第 1 章 緒  論

1.1 低次煙葉的現(xiàn)狀 
隨著生產(chǎn)力的提高、社會(huì)的發(fā)展以及人們不斷改善的生活條件，人們對(duì)能源的需求量不斷加大，在常規(guī)能源存量短缺以及日益惡略的環(huán)境壓力下，各國(guó)人民為了保障能源的安全和實(shí)現(xiàn)人類的可持續(xù)發(fā)展，逐漸將可再生能源的開發(fā)列為自己的長(zhǎng)遠(yuǎn)戰(zhàn)略�？稍偕茉窗L(fēng)能、水能、太陽能、地?zé)崮�、潮汐能、生物質(zhì)能源等；其中生物質(zhì)能包括植物、動(dòng)物、及其排泄物中所蘊(yùn)含的能量等。而煙葉作為生物質(zhì)的重要組成部分，自然不能忽視其中所蘊(yùn)含的巨大能量。 煙草是茄科煙草屬植物，煙草又分為紅花煙，黃花煙，碧冬煙三個(gè)亞屬，人類種植的主要有紅花煙和黃花煙。 中國(guó)是世界煙葉的主產(chǎn)國(guó)，無論是煙草植物的種植面積還是產(chǎn)量均居世界首位，據(jù)統(tǒng)計(jì)：2003 年煙葉總產(chǎn)量達(dá)到 230 萬 t，占全球煙葉總產(chǎn)量 619.2 萬 t的 37.3％[1] ；2006 年煙草種植面積約為 1500 萬畝，使得煙葉和卷煙產(chǎn)量均已達(dá)到世界總產(chǎn)量的三分之一。 目前作為煙草生產(chǎn)大國(guó)，我國(guó)每年煙葉產(chǎn)量中約有近 25％(近 90-150 萬 t)的煙葉、煙末等下腳料由于不能應(yīng)用于卷煙生產(chǎn)而被廢棄，這一現(xiàn)象已經(jīng)造成非常嚴(yán)重的環(huán)境污染問題和嚴(yán)重的生物質(zhì)能源的浪費(fèi)，我們將這種被廢棄的造成環(huán)境污染和能源浪費(fèi)的煙葉稱為低次煙葉；以作為煙草大省的云南為例：每年云南省烤煙產(chǎn)量中約有 30％-35％屬于無法滿足卷煙加工要求的低等或等外級(jí)煙葉，這些低次煙葉未能得到有效的合理的利用[2]。造成這一現(xiàn)象的原因是由于卷煙工業(yè)生產(chǎn)過程中對(duì)煙葉的品質(zhì)要求較高，等級(jí)質(zhì)量高的煙葉往往優(yōu)先利用，且供不應(yīng)求，這樣那些不能滿足卷煙生產(chǎn)要求的低次煙葉除很少一部分用來做膨脹煙絲或薄片外，其余大部分低次煙葉在倉(cāng)庫(kù)中堆放或丟棄，有的甚至發(fā)霉變質(zhì)引起環(huán)境問題，這部分煙葉不僅沒有充分發(fā)揮其真正的使用價(jià)值還造成資源和能源的浪費(fèi)，，其經(jīng)濟(jì)損失給國(guó)家和企業(yè)造成巨大的負(fù)擔(dān)。 
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1.2 研究厭氧消化產(chǎn)沼氣對(duì)于生產(chǎn)生活的意義
