煙草有機廢棄物資源化利用研究進展

摘要：煙草有機廢棄物指煙草工業(yè)生產(chǎn)和加工過程中產(chǎn)生的廢次煙葉、煙灰、煙末和煙梗等有機固體廢物。由于煙草廢棄物中煙堿對土壤微生物的毒性作用，其不合理的處置方式不僅會造成資源浪費，還會加劇環(huán)境污染。煙草廢棄物的資源化利用，在降低污染的同時還能回收能源，對推動我國煙草行業(yè)綠色、低碳和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。為優(yōu)化煙草廢棄物資源化利用途徑，提升資源化利用效率，本文首先結(jié)合煙草廢棄物國內(nèi)外最新研究進展，系統(tǒng)梳理了煙草廢棄物中有效化合物的提取方法及利用途徑，并歸納了現(xiàn)有材料化制備技術，闡述了肥料化利用形式，其次對能源化利用手段及可行性進行了分析，最后對煙草廢棄物資源化利用進行了展望，以期為煙草綠色低碳生產(chǎn)體系發(fā)展提供一定的參考。

關鍵詞：煙草廢棄物；資源化利用；堆肥；厭氧發(fā)酵

中圖分類號：X795 文獻標志碼：A 文章編號：1672-2043（2024） 07-1435-14 doi：10.11654/jaes.2023-0122

煙草有機廢棄物主要來源于煙草種植中和原料加工中產(chǎn)生的兩大類廢棄物，具體包括煙葉采收留下的煙稈、底腳葉、病害植株，烘烤后的不合格煙葉、次等煙葉，復烤過程中挑選出的霉變煙葉、煙梗，及卷煙加工產(chǎn)生的廢煙絲、煙末等。煙草（Nicotianatabacum L．）作為嗜好類經(jīng)濟作物，具有十分可觀的經(jīng)濟價值，很多國家都將煙草產(chǎn)業(yè)作為增加財政收入的重要手段。據(jù)統(tǒng)計，2020年我國煙草行業(yè)帶來的工商稅利總額高達1.28萬億元，繳納稅收占全國財政總收入10%以上?，F(xiàn)今煙草主要用于制成卷煙、旱煙、斗煙、雪茄煙等供人吸食，除此之外煙草還有多種醫(yī)療用途。我國作為世界上最大的煙草生產(chǎn)和消費國，無論是煙草栽種面積、產(chǎn)量，還是煙草制品產(chǎn)量、吸煙人數(shù)都居世界之首。其中，云南、貴州和河南是我國煙草產(chǎn)量最大的3個省份。聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織（FAO）官方統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，我國2020年煙草種植總面積達93.91萬hm2，煙葉產(chǎn)量高達213.53萬t。伴隨著煙草的生產(chǎn)加工，大量煙草廢棄物隨之產(chǎn)生，煙草采收過程中被丟棄的生物產(chǎn)量近乎占到其總生物產(chǎn)量的60%，剩下的煙草原料的20%-25%也不能用于卷煙生產(chǎn)。

煙草有機廢棄物的有機質(zhì)含量豐富，具有很高的利用價值。然而，受傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)煙草種植習慣的影響，煙稈、底腳葉及不合格煙葉等煙草農(nóng)業(yè)廢棄物在大多數(shù)煙區(qū)仍采用集中焚燒及填埋方式處理，從而會對周邊環(huán)境造成一定程度的污染。而在打葉復烤和卷煙制造生產(chǎn)過程中，對于失去預期使用價值的煙草原料廢棄物，可篩選部分進行回收加工，用于制造煙草薄片、膨脹梗絲和膨脹煙絲以再利用，剩余不可回收的煙草原料廢棄物多采用粉碎毀形及焚燒的方式處理，這在造成資源浪費的同時，焚燒的煙氣中含有的大量尼古丁及甲醛等致癌物質(zhì)，還會造成嚴重的生態(tài)環(huán)境污染并威脅人體健康。近年來，世界范圍內(nèi)對環(huán)境治理和煙草廢棄物資源化利用越來越重視，世界衛(wèi)生組織（WTO）2017年的報告《煙草及其環(huán)境影響：概述》呼吁全世界關注每年煙草種植、烘烤、包裝和制造所帶來的環(huán)境負擔。聯(lián)合國在全世界可持續(xù)發(fā)展目標（SDG）框架中明確提出在2030年實現(xiàn)對化學品及所有廢棄物生命周期的無害化管理。但煙草廢棄物的處理還是參考固體廢物等的方法，以填埋與焚燒處理為主，而面向食品、醫(yī)藥、化工及能源等行業(yè)領域的生物處理、能源回收及非煙物質(zhì)的提取等技術還有待進一步發(fā)掘，煙草廢棄物多元化和資源化處理體系還不甚健全。

