烤煙廢棄鮮葉作為沼氣發(fā)酵原料的適用性研究

摘 要：烤煙廢棄鮮煙葉降解較為困難，田間處理不當(dāng)易造成環(huán)境污染和病害傳播，為探索烤煙廢棄鮮葉的無(wú)害化處理、資源化利用方式，試驗(yàn)對(duì)比了烤煙廢棄鮮葉、烤煙廢棄鮮葉加牛糞、烤煙廢棄鮮葉加碳銨（NH4HCO3）、稻草秸稈分別作為發(fā)酵原料的產(chǎn)氣周期和產(chǎn)氣率等參數(shù)。結(jié)果表明，在不進(jìn)行原料預(yù)處理時(shí)，烤煙廢棄鮮葉可以作為沼氣發(fā)酵原料正常生產(chǎn)沼氣，自然條件下，產(chǎn)氣周期在170 d以上、原料產(chǎn)氣率在0.3 m3/kg以上；在發(fā)酵時(shí)添加適量的牛糞或碳銨，能進(jìn)一步提高烤煙廢棄鮮葉的發(fā)酵速度和產(chǎn)氣率，并以加入鮮牛糞的效果更好。

關(guān)鍵詞：廢棄煙葉；沼氣；發(fā)酵；原料；適用性

中圖分類(lèi)號(hào)：S147 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-060X（2014）17-0045-03

Applicability of Discarded Fresh Tobacco Leaves Used as Biogas Fermentation Raw Material

LI Ya-chun1，ZHU Hong-gen1，PENG Tao-jun2，DUAN Shi-jiang1，

HU Rong-hua1，SHI Wen-qiang1，PENG Yi-chang2

（1. Jian Tobacco Company， Jian 343009， PRC； 2. Anfu Tobacco Branch， Anfu 343200， PRC）

Abstract：As degradation of discarded tobacco fresh leaves is difficult and improper handling in field is liable to cause environmental pollution and disease spreading， study on the applicability of using discarded tobacco fresh leaves as biogas fermentation raw material was conducted for exploring harmless treatment and resources utilization mode. The experiment compared the relevant data of four treatments as fermentation raw material： discarded tobacco fresh leaves， discarded tobacco fresh leaves + cow dung， discarded tobacco fresh leaves + NH4HCO3 and straw stalk. Results show that discarded tobacco fresh leaves can be used as biogas fermentation raw material to produce biogas when pretreatment of raw material is not conducted， and biogas production cycle is above 170 days with generation rate above 0.3m3 under natural conditions； the adding of moderate cow dung or NH4HCO3 at the time of fermentation can further improve fermentation speed and gas generation rate of discarded tobacco fresh leaves， and the effect of adding cow dung is better.

Key words：tobacco； discarded fresh tobacco leaf； biogas； fermentation raw material； applicability

投稿日期：2014-08-04

基金項(xiàng)目：江西省煙草公司科技項(xiàng)目（201201005）

作者簡(jiǎn)介：李亞純（1989- ），男，河南蘭考縣人，助理農(nóng)藝師，主要從事煙草栽培技術(shù)研究。

通訊作者：朱紅根

隨著近幾年煙葉結(jié)構(gòu)優(yōu)化政策的大力推廣，不適用煙葉的田間處理工作已在各烤煙產(chǎn)區(qū)全面推行。但生產(chǎn)上針對(duì)烤煙田間廢棄鮮葉的產(chǎn)業(yè)化消耗還沒(méi)有行之有效的方法，烤煙廢棄鮮葉作為沼氣發(fā)酵原料的研究也鮮有報(bào)道。因此，吉安市煙草公司于2013～2014年開(kāi)展了“烤煙廢棄物循環(huán)利用研究”項(xiàng)目，以期通過(guò)研究烤煙廢棄鮮葉作為沼氣發(fā)酵原料的適用性，探尋烤煙廢棄鮮葉循環(huán)利用的新途徑，實(shí)現(xiàn)其無(wú)害化處理、資源化利用。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2013年5月至2014年1月在江西省安?？h現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)科技園進(jìn)行。試驗(yàn)原料：烤煙廢棄鮮葉、風(fēng)干的水稻秸稈，添加鮮牛糞、碳銨（NH4HCO3）。發(fā)酵接種物為正常產(chǎn)氣沼氣池水壓箱的沼液（表1）。

