可再生能源有太阳能、电能、生物质能等[48-49]。但是，利用太阳能的问题是受地域和天气影响较大，利用电能的问题是种植烤烟的山区大功率供电的困难[50]。生物质能源烤烟主要利用生物质气、生物质固化燃料或沼气等。对于沼气烤烟，安徽省凤阳县早在1976年即有应用，烘烤出的烟叶质量也好于采用煤炭烘烤烟叶的质量[51]。到1984年，湖南省凤凰县也有技术人员利用沼气烘烤烟叶取得成功，降低了烘烤成本，也提升了烟叶品质[52]。近些年，利用沼气作为能源的新型烤房也已经申请了相关知识产权[53]。但是，通常情况下沼气的生产是全年连续并相对稳定的，而烟叶烘烤只有在烟叶收获的季节进行，而且烘烤期间短时能量的消耗也比较大。因此，在非烘烤期间，沼气要有其它的利用方式；在烟叶烘烤期间，若短时能量需求太大，还需要配套其它能源供给。针对以上情况，云南省在烟区示范建设了处理畜禽粪污的沼气工程，沼气在烘烤期间配合太阳能热泵的辅助能源进行烟叶烘烤，非烘烤期间沼气用作发电或集中供气等用途，沼肥用作烟田的有机肥料，实现农业生态循环发展[54-55]。

3.3 沼肥在烟草生产中的作用

沼肥通常指以原料经过沼气发酵后的沼渣、沼液为载体，加工成的有机肥料。与发酵原料相比，沼肥更均质，氮、磷比例也得到了改善。在实践中沼肥也被证明了是良好的农田肥料并能改善土壤质量[56]。早在上世纪九十年代即有大田试验研究表明施用户用型沼气池的沼肥可使单株烟叶数量增加，叶片厚度增大，还可降低烟田土壤容重，促进营养元素的吸收，使烟叶化学成分趋于协调[57]。近年来，通过系统的盆栽试验和大田试验研究得出：在苗期沼肥可以显著提升烟苗根系质量，沼肥中氮的浓度对烟苗根系质量影响较大，但是相对于育苗专用肥，沼肥对烟苗叶片中光合色素含量、光合特性等生理特性指标影响不大[58]；在大田生长期，施用沼肥可以增加烟叶生物量，改善烤烟株高、叶数、叶面积等农艺性状，也显著提升了烟叶的产量、产值等经济性状，并指出每公顷烟田施用7.5吨户用型沼气池产生的沼液是合适的沼肥使用量[59-62]。此外，沼肥对烟草病毒病、黑胫病、烟蚜等病虫害有不同程度的防治效果[61]，特别是对烟草赤星病的防治，有学者进行了深入的研究得出，施用沼液与农药有相似的防治效果，沼液的发酵时间对烟草赤星病防治效果有影响，并证明对烟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 沼气发酵过程对烟草病原物的作用

普遍认为沼气发酵过程对动、植物的病原菌有杀灭或钝化作用，且发酵时间越长、发酵温度越高，沼气发酵过程对病原菌的杀灭或钝化作用越好[40-41,65-66]。但是，沼气发酵过程对烟草病原物的作用研究较少，有研究表明[20]中温发酵(35℃)对黄瓜花叶病毒(CMV)有较好的去除效果，对烟草花叶病毒(TMW)去除效果不好；高温发酵(55℃)对TMV和CMV都有去除作用。关于污水中TMV的灭活动力学研究表明，温度也是影响TMV活性最主要的因素[67]，在污水处理系统中，TMV也可能未被灭活而是被吸附在固态污泥之中[68-69]。如前一部分介绍，沼液对烟草赤星病真菌的抑制作用也可能来自与沼气发酵微生物的作用[63]。沼气发酵过程对烟草细菌病的杀灭或钝化作用未见报道。烟草病原物的存在是制约烟草废弃物沼气发酵后，沼肥回用至烟田的重要因素，因此深入探索烟草病原物在沼气发酵过程中的抑制或钝化效果和机理，对烟草废弃物通过沼气发酵进行生态循环利用有重要意义。

3.5 烟碱对沼气发酵的作用及其在沼气发酵过程中的降解

烟碱是生物碱的一种，一定浓度的生物碱对沼气发酵微生物的代谢有抑制作用[22,70]。烟碱与发酵料液体积比为0.5%时，以葡萄糖为底物的沼气发酵过程甲烷产量降低了86.93%[22]，因此对照表1中烟草秸秆和废弃烟叶的烟碱浓度，废弃烟叶在料液中稀释10倍的条件下也会严重影响沼气发酵微生物的活性。另一方面，以前的研究表明，生物碱不能被沼气发酵微生物利用[22]，但是近些年有关于低浓度的鸦片生物碱废水通过好氧或厌氧技术进行处理的报道[71-72]。在烟草薄片生产中也会产生大量的含有烟碱的废水，有报道采用升流式厌氧污泥床反应器(UASB)处理烟草薄片废水，研究发现烟碱的生物降解率不高，通过外加硝酸盐来诱导驯化厌氧颗粒污泥中反硝化菌的代谢活动后，烟碱的去除效率可以达到76%[73-74]。但是废水中烟碱的浓度仅有120 mg·L[73]，远低于报道的烟碱抑制浓度[22]。因此，烟草废弃物稀释到一定程度，例如与其它原料进行混合发酵生产沼气，从烟碱抑制微生物代谢的角度看是可行的。

4 结论及展望

烟草废弃物的资源化利用符合农业绿色发展、建设美丽乡村、打赢蓝天保卫战等任务需求。沼气发酵是农业废弃物资源化利用的有效手段。总体来说，在满足一定工艺技术条件时，烟草废弃物通过沼气发酵进行资源化利用是可行的。但是，由于烟草废弃物的一些特性，其进行沼气发酵还有一定的限制因素：1)与其它农作物秸秆类似，烟草秸秆碳元素含量较高，作为沼气发酵原料单独发酵碳氮比不合适；2)相对于传统农作物秸秆烟草秸秆较硬，进行沼气发酵之前的预处理难度较大；3)烟草废弃物中含有烟碱，有可能影响沼气发酵微生物的代谢；4)烟草废弃物中可能含有病原物，这会影响烟草废弃物沼气发酵后的沼肥还田资源化利用。

针对以上制约因素，关于烟草废弃物沼气化利用的研究应侧重烟碱抑制沼气发酵微生物代谢机制，烟碱在沼气发酵过程中的降解机理，烟草病毒病、细菌病和真菌病病原物在沼气发酵过程中的抑制等方面。技术方面，应探索烟草废弃物与其它农业废弃物混合发酵生产沼气的机制，研发适用于烟草废弃物沼气发酵的预处理技术和装备。在应用领域，形成烟草废弃物发酵后的沼肥安全回用模式，提高沼气烤烟的产量，优化并推广“畜—沼—烟”等生态模式，最终为烟草的绿色生产创造有利的条件。