我國實行煙草專賣體制，為杜絕煙草專賣品外流，定點企業(yè)統(tǒng)一銷毀煙草廢棄物。2006年國家煙草專賣局針對煙草廢棄物流向非法煙廠的問題提出了《國家煙草專賣局關于加強殘次和廢棄煙草專賣品管理的通知》（國煙法[2006）375號），明確指出殘次和廢棄煙草專賣品除再造煙葉及煙草薄片回收利用外，必須予以銷毀。2020年國家煙草專賣局出臺了《國家煙草專賣局關于加強廢棄煙草專賣品處置監(jiān)管工作的通知》（國煙專[2020）80號），指出在防止煙草專賣品流入卷煙制假窩點、用于生產(chǎn)煙堿的目標基礎上，倡導安全、環(huán)保及高效處理方式，拓寬了銷毀途徑，除毀形、焚燒及填埋外，還可采用堆肥的資源化處理方式。但目前煙草廢棄物整體利用率仍然較低，以云南省為例，其煙草廢棄物綜合利用率僅達40%。

近年來，電子煙等新型煙草制品快速興起，煙草行業(yè)產(chǎn)生重大變革。水果味等類型的電子煙逐步發(fā)展為電子煙市場的主流，市場占比超90%。然而，受到控煙政策、稅收政策以及人們健康意識增強等因素影響，全球煙草行業(yè)市場規(guī)模近年來表現(xiàn)萎靡，2013-2020年的年復合增速僅為-2%。2022年3月11日，國家煙草專賣局發(fā)布的《電子煙管理辦法法》中明確規(guī)定“禁止銷售除煙草口味外的調(diào)味電子煙和可自行添加霧化物的電子煙”。這意味著電子煙精油添加劑必須為煙草本味，水果味等新穎非煙草調(diào)味電子煙正式禁售。隨著監(jiān)管政策的逐步落實，會在很大程度上加大電子煙中煙用香精香料的需求，為煙草廢棄物熱解制備煙草香味化合物等資源化利用工藝發(fā)展提供了新的機遇。

在碳中和新形勢下，煙草行業(yè)如何加強內(nèi)部資源綜合利用效率、提升循環(huán)利用水平，成為了煙草綠色低碳循環(huán)發(fā)展的迫切需求。本文就煙草廢棄物的利用現(xiàn)狀和最新研究成果進行綜述，指出了煙草廢棄物多途徑資源化利用的巨大發(fā)展空間和應用前景，以期為煙草廢棄物綜合利用的高值化、無害化和高效化道路提供技術支撐。

1 煙草基本特性

1.1 煙草植物學特性

煙草屬雙子葉植物綱（Dicotyledoneac）管花目（Tubiflorae）茄科（Solanaceae）煙草屬（Nicotiana）作物，廣泛種植于北緯55°至南緯40°之間。成熟煙草一般由根、莖、葉和花組成，主莖的高度從十幾厘米到幾百厘米之間；單葉互生，葉形變化較大；聚傘狀花序，花色有黃色、白色、紫色和紅色等；莖、葉和花萼都有腺毛，能分泌黏液。我國作為世界上最主要的煙草生產(chǎn)國，有著豐富的煙草種質(zhì)資源。截至2017年底，我國已保存煙屬種質(zhì)資源5 767份，位居世界第一。煙草種質(zhì)資源可分為烤煙、晾曬煙、白肋煙、雪茄煙、香料煙、黃花煙和野生煙等類型。我國已種植煙草種質(zhì)資源2 385份，其中烤煙有1 305份，其生產(chǎn)量最大，占全國煙葉總產(chǎn)量的80%。此外，我國晾曬煙資源也非常豐富，共711份，占29.81%，分布較為集中的省份有云南、湖南、湖北、貴州、山東等。我國還分布有白肋煙、黃花煙、香料煙、雪茄煙、野生煙及馬里蘭煙，但種質(zhì)資源和種植面積均有限，分別占我國煙葉總產(chǎn)量的4 .40%、4.78%、2.47%、2.01%、1.51%和0.29%。

1.2 煙草廢棄物特性

從煙草種植到卷煙制品加工完成有許多復雜的工藝環(huán)節(jié)，不同環(huán)節(jié)會產(chǎn)生不同類型的煙草廢棄物。目前，煙草廢棄物主要有煙草農(nóng)業(yè)廢棄物及煙草原料廢棄物，主要包括煙稈、底腳葉及廢棄鮮煙葉、不合格煙葉、次等煙葉、煙梗以及煙末。研究表明，煙草生產(chǎn)中有60%的生物量不能用于卷煙生產(chǎn)，煙草廢棄物產(chǎn)量巨大，估計每年全行業(yè)會產(chǎn)生300萬t煙草廢棄物。煙草廢棄物產(chǎn)生流程圖詳見圖1。