供試沼氣發(fā)酵池及配套設(shè)置：4個(gè)結(jié)構(gòu)一致，體積為70 m3的沼氣發(fā)酵池；2個(gè)12 m3的儲(chǔ)氣柜；1個(gè)85 m3的儲(chǔ)液池；16戶(hù)家庭2 392 m的沼氣輸送管網(wǎng)，及相關(guān)沼氣使用配套設(shè)施。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)：共設(shè)置4個(gè)處理，分別選用供試的4個(gè)沼氣發(fā)酵池，各處理按照發(fā)酵原料不同設(shè)置如下：處理1，烤煙廢棄鮮葉；處理2，烤煙廢棄鮮葉+牛糞；處理3，烤煙廢棄鮮葉+碳銨；處理4，稻草秸稈。

發(fā)酵方法：各處理投入原料的干物質(zhì)總重量相同，均為4 000 kg。各處理均一次完成投料，投料前不進(jìn)行原料預(yù)處理。處理2和處理3每層放30 cm厚烤煙廢棄鮮葉并加入部分添加物。其中烤煙廢棄鮮葉與牛糞或碳銨的干物質(zhì)比例為20∶1。原料投完后，各處理均加入發(fā)酵接種物20 m3[1]。投料后加水封池封蓋，在自然條件下發(fā)酵。

1.3 項(xiàng)目測(cè)定及方法

含水量：鮮煙葉、稻草秸稈、牛糞采用烘干法測(cè)定含水量，碳銨（NH4HCO3）采用電石法測(cè)定含水量。

產(chǎn)氣量：待所產(chǎn)氣體能正常點(diǎn)燃后，每天早上9點(diǎn)定時(shí)測(cè)量，記錄日期以及各處理的產(chǎn)氣數(shù)據(jù)。

產(chǎn)氣周期：從成功點(diǎn)火開(kāi)始，到日產(chǎn)氣量衰減至日產(chǎn)氣峰值的10%時(shí)結(jié)束的時(shí)間。

原料產(chǎn)氣率：一個(gè)產(chǎn)氣周期的總產(chǎn)氣量與該處理投入發(fā)酵原料干物質(zhì)總量的比，單位為m3/kg，計(jì)算式如下：

原料產(chǎn)氣率=（1）

式中A為一個(gè)產(chǎn)氣周期的總產(chǎn)氣量，B為該處理投入發(fā)酵原料干物質(zhì)總量。

平均池容產(chǎn)氣率：m3/（m3·d），計(jì)算方法如公式所示：

池容產(chǎn)氣率=×（2）

式中A為一個(gè)產(chǎn)氣周期的總產(chǎn)氣量，D為該處理產(chǎn)氣周期的時(shí)間，C為該處理所用發(fā)酵池的容積。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)沼氣池首次產(chǎn)氣和成功點(diǎn)火的影響

在啟動(dòng)階段，各處理從封池到首次產(chǎn)氣、成功點(diǎn)火的時(shí)間對(duì)比見(jiàn)表2。各處理均在同一天完成投料并封池，處理2在封池后的第6天最早開(kāi)始產(chǎn)氣，比處理3早

1 d，比處理1早3 d，處理4開(kāi)始產(chǎn)氣的時(shí)間最晚，比處理2晚7 d；開(kāi)始產(chǎn)氣后每天對(duì)各處理所產(chǎn)氣體進(jìn)行點(diǎn)火試驗(yàn)，處理2、處理3成功點(diǎn)火時(shí)間分別在首次產(chǎn)氣后第9天和第10天，處理1、處理4分別為首次產(chǎn)氣后第11天、第12天，成功點(diǎn)火時(shí)各處理火焰均呈藍(lán)色，說(shuō)明此時(shí)沼氣已較為純凈，甲烷含量比較高[2]。

上述結(jié)果表明：在不進(jìn)行原料預(yù)處理的前提下，烤煙廢棄鮮葉可以作為沼氣發(fā)酵原料產(chǎn)生沼氣，且首次產(chǎn)氣以及成功點(diǎn)火所需時(shí)間均比稻草秸稈作原料的處理短。在發(fā)酵時(shí)加入適量的牛糞或碳銨可以加速鮮煙葉發(fā)酵，縮短產(chǎn)氣啟動(dòng)所需時(shí)間，并以加入牛糞的效果更好。