厭氧消化產(chǎn)沼氣是指將有機(jī)物（人畜糞便、農(nóng)作物秸稈、動(dòng)植物尸體、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的有機(jī)廢水等）經(jīng)過厭氧消化后產(chǎn)生沼氣的過程。而在這個(gè)過程當(dāng)中所產(chǎn)生的沼氣、沼液、沼渣等物質(zhì)分別作為食物鏈中的一份子成為下一級(jí)生產(chǎn)生活中所需的原料、能源、添加劑以及飼料和肥料等的在利用過程稱為厭氧消化產(chǎn)沼氣的綜合利用[3]�？梢哉f，厭氧消化產(chǎn)沼氣過程中的產(chǎn)物可以滲透到現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域與環(huán)節(jié)。沼氣的綜合利用可以加強(qiáng)整個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的網(wǎng)絡(luò)化，形成循環(huán)經(jīng)濟(jì)，達(dá)到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展；同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)能源與物質(zhì)的深度利用，達(dá)到資源的有效配置。 首先，沼氣作為厭氧消化產(chǎn)沼氣的最重要的產(chǎn)物，因其具有優(yōu)質(zhì)、清潔、環(huán)境友好等諸多可再生能源的特點(diǎn)，能夠?yàn)檗r(nóng)業(yè)生產(chǎn)和現(xiàn)代生活提供多方面的用途。沼氣除了作為生活用能外，還可以為生產(chǎn)提供能量。沼氣的綜合利用形式和方法主要有：炊事用能、夜間照明、為孵化幼禽提供熱能、保鮮以及儲(chǔ)存蔬果糧菜等、沼氣發(fā)電、CO2施肥、沼氣增溫等[4]。金偉[5]等發(fā)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)是大中型沼氣的一項(xiàng)工程化技術(shù)。 厭氧消化產(chǎn)沼氣的殘留物（沼液和沼渣）也有諸多方面的用途，厭氧消化產(chǎn)沼氣的殘留物具有比任何一種堆漚方法制取的有機(jī)肥的有機(jī)物養(yǎng)分含量都高的特點(diǎn)，并且其氮、磷、鉀的不僅大部分都已經(jīng)轉(zhuǎn)化為速效態(tài)而且轉(zhuǎn)化率高達(dá)90% [6]。厭氧消化產(chǎn)沼氣的殘留物最主要應(yīng)用于一下四個(gè)方面：（1）作為飼料利用：養(yǎng)豬、養(yǎng)魚等。（2）作為肥料利用：改良土壤、有機(jī)底肥、有機(jī)追肥、液肥等。（3）對(duì)病蟲害進(jìn)行防治：通過沼液浸種等方式進(jìn)行。（4）作為培養(yǎng)料液：栽培各種菌類、培育幼苗和無土栽培等[7]。這四個(gè)方面中應(yīng)用最廣泛、最重要的利用方式是將厭氧消化產(chǎn)沼氣的殘留物作為肥料利用。 
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第 2 章 研究的基本原理和依據(jù) 