煙草有機廢棄物主要化學成分的種類與煙葉類似，含量上略有差異。煙草有機廢棄物除含有豐富的糖類物質(zhì)（纖維素、木質(zhì)素、木糖等）、多種天然植物素（煙堿、菲汀等）及維生素（VE、VK2）以外，還含有豐富的煙草葉蛋白及氮、磷、鉀等礦物質(zhì)元素。與烤后煙葉中鉀含量（1.84%-2.72%）相比，煙梗的鉀含量更高，可達5.02% -5.95%。而磷含量較低，烤后煙葉磷含量為0.245%-0.294%，煙稈灰分中磷含量為1.35%。不同種類煙草有機廢棄物所對應的物理特性及化學成分不同（表1），其特性及資源化應用途徑也有差異。煙草中含40余種生物堿，包括左旋煙堿、毒藜堿、去氫毒覃堿等，其中烤后煙葉煙堿含量最高，占煙草總生物堿的95%以上。煙葉經(jīng)烘烤后組織結(jié)構(gòu)變疏松，淀粉大量轉(zhuǎn)換成糖類物質(zhì)，總糖量達25%-35%。相對于煙葉，煙稈的煙堿含量較低，纖維化程度明顯高，纖維素、半纖維素和木質(zhì)素是其干物質(zhì)的主要組成部分。同時煙稈保水性強且含水量豐富，含水量在90%以上。

2 煙草廢棄物資源化利用

2.1 煙草廢棄物中功能成分的提取

2.1.1 有效化合物的提取

研究表明在煙草及煙氣中能檢測出近9 600種化學成分，其中煙草中化學物質(zhì)有3 300多種，具有很高的應用價值。從煙草廢棄物中可提取茄尼醇、綠原酸、煙堿、植物蛋白和果膠等重要原料用于化工、食品及醫(yī)藥領域。隨著科技的進步，煙草綠色新型提取工藝也取得了迅速發(fā)展。相比傳統(tǒng)的水蒸氣蒸餾和有機溶劑萃取法，超聲波輔助、微波輔助及超臨界CO2法等新型提取法因其提取溫度低、時間短和效率高等特點而得到了廣泛的應用。黃飛等利用微波輔助法對廢棄煙葉進行了煙堿提取的工藝優(yōu)化，結(jié)果表明微波輔助法的提取效率遠高于傳統(tǒng)提取法，在最佳工藝條件下煙堿的提取率高達98.68%。朱松等發(fā)現(xiàn)超聲波輔助酶法對煙草中綠原酸和煙堿的提取具有顯著的促進作用，最佳提取條件下煙葉中煙堿、茄尼醇及綠原酸的提取率分別高達95.42%、82.35%及93.65%。但該微波輔助提取法還僅限于實驗室規(guī)模，并未真正運用到工業(yè)實踐中。孫高軍等的研究表明采用熱水浸提煙葉多糖的最有條件為浸提劑為蒸餾水，溫度為80℃，料液比為1：60，時間為30 min，浸提兩次，多糖提取率可達4.08%。Yuan等在120-160℃微波水熱條件下，從煙葉和煙稈中提取非結(jié)構(gòu)性單糖／多糖，結(jié)果表明在煙葉和煙稈中的最高產(chǎn)量分別為11.86%和12.03%。

Lin等提出了一種全面高值化利用策略：通過將海水與微波水熱方法結(jié)合，碳水化合物轉(zhuǎn)化率可高達91.5%；利用無機鹽提高了水熱殘渣熱解生物油中的芳香類化合物含量，其中苯和苯酚類化合物的含量高達37.5%和36.4%；生物炭等副產(chǎn)物可用作吸附材料去除環(huán)境中的污染物。Jokic等首次使用亞臨界水提取技術從不同類型的工業(yè)煙草廢物中提取活性化合物，結(jié)果表明與莖稈、煙灰糠等其他廢料相比，碎煙葉除了煙堿含量更高外，其還富含蕓香苷、3，4-二羥基丁酸（3，4-DHBA）和綠原酸等酚酸，以及煙酰胺和煙酸等化合物，并基于所得結(jié)果，提出了尼古丁在亞臨界水中的降解機理。由此可見，煙草有機廢棄物化合物相關提取技術近10年取得了飛速發(fā)展，主要化合物煙堿、綠原酸及茄尼醇的提取率均在90%以上，提取純度高達95%，利用也更為廣泛（表2）。

2.1.2 香精香料的提取

煙草香精香料是卷煙生產(chǎn)中必不可少的物質(zhì)，在改善卷煙口感、突出煙草風格方面有重要的作用。2004年初“高香氣、低焦油、低危害”的中式卷煙理念的出臺大力推動了煙草香精香料在各研究領域中的發(fā)展。Yin等采用色譜法和偏最小二乘回歸分析了煙葉中糖類、煙草生物堿、有機酸、氨基酸和4種離子化合物等煙葉組成，其可通過美拉德反應成為重要的致香物質(zhì)，并分析了淡香卷煙產(chǎn)品中清新、花香和酸性香氣等的香氣品質(zhì)特征。