2.2 不同處理對(duì)產(chǎn)氣過(guò)程的影響

各處理日產(chǎn)氣量隨時(shí)間的變化見(jiàn)圖1。從圖中可以看出，各處理的日產(chǎn)氣量整體上均呈現(xiàn)前期不斷增長(zhǎng)，到產(chǎn)氣高峰期后維持一段時(shí)間平穩(wěn)產(chǎn)氣，之后逐漸回落的過(guò)程。正常產(chǎn)氣期間各處理的日產(chǎn)氣量整體上表現(xiàn)為處理2>處理3>處理1>處理4；其中處理2在成功點(diǎn)火后第31天最早進(jìn)入產(chǎn)氣高峰期，處理3僅次于處理2，在成功點(diǎn)火后第37天進(jìn)入產(chǎn)氣高峰期，處理1在成功點(diǎn)火后第46天進(jìn)入產(chǎn)氣高峰期，處理4進(jìn)入產(chǎn)氣高峰期最晚，為成功點(diǎn)火后第55天；各處理產(chǎn)氣高峰期的時(shí)間跨度以處理2最長(zhǎng)，為87 d，處理3次之，為82 d，處理1為75 d，處理4最短，為63 d；產(chǎn)氣周期以處理4最長(zhǎng)為206 d，處理1次之為185 d，再次是處理3為

179 d，處理2最短為174 d。

上述結(jié)果表明：試驗(yàn)中采用烤煙廢棄鮮葉作為發(fā)酵主原料的各處理發(fā)酵速度、日均產(chǎn)氣量均優(yōu)于稻草秸稈作發(fā)酵原料的處理，其到達(dá)產(chǎn)氣高峰期的時(shí)間也早于采用水稻秸稈作發(fā)酵原料的處理；烤煙廢棄鮮葉發(fā)酵原料時(shí)加入適量的牛糞或碳銨能加快原料發(fā)酵速度、促進(jìn)產(chǎn)氣高峰期提前及每日產(chǎn)氣量的增加，并以加入牛糞的效果更好；各處理中以采用水稻秸稈做發(fā)酵原料的處理產(chǎn)氣周期最長(zhǎng)，其次是只使用廢棄鮮葉做原料的處理，發(fā)酵時(shí)加入適量牛糞或碳銨能提升發(fā)酵速率，進(jìn)而縮短了產(chǎn)氣周期，并以加入牛糞的處理周期最短。

2.3 不同處理對(duì)產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣率的影響

各處理投入的發(fā)酵原料干物質(zhì)總量相同，在一個(gè)產(chǎn)氣周期的總產(chǎn)氣量以處理2最多，達(dá)1 379.72 m3，處理3次之，為1 339.30 m3，處理1為1 228.27m3，處理4總產(chǎn)氣量最少，僅1 166.52 m3。

根據(jù)各處理的產(chǎn)氣總量、產(chǎn)氣周期、沼氣池容積、投入各原料的干物質(zhì)總量，分別按照公式（1）、（2）計(jì)算各處理的平均池容產(chǎn)氣率、原料產(chǎn)氣率，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。從結(jié)果可知，平均池容產(chǎn)氣率和原料產(chǎn)氣率均以處理2最大，處理3次之，再次是處理1，最小的是處理4。

上述結(jié)果表明：同等干物質(zhì)條件下，采用烤煙廢棄鮮葉作為發(fā)酵原料的各處理在一個(gè)產(chǎn)氣周期內(nèi)的總產(chǎn)氣量、原料產(chǎn)氣率、池容產(chǎn)氣率均比水稻秸稈作發(fā)酵原料的處理高，說(shuō)明與稻草秸稈相比，烤煙廢棄鮮葉作為發(fā)酵原料時(shí)單位干物質(zhì)的產(chǎn)氣量更高、產(chǎn)氣能力更強(qiáng)；在烤煙廢棄鮮煙葉中加入適量牛糞或碳銨，能進(jìn)一步提高發(fā)酵原料的干物質(zhì)產(chǎn)氣率，提高池容產(chǎn)氣率，其中以添加適量牛糞的效果更好。

2.4 成本與效益分析

烤煙廢棄鮮葉是一種烤煙田間廢棄物，作為沼氣發(fā)酵的原料只需從田間收集即可，無(wú)需花費(fèi)原料成本，僅需運(yùn)輸、用工等開(kāi)支，根據(jù)其他原料及當(dāng)?shù)厝斯r(jià)格計(jì)算，各處理投入成本和單位產(chǎn)氣量成本對(duì)比見(jiàn)表4，可以看出，烤煙廢棄鮮葉做發(fā)酵原料的各處理投入成本明顯低于稻草秸稈處理，各處理需要投入的成本以處理4最高，處理3次之，再次是處理2，處理1所需成本最低。

