淺析農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用技術(shù)研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)(編輯修改稿)
2024-07-10 03:30 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 干法厭氧發(fā)酵技 術(shù)作為有機(jī)固體廢物資源化的有效途徑，近年來(lái)已逐漸成為世界各國(guó)農(nóng)業(yè)固體廢物資源化技術(shù)研究的熱點(diǎn)。干法厭氧發(fā)酵是一門涉及生物學(xué)、生態(tài)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、數(shù)學(xué)、工程學(xué)等多個(gè)學(xué)科的綜合性學(xué)科，是一項(xiàng)系統(tǒng)工程。當(dāng)前的主要研究進(jìn)展包括： （ 1）干法厭氧發(fā)酵過(guò)程的主要因素研究，包括底物組成、底物預(yù)處理、總固體（ TS）含量、接種物、 pH、溫度以及攪拌等影響因素。許多研究表明，采用多種底物混合發(fā)酵可獲得更高的產(chǎn)氣效率，同時(shí)也為沼渣的后續(xù)處理與利用帶來(lái)方便。如 Lehtom 等 [12]用不同秸稈與糞便混合，當(dāng)秸稈比例為 30％時(shí)，與 單一糞便發(fā)酵相比，沼氣產(chǎn)量提高了 16％ ～ 85％。 Teihm 等 [13]研究表明，采用超聲波處理物料 20～ 120 min，可使厭氧發(fā)酵時(shí)間從 22d 降到 8d，同時(shí)沼氣產(chǎn)量提高 倍。 Zhang 等 [14]在進(jìn)行稻草干法厭氧消化的研究中，分別在 60、 90、 110℃條件下對(duì)稻草進(jìn)行熱處理發(fā)現(xiàn)，預(yù)處理溫度越高，固體減少量越多，甲烷產(chǎn)量越高。Shrivastava 等 [15]研究結(jié)果表明，白腐真菌發(fā)酵麥秸可有效地提高蛋白質(zhì)含量、有機(jī)質(zhì)消化率，同時(shí)降低 C/N 比，顯示出白腐真菌能將麥稈轉(zhuǎn)化為高能量的牲畜飼料。上述干 法厭氧消化技術(shù)的研究表明，混合厭氧發(fā)酵以及優(yōu)化混合原料組合將是重要的發(fā)展方向。 （ 2）有機(jī)固體廢物干法厭氧消化處理工藝研究，包括連續(xù)式反應(yīng)器和間歇式（批次）反應(yīng)器。目前歐洲主要采用 4 種已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)作的連續(xù)沼氣干法發(fā)酵工藝，即 Kompogas 臥式推流發(fā)酵工藝、 Dranco 豎式推流發(fā)酵工藝、LingleKCA 臥式推流發(fā)酵工藝和 Vala 豎式氣攪拌工藝 [16]。 （ 3）干法厭氧發(fā)酵的生物監(jiān)測(cè)及環(huán)境效應(yīng)研究，包括干法發(fā)酵工藝對(duì)病源菌的影響和大氣環(huán)境的影響。如 Salminen 等 [17]綜述干法發(fā) 酵工藝對(duì)有害微生物的影響認(rèn)為，厭氧消化能夠殺滅病源菌，且高溫厭氧消化比中溫更有效，能 100％殺滅糞大腸菌與沙門菌，而中溫型消化池僅能殺滅部分糞大腸菌與沙門菌。Schauss 等 [18]研究了將秸稈厭氧干發(fā)酵后再施入農(nóng)田整個(gè)過(guò)程的溫室氣體排放，結(jié)果表明，干發(fā)酵后氧化氮（以 N計(jì)）排放量為 458g/hm2 a，比對(duì)照 770g/hm2 a 減少近 1/3，甲烷排放量減少 22％。由于干發(fā)厭氧發(fā)酵過(guò)程主要是微生物作用的結(jié)果，因此，選育出高效、適應(yīng)低溫的厭氧發(fā)酵菌種是提高厭氧發(fā)酵效率，降低產(chǎn)氣成本的主要途徑。 纖維 素乙醇生產(chǎn)技術(shù) 第二代生物燃料是以麥稈、草和木材等農(nóng)林廢棄物為主要原料，采用纖維素轉(zhuǎn)化技術(shù)生產(chǎn)乙醇燃料。根據(jù)諾維信與麥肯錫共同發(fā)布的研究報(bào)告顯示，通過(guò)農(nóng)業(yè)廢棄物制備纖維素乙醇，到 2020年能夠?yàn)槲覈?guó)替代 3100萬(wàn) t汽油，使我國(guó)對(duì)進(jìn)口原油的依賴下降 10％，同時(shí)減少 9000萬(wàn) t二氧化碳排放。英國(guó)能源研究中心（ UKERC）在對(duì)全球 90多項(xiàng)研究進(jìn)行分析后得出結(jié)論，如果我們盡可能充分利用農(nóng)業(yè)廢棄物、能源作物以及廢料，那么由生物質(zhì)來(lái)提供全球 1/5 的能源這一目標(biāo)是可以實(shí)現(xiàn)的 [19]。但是要把農(nóng)林廢棄物生物質(zhì)轉(zhuǎn)變成乙醇燃 料，必須解決 3個(gè)重大技術(shù)問(wèn)題： 一是克服木質(zhì)纖維素分子對(duì)生物轉(zhuǎn)化的抗性 —— 由多糖降解為可發(fā)酵糖；二是通過(guò)微生 物代謝工程和基因工程研究，高速、高效、高收率地利用可發(fā)酵糖 —— 生物轉(zhuǎn)化；三是簡(jiǎn)捷、高效的下游過(guò)程技術(shù) —— 產(chǎn)物分離。 