煙草中致香成分復雜，按致香基團的不同分為酸類、醇類、酮類、醛類、酯類、內(nèi)酯類、酚類、氮雜環(huán)類、呋喃類、酰胺類、醚類及烴類。段昊沅等對比了水蒸氣蒸餾法、干餾法與過熱水蒸氣蒸餾-干餾集成等香料制備技術在提取的香料組成、香氣特征及品吸口感方面的差異。過熱水蒸氣蒸餾-干餾集成技術下酮類致香物質(zhì)的含量有提升，且能得到糠醛（4.51%）、愈創(chuàng)木酚（4.45%）等致香物質(zhì)，整體提升了烤香，對感官質(zhì)量的提升明顯。不同類型煙葉中的致香物質(zhì)種類基本相同，但在含量上有顯著差異，其中新植二烯、茄酮、糠醛、β-大馬酮、法尼基丙酮、巨豆三烯酮等幾種致香物質(zhì)含量較高，主要致香物質(zhì)含量和香氣特征見表3。

不同煙草原料經(jīng)不同分離方法可得到形態(tài)不同的產(chǎn)品，如精油、浸膏、酊劑、香脂和香樹脂等。Zhang等采用溶劑萃取—蒸汽蒸餾相結(jié)合的方法（SE-SD）從廢棄煙葉中提取煙草精油，采用響應面法（RSM）和Box-Behnken設計（BBD）法研究了溫度、萃取時間和液固比等不同參數(shù)對萃取產(chǎn)率的影響，結(jié)果表明溫度和液固比兩個萃取參數(shù)對SE-SD的含油樹脂產(chǎn)率有正向影響。SE-SD可以被認為是從廢棄煙葉中提取高質(zhì)量精油的最佳工藝。李增華對煙梗和煙葉進行了精油提取，發(fā)現(xiàn)煙梗生物油回收率高于煙葉，但煙葉油中香氣物質(zhì)更多。徐清泉等利用超臨界C02萃取廢棄煙末中致香物質(zhì)的研究表明，1，2-丙二醇作夾帶劑時超提物回收率可達18.74%，其中致香前提物類胡蘿卜素的質(zhì)量分數(shù)占5.56%。李瀟逸等將雪茄煙葉提取物及各類香精香料進行組配，并將混配料液添加至雪茄型再造煙葉中，結(jié)果顯示煙葉香氣質(zhì)量貢獻率較大的類胡蘿卜素的含量同比增加48.03%，該方法有效提升了再造煙葉的雪茄特征風格。夏倩等探究了不同溫度（300-700℃）對煙草廢棄物熱解油的影響，結(jié)果表明在400℃條件下煙草廢棄物熱解油中致香成分含量最高，且吡啶和苯酚等雜質(zhì)含量低，為評吸質(zhì)量最好的電子煙精油。煙草天然致香成分的含量及種類豐富，使得卷煙及電子煙中具有獨特致香效果。目前對煙草香精香料的提取與應用研究較少，還需繼續(xù)以煙草廢棄物為基質(zhì)開展香精香料制備及提純技術的研究和創(chuàng)新。

2.2 煙草廢棄物材料化的應用

2.2.1 制備再造煙葉

再造煙葉又稱煙草薄片、重組煙葉、均質(zhì)煙葉，是煙草廢棄資源再生利用的一種主要產(chǎn)品，主要以煙葉調(diào)制、復烤、倉儲及加工過程中所產(chǎn)生的煙梗、煙末、煙絲和次等煙葉為原料，按特定工藝及配方要求加工而成的類似牛皮紙狀的重組煙草制品，再造煙葉工藝流程圖見圖2。在實際卷煙生產(chǎn)中，為達到降焦減害、降低成本、增加填充率和燃燒性等效果，卷煙配方中通常會加入不同比例的再造煙葉。從20世紀70年代到2010年為止，全世界再造煙葉總生產(chǎn)量呈逐年上升的趨勢，再造煙葉使用量從每年10萬t上升到了40萬t，這與世界范圍內(nèi)所提倡的卷煙“降焦減害”理念和煙草廢棄物資源化利用率的提升有著密切的聯(lián)系。