以上結(jié)果表明，烤煙廢棄鮮葉作為發(fā)酵原料能夠產(chǎn)生更高的經(jīng)濟(jì)效益，在發(fā)酵時(shí)加入適量的牛糞能夠降低產(chǎn)氣成本，加入碳銨的處理產(chǎn)氣成本要略高于只用鮮煙葉作發(fā)酵原料的處理。

3 結(jié)論與討論

（1）在未進(jìn)行原料預(yù)處理的前提下，烤煙廢棄鮮葉可以作為發(fā)酵原料生產(chǎn)沼氣，自然條件下，產(chǎn)氣周期在170 d以上，干物質(zhì)平均產(chǎn)氣率在0.3 m3/kg以上，證明其作為沼氣發(fā)酵原料是可行的，這可能與烤煙廢棄鮮葉具有較高的C/N比有關(guān)，前人研究結(jié)果表明，沼氣發(fā)酵原料的C/N 比為20∶1～30∶1搭配比較適宜[3]，烤煙廢棄鮮葉的處理時(shí)間一般為移栽后75 d左右，此時(shí)葉片的C/N比約為21∶1～25∶1[4]，在適宜的C/N比范圍之間。

（2）烤煙廢棄鮮葉作為沼氣發(fā)酵原料其產(chǎn)氣啟動(dòng)速度和日均產(chǎn)氣量均優(yōu)于稻草秸稈，到達(dá)產(chǎn)氣高峰期所需時(shí)間也更短，加入適量牛糞或碳銨能進(jìn)一步促進(jìn)產(chǎn)氣高峰提前、增加每日產(chǎn)氣量，其中以加入鮮牛糞的處理效果更好。產(chǎn)氣周期以稻草秸稈作發(fā)酵原料的處理最長(zhǎng)，這可能與發(fā)酵原料的纖維素和木質(zhì)素含量有關(guān)，稻草秸稈的木質(zhì)素和纖維素含量分別為17.17%和41.15%[5]，鮮煙葉的纖維素含量為14.66±1.75%[6]，木質(zhì)素含量為3.5%～7.5%[7]，稻草秸稈的纖維素和木質(zhì)素含量更高，尤其是木質(zhì)素含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于廢棄鮮煙葉，在未進(jìn)行原料預(yù)處理時(shí)，厭氧消化需要的時(shí)間更長(zhǎng)[8]，因此到達(dá)產(chǎn)氣高峰期的時(shí)間較晚，產(chǎn)氣速度較慢，周期更長(zhǎng)。

（3）在投入干物質(zhì)總量相同的前提下，烤煙廢棄鮮葉作發(fā)酵原料在一個(gè)產(chǎn)氣周期內(nèi)的原料產(chǎn)氣率、池容產(chǎn)氣率均高于稻草秸稈，產(chǎn)生單位氣量所需成本明顯低于稻草秸稈，經(jīng)濟(jì)效益較高；在發(fā)酵時(shí)加入適量的鮮牛糞或碳銨可以進(jìn)一步提高烤煙廢棄鮮葉的池容產(chǎn)氣率和原料產(chǎn)氣率。

（4）從產(chǎn)氣參數(shù)來(lái)看，各處理的池容產(chǎn)氣率均處于偏低的水平[9]，其原因可能是因?yàn)楦魈幚淼脑暇催M(jìn)行預(yù)處理，影響到了厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣的效果[10]，另外由于沒(méi)有攪拌裝置，池內(nèi)浮渣容易結(jié)殼，又難于破碎，可能也是導(dǎo)致池容產(chǎn)氣率偏低的原因之一。

（5）烤煙廢棄鮮葉通過(guò)發(fā)酵處理，有效解決了環(huán)境污染，生產(chǎn)了大量沼氣，社會(huì)效益經(jīng)濟(jì)效益明顯，宜在煙區(qū)進(jìn)行推廣應(yīng)用。已有研究表明：采取適當(dāng)?shù)陌l(fā)酵原料預(yù)處理工藝能夠提高產(chǎn)氣效率和原料利用率[11]；沼渣和沼液含有豐富的有機(jī)質(zhì)和微量元素[9]，沼液可用于有機(jī)煙苗育苗[12]，沼渣可以在晚稻和油菜上施用。因此要實(shí)現(xiàn)烤煙廢棄鮮葉的最大化綜合利用，開(kāi)展原料預(yù)處理和發(fā)酵后沼渣、沼液的利用研究是下一步的研究方向。

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（責(zé)任編輯：盧紅玲）