2.1 秸稈厭氧消化產(chǎn)沼氣原理分析 
厭氧消化產(chǎn)沼氣是一個(gè)微生物作用的過程。即是在厭氧條件下通過微生物的作用使各種有機(jī)質(zhì)如農(nóng)作物秸稈、人畜糞便和工農(nóng)業(yè)廢水所含有機(jī)物等轉(zhuǎn)化為沼氣的過程。 沼氣中一般甲烷占 60%-70%；二氧化碳占 30%-40%；還有數(shù)量相對(duì)較少的氫氣、水蒸氣、硫化氫、一氧化氮、氮?dú)�、氨氣等氣體。這些物質(zhì)的混合構(gòu)成了通常為大家所認(rèn)知的混合氣體—沼氣[30]。 Bryant 等[31-32]在 1972 年提出了厭氧消化的三階段理論；即厭氧消化產(chǎn)沼氣一般分為液化階段、產(chǎn)酸階段以及產(chǎn)甲烷階段三個(gè)階段。液化階段是指通過微生物分泌的胞外酶（如纖維素酶和脂肪酶等）將農(nóng)作物秸稈、人畜糞便以及工農(nóng)業(yè)廢水中所含的不能被微生物直接利用的大分子狀態(tài)的碳水化合物分解成可溶于水的能夠被微生物直接利用的小分子化合物（一般是多糖水解成單糖或雙糖，蛋白質(zhì)分解成肽和氨基酸，脂肪分解成甘油和脂肪酸）的過程。產(chǎn)酸階段是指在液化作用完成后，通過不產(chǎn)甲烷菌群的作用使得能夠被微生物直接利用的小分子化合物轉(zhuǎn)化成簡(jiǎn)單的有機(jī)酸、醇以及二氧化碳和氫氣、氨氣等的過程。由于這個(gè)階段最主要的產(chǎn)物是揮發(fā)性的有機(jī)酸，因此被稱為產(chǎn)酸階段。在經(jīng)過了液化階段和產(chǎn)酸階段后，就進(jìn)入了產(chǎn)甲烷階段，該階段是產(chǎn)甲烷菌群利用產(chǎn)酸階段產(chǎn)生的有機(jī)酸、醇以及二氧化碳等物質(zhì)生產(chǎn)甲烷和二氧化碳。這個(gè)階段由甲烷和二氧化碳等組成的混合氣體稱為沼氣。 
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2.2  秸稈厭氧消化產(chǎn)沼氣的工藝要求
一般來說，只要其他工藝條件達(dá)到要求（如發(fā)酵菌的濃度較高，酸堿度適宜等），厭氧消化容器內(nèi)溫度若在 10℃左右，就可以啟動(dòng)厭氧消化產(chǎn)生沼氣；盡管如此，厭氧消化的產(chǎn)氣速率和厭氧消化的產(chǎn)氣量依然與溫度有著極其密切的聯(lián)系；研究表明，在一定的溫度范圍內(nèi)（15℃-40℃）產(chǎn)氣速率與產(chǎn)氣量隨著溫度的增高而增大。當(dāng)平均溫度為 24℃時(shí)，消化全部牛糞需要 50 天左右的時(shí)間，而對(duì)植物肥料進(jìn)行厭氧消化反應(yīng)，則需要比消化牛糞增加 20 天以上的時(shí)間才能完全消化；倘若將牛糞與植物廢料混合進(jìn)行厭氧消化反應(yīng)則需要的時(shí)間為 50-60天。如果將厭氧消化溫度控制在 32-37℃的話，那么牛糞的厭氧消化周期不超過28 天。在 15℃到 30℃范圍內(nèi)，在每一個(gè)厭氧消化周期中，每個(gè)單位原料的產(chǎn)氣總量大致相等，但是再 15℃的時(shí)候，一個(gè)厭氧消化周期為 1 年整，而 35℃時(shí)一個(gè)厭氧消化周期僅需一個(gè)月。當(dāng)厭氧消化溫度低于 10℃時(shí)，因微生物生物活性受到抑制進(jìn)入休眠狀態(tài)、產(chǎn)氣很少，所以達(dá)不到實(shí)際應(yīng)用的目的。綜上，啟動(dòng)料液的溫度要控制在至少 20℃以上，運(yùn)行料液的溫度要調(diào)控在至少 15℃以上才能夠確保達(dá)到產(chǎn)氣和實(shí)際應(yīng)用的目的[33-35]。
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第 3 章兩種不同的預(yù)處理方法對(duì)低次煙葉......... 20 
3.1 低次煙葉預(yù)處理面臨的問題 ........... 20 
3.2 材料與方法 ......... 20 
3.3 結(jié)果與分析 ......... 23 
3.4 各要點(diǎn)分析 ......... 26 
3.5 本章小結(jié) ........... 26 
第 4 章不同接種物對(duì)低次煙葉厭氧消化產(chǎn)沼氣的影響 .......... 28 
4.1 接種物在低次煙葉厭氧消化過程中存在的問題 ........... 28 
4.2 不同接種物的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) ....... 28 
4.3 結(jié)果與分析 ......... 30 
4.4 各要點(diǎn)分析 ......... 32 
4.5 本章小結(jié) ........... 33 
第 5 章不同厭氧消化濃度對(duì)低次煙葉厭氧消化產(chǎn)沼氣的影響 .... 34 
5.1 不同厭氧消化濃度的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) ......... 34 
5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 ..... 36 
5.3 各要點(diǎn)分析 ......... 38 
5.4 本章小結(jié) ........... 39  

