木薯渣資源化利用的現(xiàn)狀及展望

黃藝惠 林 熙 裴義山 徐 升

（福建工程學(xué)院生態(tài)環(huán)境與城市建設(shè)學(xué)院，福建福州 350118）

1 我國(guó)木薯生產(chǎn)現(xiàn)狀

中國(guó)是世界上薯類資源最豐富的國(guó)家之一，是馬鈴薯、甘薯、木薯和山藥等薯類作物的生產(chǎn)大國(guó)，主要薯類作物年種植面積超過(guò)10 666 666.6 hm2，占全國(guó)可用耕地面積的8%左右。木薯淀粉狀的結(jié)塊根可成為人類食物、動(dòng)物飼料和工業(yè)飼料，具有食品、經(jīng)濟(jì)和工業(yè)價(jià)值，是我國(guó)南方地區(qū)的重要經(jīng)濟(jì)作物，近年來(lái)的種植面積約266 666.6 hm2。

2 木薯渣對(duì)環(huán)境的影響

近年來(lái)，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部與生態(tài)環(huán)境部積極推動(dòng)轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)發(fā)展方式，堅(jiān)決打好農(nóng)業(yè)面源污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)，推進(jìn)利用廢棄物資源，強(qiáng)化農(nóng)村面源污染治理。2017年，“強(qiáng)化管控和修復(fù)土壤污染，加強(qiáng)防治農(nóng)業(yè)面源污染”等寫入黨的十九大報(bào)告。木薯渣是木薯淀粉生產(chǎn)過(guò)程中大量獲得的農(nóng)業(yè)廢棄物之一，產(chǎn)量大、處理成本高，其大量?jī)A倒產(chǎn)生眾多環(huán)境問(wèn)題，木薯廢水含有高濃度有機(jī)化合物，不當(dāng)丟棄可能導(dǎo)致河流富營(yíng)養(yǎng)化；木薯渣侵占農(nóng)田，變質(zhì)腐爛過(guò)程產(chǎn)生的毒氣會(huì)造成空氣污染，廢水會(huì)對(duì)植被、周圍的土壤、水體和人類構(gòu)成威脅。因此大量木薯渣的降解再利用已成為固體廢棄物管理中亟需解決的問(wèn)題。

3 木薯渣資源化利用的現(xiàn)狀

木薯渣含有大量的碳水化合物，主要成分為木質(zhì)纖維素、可溶性糖以及少量的蛋白質(zhì)。木薯渣可用于飼料、肥料、生物燃料以及生物材料等其他用途，其價(jià)值高于甘蔗殘?jiān)?/p>

3.1 木薯渣用于飼料生產(chǎn)木薯廢水約含有96%的碳水化合物，將木薯渣用于動(dòng)物飼料生產(chǎn)，是目前木薯渣的主要利用方式[1]。Lucíola等人[2]利用木薯渣作為羔羊飼料中玉米的替代品，測(cè)試了0%、33%、66%和100%木薯渣對(duì)飼料攝入、消化率、飼養(yǎng)行為和畜體特性的影響，結(jié)果表明，木薯渣在腐熟3 d后，飼料中木薯渣含量與有機(jī)質(zhì)消化率成正比，木薯渣的使用對(duì)動(dòng)物的行為和畜體特性沒有負(fù)面影響。Daniel等人[3]以40只5個(gè)月大的雄性羔羊?yàn)槭茉噷?duì)象進(jìn)行研究，得到相似的結(jié)論，木薯廢水渣可以用作羔羊飼料中的替代食物，可以降低飼料成本，提高肉類價(jià)格的競(jìng)爭(zhēng)力，從而提高盈利能力和可持續(xù)性。Long Lei等人[4]發(fā)酵木薯根系酒精生產(chǎn)的副產(chǎn)品作為鴨飼料中蛋白質(zhì)的替代品，受試肉鴨日均體重增加和日均進(jìn)食量與對(duì)照組相比無(wú)顯著差異。

3.2 木薯渣制備生物肥料與農(nóng)用助劑Abigail等人[5]使用不同比例（1∶1、1∶2、2∶1和2∶2）的木薯皮和家禽糞便混合可加速堆肥。Mara等人[6]利用木薯廢水作為土壤肥料種植向日葵，不僅可為向日葵提供充足的營(yíng)養(yǎng)，且施用木薯廢水不會(huì)對(duì)土壤、植株形態(tài)產(chǎn)生不良影響。Kui Hong等人[7]通過(guò)固態(tài)發(fā)酵木薯渣獲得植酸酶。此外，Rafaela等人[8]以木薯渣淀粉和藍(lán)莓渣制備pH指示膜，以達(dá)到減小污染和循環(huán)利用資源的效果。

