厭氧發(fā)酵技術(shù)助力農(nóng)業(yè)綠色低碳高質(zhì)量發(fā)展

農(nóng)、林、牧、漁的每個生產(chǎn)環(huán)節(jié)都會產(chǎn)生一定量的生物質(zhì)廢棄物，其中秸稈和畜禽糞便是產(chǎn)量最大的兩類。我國是一個人口眾多的農(nóng)業(yè)大國，生物質(zhì)廢棄物的總量驚人，如何實現(xiàn)生物質(zhì)廢棄物的高效利用及生態(tài)高水平保護是一項艱巨且長遠的任務(wù)。

在能源緊張和環(huán)境保護的雙重壓力下，特別是“雙碳”戰(zhàn)略背景下，生物質(zhì)廢棄物的再利用途徑被賦予了新的內(nèi)涵，不但要解決生物質(zhì)廢棄物利用不足帶來的污染問題，更要使其產(chǎn)業(yè)成為強農(nóng)富農(nóng)的重要抓手，最終實現(xiàn)生物質(zhì)廢棄物“零污染、高產(chǎn)值”的目標，以期形成以綠色生態(tài)經(jīng)濟為導(dǎo)向的生產(chǎn)體系，實現(xiàn)鄉(xiāng)村地區(qū)“生態(tài)美、產(chǎn)業(yè)興、百姓富”的美好愿景。

圖 1 發(fā)展綠色循環(huán)農(nóng)業(yè)，保護生態(tài)環(huán)境（圖片源自作者）

厭氧發(fā)酵是一種重要的微生物過程，它驅(qū)動生物質(zhì)廢棄物變“廢”為寶，向微生物要“糧食”，用微生物技術(shù)打“好糧”，在保護生態(tài)環(huán)境，構(gòu)建生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)鏈，實現(xiàn)生物質(zhì)廢棄物高值化利用方面具有顯著優(yōu)勢。在厭氧微生物的新陳代謝下，生物質(zhì)中的有機質(zhì)被有效轉(zhuǎn)化，最終生成具有經(jīng)濟價值的甲烷及部分二氧化碳。作為一種高效的生物能源，甲烷可以直接用于發(fā)電、供熱，甚至用于汽車燃料。此外，發(fā)酵后的殘渣經(jīng)過處理后可以作為高品質(zhì)的有機肥料，促進農(nóng)作物生長，提高土壤肥力，進一步實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的綠色低碳高質(zhì)量發(fā)展。

厭氧發(fā)酵工藝流程簡單，但多菌群、多層次的厭氧發(fā)酵過程構(gòu)成了一個復(fù)雜的系統(tǒng)，內(nèi)部反應(yīng)影響因素較多。隨著技術(shù)的不斷進步和應(yīng)用經(jīng)驗的積累，通過技術(shù)研發(fā)與創(chuàng)新，優(yōu)化發(fā)酵工藝，提升處理效率，厭氧發(fā)酵技術(shù)在生物質(zhì)廢棄物高值化利用方面必將發(fā)揮更大的作用。

研究表明，選擇合適的原料預(yù)處理方式和添加物對顯著提高沼氣產(chǎn)量和有機物的降解率以及縮短消化時間至關(guān)重要。其中，預(yù)處理工藝可以分為機械預(yù)處理、化學(xué)預(yù)處理、生物預(yù)處理。機械預(yù)處理和化學(xué)預(yù)處理主要是將復(fù)雜有機物轉(zhuǎn)化成易生化降解的小分子有機物，增加比表面積，提高微生物與底物接觸的幾率。生物預(yù)處理則主要為添加高濃度生物菌種，利用微生物來水解底物。與此同時，適當?shù)奶砑游锟梢源偈刮⑸锶后w的富集，提高微生物的停留時間以及微生物濃度，增加沼氣產(chǎn)量。例如，適當?shù)奶砑蛹淄榫d體能增強反應(yīng)體系中微生物間的協(xié)同作用，優(yōu)化厭氧發(fā)酵過程，提高甲烷產(chǎn)量。

圖 2 技術(shù)創(chuàng)新（圖片源自作者）

圖 3 農(nóng)業(yè)廢棄物厭氧發(fā)酵的應(yīng)用示范（圖片源自作者）

當前，本文作者的研究團隊基于以廢治廢的循環(huán)經(jīng)濟理念，已在“西北農(nóng)村沼氣科技創(chuàng)新與示范基地”和“農(nóng)業(yè)農(nóng)村部梁家河沼氣示范工程”開展了示范工作，為國內(nèi)的畜禽糞污和秸稈型生物燃氣工程提供技術(shù)支持，對開辟工業(yè)和農(nóng)業(yè)廢棄物的協(xié)同高效處置與高值化利用途徑具有重要意義。

作者 | 姚義清 周紫嫣

作者簡介：

姚義清，西北農(nóng)林科技大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，中國微生物學(xué)會會員、陜西省微生物學(xué)會會員，從事農(nóng)林業(yè)生物質(zhì)低碳增值理論與技術(shù)研究。

周紫嫣，西北農(nóng)林科技大學(xué)在讀博士生。