再造煙葉生產(chǎn)工藝主要有輥壓法、稠漿法和造紙法。其中，輥壓法最為傳統(tǒng)，生產(chǎn)工藝簡單、能耗少、效率高，但再造煙葉品質(zhì)和耐加工性通常較差且焦油釋放量高，已逐漸淘汰。相比于輥壓法，稠漿法更復雜，產(chǎn)品品質(zhì)、耐水性、耐加工性更好，但產(chǎn)品完整度與均勻性均存在不足。造紙法具有填充力高、機械性能好及焦油含量低等特點，是我國再造煙葉生產(chǎn)中應用最廣泛的方法，但該工藝可調(diào)控因素眾多，萃取工藝、提純技術及基片涂布密度、溫度都會影響煙草薄片成品品質(zhì)。造紙法再造煙葉的最新相關研究主要集中于梗膏的優(yōu)化，即利用微生物酶解技術對煙梗中果膠、纖維素及蛋白質(zhì)等大分子物質(zhì)進行降解，改善梗膏內(nèi)在品質(zhì)，提高梗膏利用率。劉恩芬等的研究發(fā)現(xiàn)，在煙梗提取液中添加淀粉酶及蛋白質(zhì)酶可有效提升美拉德反應效率，最終達到增香、調(diào)香的目的。李鋒等利用木瓜蛋白酶與多酚氧化酶聯(lián)合對梗膏進行酶處理，該方法能有效降低梗膏刺激性氣味，提升吸食品質(zhì)。由于工業(yè)再造煙葉制備技術的多樣性，針對不同的配伍要求應選擇適當?shù)脑僭鞜熑~制備工藝，在注重再造煙葉產(chǎn)出率的同時，還要關注再造煙葉對卷煙感官特性的適配性，從而使整體效率最大化。

2.2.2 基材化應用

煙草廢棄物基材化是指運用先進的材料制備技術，重新優(yōu)化組合利用煙草有機廢棄物而形成新的基礎性材料。煙草廢棄物中煙稈含碳量、化學組成與木材相似且來源廣泛，是良好的生物炭原材料。葉協(xié)鋒等的研究表明不同類型的煙草秸稈有機碳含量均在45%以上，利用煙稈制備出的活性炭具有良好的性能：純度高、比表面積大、吸附性好。徐亮等利用低氧炭化技術制備煙草秸稈生物炭，發(fā)現(xiàn)在400-500℃時可獲得品質(zhì)最好的生物炭，其表現(xiàn)為礦質(zhì)元素豐富，孔隙結(jié)構(gòu)復雜，利于保水保肥。王金棒等的研究表明，煙草廢棄物制備的有復雜孔隙結(jié)構(gòu)的生物炭，不僅可以用作土壤改良劑，還可用于污水中有機染料或重金屬的吸附。有研究表明將煙稈生物炭施于植煙土壤可以降低煙株中的農(nóng)藥殘留，促進能降解苯醚甲環(huán)唑微生物的生長，有效降低煙株對農(nóng)藥中苯醚甲環(huán)唑的生物可利用度。另外，由于煙草廢棄物含有豐富的纖維素與木質(zhì)素，其還被用于制備纖維板材和紙漿，然而，隨著越來越多纖維材料制備技術的開發(fā)與應用，煙草廢棄物板材及紙張的應用正逐漸被高分子材料所取代。鄭堅強等利用超聲輔助硫酸法制備高分子復合材料煙草秸稈納米纖維素。郭霖軒利用煙草廢棄物為碳源制備細菌纖維素，煙草廢棄物浸提液條件優(yōu)化后可制備出柔性高導電納米復合材料。

煙稈纖維含量高、化合物質(zhì)量優(yōu)，蛋白質(zhì)組成非常適合作為動物飼料中植物蛋白質(zhì)的來源，具備廣泛用于制作農(nóng)用飼料的潛力。但由于煙草含有煙堿等有害物質(zhì)，畜牧在食用飼料時仍存在安全隱患。樊克鋒等利用廢棄煙稈、煙渣等作為原料，經(jīng)過多次浸漬、壓榨后加入發(fā)酵添加劑制成了尼古丁在0.02%以下的低害煙草飼料。

2.3 煙草廢棄物的肥料化應用

堆肥主要指利用生物腐熟技術將煙草秸稈或廢棄煙葉堆制腐解成有機肥，具有周期短、環(huán)境污染小、利用率高等特點。目前，煙草廢棄物堆肥主要有兩種方式：一種是利用煙草廢棄物與其他有機廢棄物混合堆肥；另一種是利用外源微生物菌劑與煙草廢棄物共堆肥。

利用煙草廢棄物與其他有機廢棄物混合堆肥是目前最常見的堆肥形式，相關研究主要集中于堆肥可行性、過程理化指標及堆肥產(chǎn)品質(zhì)量等方面。煙草廢棄物與生活垃圾、木屑、刨花進行共堆肥，不僅能消滅部分病原體，還能制備堆肥養(yǎng)分、重金屬指標及種子發(fā)芽指數(shù)均達標的堆肥產(chǎn)品。由于煙草廢棄物含碳量較高，利用含氮量較高的畜禽糞便與其進行共發(fā)酵好氧堆肥，能夠縮短煙草廢棄物進入高溫分解階段的時間，并促進半纖維素和煙堿的降解，降低堆肥中總氮的損失，提高堆肥產(chǎn)品礦質(zhì)養(yǎng)分含量。Nguyen等在煙草廢棄物與雞糞共堆肥回田的研究中進一步實現(xiàn)了毒性消除，煙堿含量從6 000 mg·kg-1降到200 mg·kg-1，提高了煙草廢棄物應用環(huán)境的適用性，同時增加了芥菜產(chǎn)量并提升了口感。Zittel等將煙草原料廢棄物與活性污泥共堆肥的研究表明，堆肥降解能降低煙草中的尼古丁含量，尼古丁的最高去除率達99.6%，從而有效減輕煙堿對土壤微生物的毒害作用。

