烟草有机废弃物资源化利用研究进展

烟草有机废弃物指烟草工业生产和加工过程中产生的废次烟叶、烟灰、烟末和烟梗等有机固体废物。由于烟草废弃物中烟碱对土壤微生物的毒性作用,其不合理的处置方式不仅会造成资源浪费,还会加剧环境污染。烟草废弃物的资源化利用,在降低污染的同时还能回收能源,对推动我国烟草行业绿色、低碳和可持续发展具有重要意义。为优化烟草废弃物资源化利用途径,提升资源化利用效率,本文首先结合烟草废弃物国内外最新研究进展,系统梳理了烟草废弃物中有效化合物的提取方法及利用途径,并归纳了现有材料化制备技术,阐述了肥料化利用形式,其次对能源化利用手段及可行性进行了分析,最后对烟草废弃物资源化利用进行了展望,以期为烟草绿色低碳生产体系发展提供一定的参考。

汽爆预处理对废弃烤后烟叶产甲烷潜力的影响

为资源化利用涉烟有机废弃物,以废弃烤后烟叶为底物进行了中温厌氧发酵实验,通过对比研究蒸汽爆破预处理及5种汽爆条件对烤后烟叶产甲烷潜力的影响,探讨汽爆在烤后烟叶厌氧发酵中应用的可行性。结果表明:未处理烤后烟叶L0的生化产甲烷潜力值高于绝大多数木质纤维素类废弃物,达到了252.7 mL·g-1VS,且产气周期短,是优良的发酵原料;烤后烟叶在汽爆过程中发生固液组分分离,液体糖难以完全回收进而影响产气。与L0相比,汽爆后烟叶的生化产甲烷潜力均有下降,L1~L5分别降低了11.6%、23.0%、24.0%、22.4%及26.3%。对于烤后烟叶,尽管汽爆预处理能打开物料结构,但也会导致液体糖分大量流失,甲烷产量下降。综合考虑产品价值和处理能耗等因素,在实际应用中直接将烤后烟叶进行厌氧发酵是更优的选择。

冻干预处理对烤后废弃烟叶产甲烷潜力的影响

为探究冷冻真空干燥预处理对烤后废弃烟叶产甲烷潜力的影响,实现烤后废弃烟叶的资源化利用,促进碳中和背景下烟草行业绿色清洁生产体系的发展,对烤后废弃烟叶分别进行0、1、3、5、10 h冷冻真空干燥预处理(L1~L5),比较了预处理前后烤后废弃烟叶表面微观结构、木质纤维素结构、总糖含量、烟碱含量等的变化,并对烤后废弃烟叶进行了产甲烷潜力(BMP)测试分析。结果显示:未预处理(L0)与L1~L5处理烤后废弃烟叶BMP值(以单位质量挥发性固体在厌氧条件下的产甲烷量表示)分别为200.74、208.64、220.98、224.28、211.11、209.30 mL·g^(-1),预处理较未预处理BMP分别增加了3.94%、10.08%、11.73%、5.16%及4.26%。经冷冻真空干燥预处理后,烟叶表面呈现褶皱和卷曲,产生疏松多孔的物理结构,有效增大了微生物接触面积。但长时间的真空干燥除了较大程度增加预处理能耗,还会造成烟叶有机成分的损失。因此,基于预处理能耗成本和甲烷产量效益的综合考虑,应控制冻干时长,进一步优化预处理工艺。

超声波-游离亚硝酸联合预处理污泥强化厌氧消化的机制解析

本研究对超声波(US)预处理、游离亚硝酸(FNA)预处理及超声波-游离亚硝酸(USFNA)联合预处理对于污泥有机质溶出、絮体分散、细胞内容物释放及产甲烷性能的作用进行评估。结果表明,US预处理的主要作用是使絮体分散与胞外聚合物溶出,FNA预处理则是使细胞内容物释放。US-FNA联合预处理后,污泥甲烷产率较未预处理增加了37.1%,分别达到US预处理的1.07倍和FNA预处理的1.08倍,但US与FNA在联合预处理中所发挥作用各自独立,并未发现明显的协同增效作用。引入FNA会降低污泥厌氧消化初期产气速率,未对累积产气量造成显著影响。根据发酵后污泥微生物菌群的解析,发现FNA是影响污泥微生物多样性的主导因素。

利用富乙酸剩余污泥厌氧发酵液产中链脂肪酸

为实现剩余污泥的资源化利用,探索了混菌体系中以剩余污泥为底物连续产中链脂肪酸(MCFAs)的可行性。本研究基于乙醇/乙酸人工配制废水,采用热碱水解污泥-短期厌氧发酵-微生物碳链延长(CE)反应的"两相发酵"技术合成MCFAs,并逐步优化水力停留时间(HRT)与底物醇酸比以驯化厌氧污泥微生物。结果表明:在为期135 d的连续模式CE过程中,在醇酸比为2∶1的条件下,驯化期(PhaseⅠ~Ⅲ)的HRT由20 d逐步缩减至5 d后,典型CE微生物Clostridium sensu stricto;2成为优势菌种,其相对丰度升至65.21%,但己酸产率仅为775 mg·(L·d)^(-1);当醇酸比提高至3∶1 (PhaseⅣ),己酸产率升至1 402 mg·(L·d)^(-1),MCFAs产物选择性明显提高。将实验期(PhaseⅤ)系统中的底物置换为污泥厌氧发酵液,己酸产率依然稳定保持在1 400 mg·(L·d)^(-1),表明功能微生物组的结构稳定。宏基因组分析结果显示,逆向β-氧化(RBO)和脂肪酸生物合成(FAB)代谢通路均参与了CE过程的MCFAs合成;另外,相较于乙醇/乙酸人工配制废水,污泥发酵液可提高这2种代谢通路的关键酶丰度。本研究证实了污泥连续发酵产MCFAs的可行性,并阐明了过程中微生物的生态功能机制,可为污泥资源化利用提供参考。

污泥炭强化微生物电解池提高污泥厌氧消化甲烷产率与系统稳定性

投加污泥炭可有效改善利用微生物电解池厌氧消化(MEC-AD)甲烷产率偏低的问题,但其对MECAD体系的长期影响仍未知。研究了不同运行条件(外加电压、有机负荷率OLR)下,污泥炭对MEC-AD在连续进料运行模式下产甲烷效能的提高。首先,基于甲烷产率、电流密度等指标,确定最佳外加电压为1.5 V;然后,在相同外加电压(1.5 V)、不同OLR的条件下,比较了对照组(ME1.5)和投加污泥炭的实验组(MEBC1.5)的产甲烷和系统稳定性,OLR通过水力停留时间(HRT)控制。结果表明,当HRT从10 d逐步缩短至2.5 d,ME1.5与MEBC1.5的甲烷产率呈现先上升后下降的变化趋势,且MEBC1.5的甲烷产率始终高于ME1.5。这表明污泥炭在不同OLR运行条件下均可改善甲烷产率。微生物群落多样性分析结果表明,对比ME1.5与MEBC1.5,投加污泥炭使得生物阴极优势菌属Coprothermobacter、Fervidobacterium、Bellilinea、Methanosarcina的相对丰度分别增加了34.1%、186.6%、130.5%、9.5%。KEGG通路分析结果表明,MEBC1.5中乙酸裂解途径和H_(2)还原CO_(2)途径产甲烷代谢过程相关基因的丰度均有所提高。本研究结果可为污泥炭强化市政污泥MEC-AD产甲烷效能和相关的微生物机制提供参考。