3.3 木薯渣能源化生物能源是全球繼去年煤、石油和天然氣之后的第4大能源。2014年7月，能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃（2014-2020）將非食用乙醇燃料列為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重點(diǎn)。2017年9月，國(guó)家出臺(tái)《關(guān)于擴(kuò)大生物燃料乙醇生產(chǎn)和推廣使用車用乙醇汽油的實(shí)施方案》。國(guó)家新能源政策的頒布實(shí)施，使木薯能源化產(chǎn)業(yè)迎來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇。

在不與農(nóng)作物爭(zhēng)地的情況下，可利用木薯渣產(chǎn)生沼氣用于產(chǎn)熱、發(fā)電，或精煉生物乙醇。木薯皮、木薯莖、木薯根以及木薯葉通過(guò)酸水解與微生物發(fā)酵生產(chǎn)沼氣、生物乙醇、生物油[9-14]。與汽油相比，乙醇燃料可以減少溫室氣體排放。

3.4 木薯渣作為化工生產(chǎn)的原料木薯渣含有約38%淀粉，具有與陽(yáng)離子淀粉相同的功能。劉文靜等人[15]以木薯渣為原料合成了陽(yáng)離子木薯渣，研究結(jié)果表明，陽(yáng)離子木薯渣用量為0.5%～1.5%時(shí)，可獲得很好的廢紙脫墨漿助留助濾效果，可顯著提高紙張的物理強(qiáng)度。

Xiaopeng Yue等人[16]利用界面修飾劑酯化淀粉處理木薯渣纖維，并結(jié)合內(nèi)聚阻燃劑（IFR），制備聚丁二酸丁二醇酯（PBS）-木薯渣纖維復(fù)合阻燃材料，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，裝載適量的木薯纖維有利于復(fù)合材料的機(jī)械性能，復(fù)合材料極限氧指數(shù)可達(dá)37.3%，阻燃性能可達(dá)UL94 V0級(jí)。內(nèi)化木薯渣的燃燒殘留物對(duì)IFR和PBS的燃燒產(chǎn)物形成的三維燒焦層具有支撐作用，從而有效地提高了復(fù)合材料的阻燃性和熱穩(wěn)定性，同時(shí)有效降低了聚合物的成本。

Panee等人[17]采用高壓均質(zhì)化技術(shù)從淀粉酶處理的木薯渣中提取納米纖維素，將其作為可再生材料用于復(fù)合材料研究。Keren等人[18]以木薯渣為原料生產(chǎn)環(huán)糊精，不僅可以降低環(huán)糊精的生產(chǎn)成本，且能為木薯淀粉工業(yè)產(chǎn)生額外的收入。此外，還有利用木薯渣制備草酸[19]、木薯渣牛皮紙復(fù)合材料[20]、發(fā)泡緩沖包裝材料[21]等。

3.5 用于提取益生元低聚木糖（XOS）具有益生元的功效，可通過(guò)改變味道和物理化學(xué)特性來(lái)改善食物的質(zhì)量，并刺激腸道中雙歧桿菌的活性。與果糖（FOS）相比，XOS在改善腸道健康方面更有效。此外，XOS可以降低膽固醇，增加Ca2+的吸收量。Ani等人[22]利用木薯渣為原料生產(chǎn)XOS，以小鼠為受試對(duì)象檢測(cè)木薯渣XOS的益生元活性。結(jié)果表明，以木薯渣為原料，添加0.5g/（kg·BW）和1.0g/（kg·BW）的XOS，均可增加小鼠結(jié)腸雙歧桿菌和乳酸桿菌數(shù)量，大腸桿菌數(shù)量減少。

3.6 木薯渣在污染治理中的應(yīng)用

3.6.1 用于制備吸附劑生物炭 生物炭是一種有效的有機(jī)物吸附劑，在土壤修復(fù)、固碳、重金屬吸附等方面顯示出潛在的作用。

Dan Feng等人[23]研究了木薯渣在不同溫度（350、450、550、650、750 ℃）下熱解產(chǎn)生的生物炭對(duì)抗生素諾氟沙星的吸附特性，研究表明該生物炭吸附效果主要取決于吸附劑微孔表面積，相比于傳統(tǒng)的水處理方法，木薯渣生物炭吸附能有效處理抗生素廢水。Fangze Li等人[24]利用木薯渣制備生物炭，結(jié)果表明：木薯渣在較高溫度（350、550、750 ℃）下熱解產(chǎn)生的生物炭具有較大的特定面積和微孔容積，三種生物炭對(duì)環(huán)丙沙星有很強(qiáng)的吸附能力，可作為有效材料控制環(huán)境中的抗生素污染物。