外源微生物菌劑與煙草廢棄物共堆肥，利用微生物將煙草廢棄物降解轉(zhuǎn)化成腐殖質(zhì)，相關研究主要集中于堆肥腐熟速率、微生物群落變化及堆肥品質(zhì)方面。梅金飛等利用枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）SL-3A與煙草秸稈進行共堆肥，發(fā)現(xiàn)SL-3A能增加煙草秸稈粗纖維降解率，且堆肥產(chǎn)品有效磷及有效鉀含量分別增加0.13%和2.12%。趙桂紅發(fā)現(xiàn)外源添加催腐劑能明顯縮短堆肥周期，豐富堆肥微生物群落數(shù)量，分解煙堿毒性作用。腐熟菌劑與煙稈共堆肥能明顯縮短堆肥周期，提高堆肥腐熟度；堆肥產(chǎn)品施用有效提高了煙田土壤中的交換性鈣、有效磷與有機質(zhì)含量，降低了病原微生物的豐度，提高了大部分有益微生物與拮抗微生物豐度。在多數(shù)情況下，煙稈能作為結(jié)構(gòu)化物料使堆肥物料保持疏松，并進一步改善傳質(zhì)。

除腐熟菌劑以外，還可以添加其他病蟲害專用的微生物菌劑與煙草廢棄物進行共發(fā)酵，周熠等的研究發(fā)現(xiàn)水稻紋枯病拮抗菌菌劑與煙草廢棄物堆肥，可制成水稻病害專用生防有機肥。另外，煙草廢棄物還可以作為其他原料堆肥產(chǎn)品添加物，研究表明，在其他堆肥產(chǎn)品發(fā)酵過程中添加煙草廢棄物可有效提高發(fā)酵溫度，抑制根結(jié)線蟲生長。綜上所述，利用煙草廢棄物進行有機肥制備具有良好的應用前景，但煙草廢棄物本身具有養(yǎng)分不均衡的特殊性，導致單獨堆肥效果不理想，其堆肥化利用必須結(jié)合物料特性進行相應的原料搭配調(diào)節(jié)。

2.4 煙草廢棄物的能源化應用

煙草廢棄物具有生物產(chǎn)量高、糖分足、揮發(fā)性物質(zhì)含量高等特點，是良好的生物質(zhì)能源材料。生物質(zhì)能源又名綠色能源，僅次于煤炭、石油及天然氣，為世界第四大能源，具有可再生、清潔低碳、節(jié)能高效等優(yōu)點。目前煙草廢棄物生物質(zhì)能源的應用主要包括熱化學轉(zhuǎn)換與生物化學轉(zhuǎn)換。

2.4.1 熱化學轉(zhuǎn)換

利用熱化學轉(zhuǎn)換處理煙草廢棄物是實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的有效方式，能將有機物料轉(zhuǎn)換成高品質(zhì)的燃料。楊益對煙草廢棄物的熱解機理和產(chǎn)物進行了詳細研究，發(fā)現(xiàn)高溫有利于H2和CO的產(chǎn)生，并且在850℃、催化劑NiO/γ-Al2O3的作用下其產(chǎn)氣率最高（1.52 m3·kg-1），H2含量為38.6%，氣體產(chǎn)物整體熱值達15 MJ·m-3，可直接用于燃氣輪機、引擎和鍋爐的燃燒。田甜等在617-1 435℃溫度范圍內(nèi)進行水蒸氣催化煙稈氣化制氫，結(jié)果表明在水蒸氣催化條件下，1 327℃時煙稈熱解反應完全，產(chǎn)氫率達0．97 m3·kg-1。Liu等利用微波及吸附劑對煙稈熱解特性進行研究，結(jié)果表明：微波功率增加可以增加氣體產(chǎn)量；添加10%的活性炭吸附劑可以顯著減少煙稈固體殘余量，增加生物油及氣體產(chǎn)量。Tian等從天津卷煙廠收集煙草廢物開展熱分解研究，以確定在空氣和氮氣兩種條件下的動力學、熱力學參數(shù)和反應模型，結(jié)果表明：廢棄煙葉的平均活化能為173.11-173.91 kJ·mol-1（空氣）和151.32-151.52 kJ·mol-1（氮氣）；廢棄煙葉和煙莖的吉布斯自由能的變化，及其高有機物含量和高熱值的特性，顯示煙草有機廢棄物非常適宜作為生產(chǎn)生物能源的原料；同時熱解后殘留的生物炭也顯示出在催化、吸附、儲能等領域的應用潛力。