第5章不同厭氧消化濃度對(duì)低次煙葉厭氧消化產(chǎn)沼氣的影響 

濃度：沼氣厭氧消化濃度又稱為料水比。它是厭氧消化容器內(nèi)干物質(zhì)總量與厭氧消化料液總質(zhì)量的比值，如前文所述，它是影響厭氧消化效率的一個(gè)極其重要的因素。 厭氧消化料液的濃度過低單位容積內(nèi)有機(jī)物含量相對(duì)減少，不僅產(chǎn)氣量低下還造成了厭氧消化容器內(nèi)資源的浪費(fèi)；倘若厭氧消化料液濃度過高則厭氧消化原料不易分解并且容易造成大量酸性物質(zhì)的積累，不利于產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)和繁殖，最終表現(xiàn)在對(duì)正常產(chǎn)氣的影響；因此我們?cè)诒菊聦⒅攸c(diǎn)討論和尋找一種相對(duì)來說具有比較優(yōu)勢(shì)的低次煙葉厭氧消化濃度。

5.1 不同厭氧消化濃度的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 

由于厭氧消化濃度范圍是 2%-30%[70]，并且，根據(jù)研究表明[71-72]，在高溫季節(jié)，總固體濃度以 6%-8%為宜；而在低溫季節(jié)，厭氧消化料液的總固體濃度以10%-12%為宜；因此我們根據(jù)秸稈厭氧消化的經(jīng)驗(yàn)將各個(gè)實(shí)驗(yàn)組設(shè)置成濃度分別為 6%、8%、10%、12%；每組三個(gè)平行。由于已近深秋，這次試驗(yàn)我們采用水浴箱并輔以相應(yīng)的溫控裝置（型號(hào)：C3W-221 智能數(shù)顯溫控儀如圖 5.1 所示）將溫度控制在 24℃進(jìn)行室溫發(fā)酵（各厭氧消化組基本數(shù)據(jù)如表 5.1 所示）。不同濃度厭氧消化實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖如圖 5.2 所示.

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總結(jié) 

我國(guó)作為煙草種植和消費(fèi)大國(guó)，煙草行業(yè)在我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有相當(dāng)大的比重；因此如何促進(jìn)煙草行業(yè)持續(xù)可循環(huán)發(fā)展是我國(guó)目前非常緊要的一個(gè)課題。 然而，在煙草行業(yè)中，有很多質(zhì)地不合格的煙葉不能夠被有效的利用，不僅造成了環(huán)境污染，而且還造成了極大的能源浪費(fèi)。云南作為煙草大省，每年有大量的低等或等外級(jí)煙葉未能得到合理利用，這一部分煙葉稱為低次煙葉，約占全省烤煙產(chǎn)量的 30%-35% 作為煙草大省，云南每年烤煙產(chǎn)量中約有 30％-35％屬于無法進(jìn)行卷煙加工的低等或等外級(jí)煙葉未能得到合理利用[2]。而這些低次煙葉中所蘊(yùn)含的能源與資源都沒有得到有效的利用，而且長(zhǎng)時(shí)間的堆漚丟棄給環(huán)境造成了極大的破壞。 而對(duì)低次煙葉厭氧消化進(jìn)而產(chǎn)生沼氣是對(duì)低次煙葉的有效的處理途徑之一。 在這個(gè)前提下，我們站在前人的肩膀上從 4 個(gè)角度對(duì)低次煙葉厭氧消化產(chǎn)沼氣進(jìn)行了研究： 
（1）在本文第二章工作原理中，我們討論了，由于高溫厭氧消化環(huán)境耗能高、設(shè)備要求高、很難實(shí)現(xiàn)實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用；低溫厭氧消化環(huán)境雖然容易實(shí)現(xiàn)，但是產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣效率均不理想，因此我們所有試驗(yàn)均采用 24℃左右的常溫消化，這樣既能夠保證產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣效率同時(shí)也能保證在其在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用價(jià)值。 
（2）在本文第三章中，我們討論了兩種不同預(yù)處理方式對(duì)低次煙葉厭氧消化產(chǎn)沼氣的影響，得到了由質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 7%的黑曲霉預(yù)處理后，低次煙葉中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素總體含量降低，厭氧消化啟動(dòng)時(shí)間短，厭氧消化效率以及厭氧消化周期得到明顯的改善，并展望了其在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用價(jià)值。 
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：80164