內(nèi)分泌干擾物（EDCs）對(duì)環(huán)境水體有嚴(yán)重的威脅，它們能夠結(jié)合自然激素的激素受體、運(yùn)輸和代謝過(guò)程干擾生物活動(dòng)，而現(xiàn)有的活性炭吸附劑具有一定的局限性，阻礙其吸附水環(huán)境中EDCs。Pamphile等人[25]采用微囊化技術(shù)，以高嶺石（400目）和粉煤灰（100目）的混合物為囊殼，活性炭粉末（92%）+木薯碎片（8%）為芯材，制備了小尺寸的芯殼結(jié)構(gòu)活性炭（CSAC）材料，殼薄、機(jī)械強(qiáng)度高；CSAC對(duì)雙酚A的朗格繆爾吸附最大吸附量可達(dá)28.5 mg/g，為水體中EDCs的修復(fù)提供了可能。此外，Li等人[26]以木薯渣為原料制備生物炭對(duì)土壤中的阿特拉津農(nóng)藥進(jìn)行了有效吸附。

3.6.2 在生物處理系統(tǒng)中以木薯渣作為外加碳源 目前，生物絮凝系統(tǒng)（BFT）被認(rèn)為是一種解決水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)發(fā)展所面臨的環(huán)境和飼料成本制約的有效替代技術(shù)，該系統(tǒng)可依靠微生物作用維持水質(zhì)，水更新率較低，且維護(hù)較簡(jiǎn)單。BFT的常用碳源主要為蔗糖、淀粉和玉米，然而這些碳源的高成本限制了BFT在實(shí)踐中的使用。Qian Shang等人[27]對(duì)木薯渣進(jìn)行酶解，研究將其作為蔗糖替代品應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖的可行性。在C/N比為20/1的反應(yīng)條件下，酶解木薯渣相較于蔗糖為碳源的系統(tǒng)更有利于水質(zhì)控制，蝦的存活率最高。酶解木薯渣更易被異養(yǎng)細(xì)菌吸收，且為微生物繁殖提供了更多附著部位，可作為養(yǎng)殖系統(tǒng)理想的廉價(jià)碳源。N Lalitha等人[28]以木薯渣替代養(yǎng)蝦飼料的成分，結(jié)果表明，木薯渣的加入降低了養(yǎng)殖系統(tǒng)中氮的排放，維持了水質(zhì)。Bruna等人[29]在對(duì)重油進(jìn)行生物脫硫處理中利用木薯廢水優(yōu)化培養(yǎng)基，以降低處理成本。經(jīng)過(guò)12 h處理，最大脫硫率可達(dá)75%，縮短了處理時(shí)間，微生物對(duì)木薯廢水有良好的適應(yīng)性。

4 結(jié)語(yǔ)

實(shí)現(xiàn)木薯渣的綜合利用，不但可以解決污染難題，且有利于生態(tài)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展以及農(nóng)業(yè)廢料循環(huán)再利用。但如何更好地推廣利用木薯渣，形成良好的經(jīng)濟(jì)循環(huán)模式，還有待進(jìn)一步的實(shí)踐和探索。目前，我國(guó)應(yīng)做好以下幾方面工作。（1）積極響應(yīng)國(guó)家發(fā)展農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能和節(jié)能減排政策，調(diào)整木薯加工產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，建設(shè)木薯生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)化基地，加強(qiáng)木薯食用化和能源化多元開發(fā)。（2）在國(guó)家能源革命的背景下，乙醇燃料使能源結(jié)構(gòu)多樣化，豐富能源供給側(cè)。但國(guó)家對(duì)于乙醇燃料的適用制度、銷售渠道仍不完善，且在木薯殘?jiān)a(chǎn)生物燃料方面依然存在著技術(shù)和經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)，在工業(yè)一級(jí)擴(kuò)大加工規(guī)模是生物燃料商業(yè)化的關(guān)鍵步驟。（3）通過(guò)改進(jìn)生物肥技術(shù)提高作物化肥利用率，實(shí)現(xiàn)木薯廢料循環(huán)再利用。但是木薯廢水、木薯渣需要妥當(dāng)處置，否則會(huì)產(chǎn)生氫氰酸，造成嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。