然而，由于煙草的特殊性其熱解產(chǎn)物焦油含量較高，這嚴重限制了氣體的使用。Hossain等研究發(fā)現(xiàn)，粒徑為1 mm的煙葉在200℃熱解后收獲的生物油中尼古丁含量高達84%。生物質(zhì)熱解仿真軟件引入煙草廢棄物熱轉(zhuǎn)化的模擬，在提升產(chǎn)品質(zhì)量、降低工藝定型周期等方面有著顯著的經(jīng)濟效益。Wang等基于ReaxFF的分子動力學模擬，研究添加不同濃度甘油（5%、10%、16.5%、20%、25%）的煙草廢棄物在不同溫度下的熱解機理，計算表明2 000 K的溫度是生產(chǎn)甲醇和乙醇的最佳溫度。綜上，煙草廢棄物熱化學轉(zhuǎn)換常用催化熱解和水蒸氣催化等工藝，其能降低熱解氣化產(chǎn)氣中的焦油含量，增加煙廢熱解氣體的適用性。

2.4.2 生物化學轉(zhuǎn)換

生物化學轉(zhuǎn)換主要包括生物乙醇轉(zhuǎn)化及沼氣化應用，由于煙草廢棄物中含有較為豐富的糖類物質(zhì)，其發(fā)酵后可以得到較高品質(zhì)的生物乙醇。Guo等利用酸堿預處理煙稈進行糖化發(fā)酵產(chǎn)乙醇時發(fā)現(xiàn)，煙稈預處理后糖轉(zhuǎn)化效率顯著提升，乙醇產(chǎn)量高達106.6 m·g-1，是良好的生物質(zhì)原料。Yuan等采用糖化發(fā)酵的方法，將煙草廢棄物在常溫下進行蒸餾，發(fā)現(xiàn)酸、堿預處理后煙草秸稈能獲得良好的乙醇產(chǎn)量，分別為269 g·kg-1和275 g·kg-1，生物乙醇濃度高達96%。謝麗萍利用濃度為50%的硫酸溶液在50℃下對煙草下腳料進行水解產(chǎn)乙醇，乙醇最高產(chǎn)量達61.5 g·kg-1。

相比于生物乙醇轉(zhuǎn)化對原料預處理技術要求較高的弊端，厭氧消化技術因具有能耗低、能源可回收及環(huán)境友好等特點，被認為是資源化處理農(nóng)業(yè)廢棄物的有效方法之一。Li等對4種不同煙草品種煙稈產(chǎn)甲烷效率進行了分析，并采用Gompertz模型證明了煙稈沼氣化的可行性，其中云煙114號煙稈甲烷產(chǎn)量最高，達130.2 mL·g-1。然而，煙草廢棄物屬木質(zhì)纖維類物料，物料內(nèi)部木質(zhì)素、半纖維素和纖維素之間通過化學鍵緊密相連，形成致密完整的剛性結(jié)構(gòu)，阻礙微生物降解，甲烷產(chǎn)量較低。故煙草廢棄物在厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣之前必須根據(jù)物料特性進行相應的預處理措施，以解除限制因素，增加沼氣產(chǎn)量。徐建雪等研究了凍干預處理對烤后廢棄煙葉產(chǎn)甲烷潛力的影響，結(jié)果表明，凍干預處理能增大甲烷產(chǎn)量，在凍干3h時取得最大甲烷產(chǎn)量224.28 mL·g-1。煙葉厭氧發(fā)酵前進行短時間的堆漚預處理，一定程度上可以降低沼液的酸化程度，堆漚時的高溫還可以初步殺死部分病菌和害蟲休眠體，分解部分煙堿，從而進一步提高鮮煙葉的產(chǎn)沼氣率。趙崧岐等分別利用黑曲霉和復合酶對烤后低次煙葉進行預處理，發(fā)現(xiàn)黑曲霉預處理能有效縮短發(fā)酵周期，發(fā)酵效率提升55.31%。黃弘毅等研究了汽爆預處理對廢棄烤后煙葉批次厭氧發(fā)酵的影響，結(jié)果表明烤后煙葉的物料產(chǎn)甲烷潛力高于絕大多數(shù)木質(zhì)纖維素類廢棄物，達到了252.7mL·g-1。徐雪芹等采用游離亞硝酸預處理煙草廢物，該方法能明顯促進系統(tǒng)水解酸化速率，最高甲烷產(chǎn)量為286.4 mL·g-1。Gonzalez等的研究表明，利用Ca（OH）2處理新鮮煙草廢棄物可有效調(diào)節(jié)系統(tǒng)pH，提升產(chǎn)甲烷效率，甲烷產(chǎn)量達53.84 L·kg-1。