其中第一步將大分子多糖降解為可生物利用的還原糖是目前最大的技術(shù)屏障。從全球范圍分析，以下幾種技術(shù)方向上可能會(huì)取得突破性進(jìn)展。 基于酶制劑的纖維素乙醇生產(chǎn)技術(shù) 目前用于纖維素水解的方法主要有化學(xué)法和酶解法，前者往往需要高溫高壓和極端酸堿度，這就意味著高能耗、高污染和高毒性，因而 并不經(jīng)濟(jì)。酶解法可以在比較溫和的條件下反應(yīng)，但缺點(diǎn)是生產(chǎn)成本一直居高不下。 2021 年全球最大的工業(yè)酶制劑和工業(yè)微生物制劑生產(chǎn)商丹麥諾維信公司推出纖維素酶賽力一代， 2021 年賽力二代纖維素乙醇復(fù)合酶問(wèn)世，與一代相比，添加量可降低一半以上，并可在更高總固形物含量下實(shí)現(xiàn)良好的轉(zhuǎn)化率，有助生產(chǎn)商減少固定資產(chǎn)投入。諾維信公司使用賽力二代的生產(chǎn)線中，乙醇生產(chǎn)過(guò)程中酶的成本已經(jīng)降至 美元 /L， 纖維素酶的技術(shù)突破為生物質(zhì)乙醇產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了新的生機(jī)。諾維信中國(guó)研發(fā)中心在賽力二代中也做了一些工作，主要反映在兩方面：一方面是利用中國(guó)的生物多樣性尋找新酶，將其用于全球產(chǎn)品的開發(fā)； 另一方面是從中國(guó)本土的市場(chǎng)需求出發(fā)，研究中國(guó)的生物質(zhì)材料需要什么樣的酶種，因?yàn)槊钢苿╅_發(fā)需要有底物適應(yīng)性，在中國(guó)收集到一些玉米秸稈可能跟其他國(guó)家的秸稈組分不同，相應(yīng)地降解它們所需要的酶也不同。纖維素乙醇的另一個(gè)瓶頸是預(yù)處理技術(shù)，該技術(shù)迄今仍是世界范圍內(nèi)的難題，各國(guó)取得的突破都比較有限，由示范裝置得出的成本數(shù)據(jù)多數(shù)過(guò)于理想化，在大規(guī)模 生產(chǎn)中較難復(fù)制 [20]。 聯(lián)合生物加工（ CBP）工藝 傳統(tǒng)的纖維素乙醇生產(chǎn)工藝路線有以下 3 種方式：分步水解和發(fā)酵（ SHF）、同步糖化和發(fā)酵（ SSF）、同步糖化共發(fā)酵（ SSCF）。在此基礎(chǔ)上， Lynd 等 [20]提出了聯(lián)合生物加工工藝（ CBP）方案，并論證了其可行性。 CBP 不包括纖維素酶的生產(chǎn)和分離過(guò)程，而是把糖化和發(fā)酵結(jié)合到由微生物介導(dǎo)的一個(gè)反應(yīng)體系中，因此，與其他工藝過(guò)程相比較，底物和原料的消耗相對(duì)較低，一體化程度較高 [21]。該方案將產(chǎn)酶過(guò)程與糖化、發(fā)酵集合在一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)同步進(jìn)行，大大 降低了酶成本。從長(zhǎng)期來(lái)看， CBP 工藝無(wú)疑是比較完美的工藝，但是太多的不成熟注定在短期內(nèi)不可能工業(yè)化應(yīng)用。清華大學(xué)核研究院新能源研究所副所長(zhǎng)李十中認(rèn)為，目前纖維素乙醇的生產(chǎn)工藝較為復(fù)雜，使得降低成本的空間有限。纖維素乙醇的商業(yè)化，很可能需要通過(guò)生產(chǎn)工藝的變革來(lái)實(shí)現(xiàn)。如李十中等 [22]在“生物質(zhì)高效降解專用微生物篩選與構(gòu)建技術(shù)研究”中，通過(guò)優(yōu)化微波消解預(yù)處理技術(shù)、復(fù)合酶系協(xié)同水解技術(shù)、還原糖在線分離技術(shù)、膜生物反應(yīng)器技術(shù)和五、六碳糖共發(fā)酵技術(shù)等，消除纖維素分解產(chǎn)物的反饋抑制，提高纖維素酶的分解轉(zhuǎn)化效率，進(jìn)而集 成化纖維素分解、還原糖分離及共發(fā)酵組合反應(yīng)器技術(shù)。現(xiàn)已選育和構(gòu)建 10 種以上高產(chǎn)模式產(chǎn)物乙醇、 L乳酸的微生物菌種，使各項(xiàng)產(chǎn)物收率、戊糖轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)物濃度、生物合成反應(yīng)速度等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)均比傳統(tǒng)工藝提高 10%以上， 戊糖發(fā)酵乙醇收率達(dá)到 80%， L乳酸的光學(xué)純度大于 99%。 微藻制取生物質(zhì)燃料技術(shù) 在眾多的非糧生物質(zhì)中，藻類具有分布廣泛、油脂含量高、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、生長(zhǎng)周期短、產(chǎn)量高等特點(diǎn)，用藻類制備生物燃料的研究開發(fā)方興未艾。美國(guó)能源部已進(jìn)行了
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