另外，由于厭氧消化技術中最適宜碳氮比（C/N）為25，煙草廢棄物本身C/N較高，更多的研究者開始評估煙草廢棄物與其他物料進行共發(fā)酵對其產(chǎn)沼氣效率的影響。Liu等的研究表明，煙草秸稈與麥秸、豬糞共發(fā)酵具有較好的產(chǎn)甲烷潛力，最高產(chǎn)甲烷量為0.163 m3·kg-1，且高溫厭氧發(fā)酵能有效滅活煙草內(nèi)部的病原物，有利于后續(xù)沼液還田。李小蘭等利用針鐵礦與剩余污泥、煙草廢棄物進行共發(fā)酵，發(fā)現(xiàn)針鐵礦能顯著增強水解、酸化及產(chǎn)甲烷等關鍵酶活性，最高產(chǎn)氣量可達359.4 mL·g-1。李亞純等的研究表明廢棄鮮煙葉與牛糞、碳銨進行共發(fā)酵能進一步提高產(chǎn)氣效率，縮短發(fā)酵周期，且效率明顯優(yōu)于稻草秸稈厭氧發(fā)酵。趙崧岐等發(fā)現(xiàn)在煙葉發(fā)酵接種泥中添加豬糞、人糞和玉米芯能夠提高煙葉的產(chǎn)甲烷潛力，單位產(chǎn)氣量可達141.4 mL·g-1。封衛(wèi)平等對廢棄鮮煙葉的發(fā)酵條件進行探究，將牛糞、雞糞分別與廢棄鮮煙葉進行厭氧發(fā)酵測試，發(fā)現(xiàn)牛糞是鮮煙葉較為理想的共發(fā)酵物料。

現(xiàn)有研究表明厭氧消化可作為煙草廢棄物處理的有效手段，對煙草廢棄物進行厭氧發(fā)酵不僅能產(chǎn)生可燃燒性氣體甲烷、增加收益，還能利用沼液進行施肥、殺蟲抑菌，做到物盡其用。然而，由于煙草廢棄物的特殊性，在進行沼氣發(fā)酵時還存在一定的限制因素，在后續(xù)沼氣化應用中應針對各種煙草廢棄物的獨有性質(zhì)進行相應的預處理措施及添加共發(fā)酵物料。

3 結(jié)論與展望

煙草廢棄物的資源化利用不僅能為化工、食品及醫(yī)藥等領域提供重要的原料，且經(jīng)生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)換后其還為農(nóng)業(yè)、工業(yè)及日常生活提供了可再生能源，緩解對化石燃料需求的同時還解決了環(huán)境污染問題。然而，目前的利用途徑及技術方法還不成熟，要實現(xiàn)規(guī)?；纳虡I(yè)應用還面臨挑戰(zhàn)。為進一步拓寬煙廢的資源化利用渠道，應堅持各個產(chǎn)業(yè)相結(jié)合，在滿足傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)及畜牧業(yè)利用的基礎上，積極推進煙草廢棄物的生物能源轉(zhuǎn)化和工業(yè)化利用，擴大應用場景，提高利用效率。由于煙草行業(yè)專買專賣的特殊性，后續(xù)相關研究工作建議如下：

（1）因地制宜，根據(jù)實際情況進行頂層設計，將不同煙草廢棄物分別收集管理，完善專賣體制下收集、流通及多元利用的體系建設，提高收集產(chǎn)業(yè)鏈的經(jīng)濟性，從源頭上減少煙草廢棄物污染源，保障多途徑利用的原料供應。

（2）完善煙草經(jīng)濟再循環(huán)體系建設，對于田間煙草廢棄物，就近建設沼氣、堆肥工廠，實現(xiàn)有機肥還田及沼氣能源再利用的多元循環(huán)系統(tǒng)；量化煙草原料廢棄物，由煙草企業(yè)進行統(tǒng)一資源化利用，這不但可以減少廢棄物處理成本，杜絕原料外流，還可以提取煙用香精香料再利用，增加經(jīng)濟效益。

（3）優(yōu)化技術與生產(chǎn)工藝，促進科研成果轉(zhuǎn)化。對現(xiàn)有研究技術進行改進，將能源化、材料化和資源化利用等技術進行有機耦合，引進并示范推廣行業(yè)內(nèi)比較成熟的技術，以推動科研成果轉(zhuǎn)化應用，促進煙草廢棄物高質(zhì)量資源利用，最大化提高煙草廢棄物利用效率。

（4）加強產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，解決煙堿在煙廢利用過程中產(chǎn)生的負作用。針對煙草專賣制成立第三方廢棄物處理機構(gòu)，對包括煙堿在內(nèi)的煙草提取物進行集中提取與使用。未來煙草原料廢棄物資源化利用研究可分為兩段：前段集中于煙堿的提取與轉(zhuǎn)化的最佳條件及無害化產(chǎn)物研究；后段針對已進行煙堿脫除前處理的原料，進一步用于制備生物炭、纖維板、堆肥及沼氣等二次產(chǎn)物，以期實現(xiàn)煙草廢棄物資源化全價值利用。

（責任編輯：李丹）

基金項目：湖南省厭氧過程控制與智能化儀器工程技術研究中心項目（2022TP2074）