木薯渣资源化利用的现状及展望

黄艺惠 林 熙 裴义山 徐 升

（福建工程学院生态环境与城市建设学院，福建福州 350118）

1 我国木薯生产现状

中国是世界上薯类资源最丰富的国家之一，是马铃薯、甘薯、木薯和山药等薯类作物的生产大国，主要薯类作物年种植面积超过10 666 666.6 hm2，占全国可用耕地面积的8%左右。木薯淀粉状的结块根可成为人类食物、动物饲料和工业饲料，具有食品、经济和工业价值，是我国南方地区的重要经济作物，近年来的种植面积约266 666.6 hm2。

2 木薯渣对环境的影响

近年来，农业农村部与生态环境部积极推动转变农业发展方式，坚决打好农业面源污染防治攻坚战，推进利用废弃物资源，强化农村面源污染治理。2017年，“强化管控和修复土壤污染，加强防治农业面源污染”等写入党的十九大报告。木薯渣是木薯淀粉生产过程中大量获得的农业废弃物之一，产量大、处理成本高，其大量倾倒产生众多环境问题，木薯废水含有高浓度有机化合物，不当丢弃可能导致河流富营养化；木薯渣侵占农田，变质腐烂过程产生的毒气会造成空气污染，废水会对植被、周围的土壤、水体和人类构成威胁。因此大量木薯渣的降解再利用已成为固体废弃物管理中亟需解决的问题。

3 木薯渣资源化利用的现状

木薯渣含有大量的碳水化合物，主要成分为木质纤维素、可溶性糖以及少量的蛋白质。木薯渣可用于饲料、肥料、生物燃料以及生物材料等其他用途，其价值高于甘蔗残渣。

3.1 木薯渣用于饲料生产木薯废水约含有96%的碳水化合物，将木薯渣用于动物饲料生产，是目前木薯渣的主要利用方式[1]。Lucíola等人[2]利用木薯渣作为羔羊饲料中玉米的替代品，测试了0%、33%、66%和100%木薯渣对饲料摄入、消化率、饲养行为和畜体特性的影响，结果表明，木薯渣在腐熟3 d后，饲料中木薯渣含量与有机质消化率成正比，木薯渣的使用对动物的行为和畜体特性没有负面影响。Daniel等人[3]以40只5个月大的雄性羔羊为受试对象进行研究，得到相似的结论，木薯废水渣可以用作羔羊饲料中的替代食物，可以降低饲料成本，提高肉类价格的竞争力，从而提高盈利能力和可持续性。Long Lei等人[4]发酵木薯根系酒精生产的副产品作为鸭饲料中蛋白质的替代品，受试肉鸭日均体重增加和日均进食量与对照组相比无显著差异。

3.2 木薯渣制备生物肥料与农用助剂Abigail等人[5]使用不同比例（1∶1、1∶2、2∶1和2∶2）的木薯皮和家禽粪便混合可加速堆肥。Mara等人[6]利用木薯废水作为土壤肥料种植向日葵，不仅可为向日葵提供充足的营养，且施用木薯废水不会对土壤、植株形态产生不良影响。Kui Hong等人[7]通过固态发酵木薯渣获得植酸酶。此外，Rafaela等人[8]以木薯渣淀粉和蓝莓渣制备pH指示膜，以达到减小污染和循环利用资源的效果。

3.3 木薯渣能源化生物能源是全球继去年煤、石油和天然气之后的第4大能源。2014年7月，能源发展战略行动计划（2014-2020）将非食用乙醇燃料列为经济发展的重点。2017年9月，国家出台《关于扩大生物燃料乙醇生产和推广使用车用乙醇汽油的实施方案》。国家新能源政策的颁布实施，使木薯能源化产业迎来了新的发展机遇。

在不与农作物争地的情况下，可利用木薯渣产生沼气用于产热、发电，或精炼生物乙醇。木薯皮、木薯茎、木薯根以及木薯叶通过酸水解与微生物发酵生产沼气、生物乙醇、生物油[9-14]。与汽油相比，乙醇燃料可以减少温室气体排放。

3.4 木薯渣作为化工生产的原料木薯渣含有约38%淀粉，具有与阳离子淀粉相同的功能。刘文静等人[15]以木薯渣为原料合成了阳离子木薯渣，研究结果表明，阳离子木薯渣用量为0.5%～1.5%时，可获得很好的废纸脱墨浆助留助滤效果，可显著提高纸张的物理强度。

Xiaopeng Yue等人[16]利用界面修饰剂酯化淀粉处理木薯渣纤维，并结合内聚阻燃剂（IFR），制备聚丁二酸丁二醇酯（PBS）-木薯渣纤维复合阻燃材料，实验数据表明，装载适量的木薯纤维有利于复合材料的机械性能，复合材料极限氧指数可达37.3%，阻燃性能可达UL94 V0级。内化木薯渣的燃烧残留物对IFR和PBS的燃烧产物形成的三维烧焦层具有支撑作用，从而有效地提高了复合材料的阻燃性和热稳定性，同时有效降低了聚合物的成本。

Panee等人[17]采用高压均质化技术从淀粉酶处理的木薯渣中提取纳米纤维素，将其作为可再生材料用于复合材料研究。Keren等人[18]以木薯渣为原料生产环糊精，不仅可以降低环糊精的生产成本，且能为木薯淀粉工业产生额外的收入。此外，还有利用木薯渣制备草酸[19]、木薯渣牛皮纸复合材料[20]、发泡缓冲包装材料[21]等。

3.5 用于提取益生元低聚木糖（XOS）具有益生元的功效，可通过改变味道和物理化学特性来改善食物的质量，并刺激肠道中双歧杆菌的活性。与果糖（FOS）相比，XOS在改善肠道健康方面更有效。此外，XOS可以降低胆固醇，增加Ca2+的吸收量。Ani等人[22]利用木薯渣为原料生产XOS，以小鼠为受试对象检测木薯渣XOS的益生元活性。结果表明，以木薯渣为原料，添加0.5g/（kg·BW）和1.0g/（kg·BW）的XOS，均可增加小鼠结肠双歧杆菌和乳酸杆菌数量，大肠杆菌数量减少。

3.6 木薯渣在污染治理中的应用

3.6.1 用于制备吸附剂生物炭 生物炭是一种有效的有机物吸附剂，在土壤修复、固碳、重金属吸附等方面显示出潜在的作用。

Dan Feng等人[23]研究了木薯渣在不同温度（350、450、550、650、750 ℃）下热解产生的生物炭对抗生素诺氟沙星的吸附特性，研究表明该生物炭吸附效果主要取决于吸附剂微孔表面积，相比于传统的水处理方法，木薯渣生物炭吸附能有效处理抗生素废水。Fangze Li等人[24]利用木薯渣制备生物炭，结果表明：木薯渣在较高温度（350、550、750 ℃）下热解产生的生物炭具有较大的特定面积和微孔容积，三种生物炭对环丙沙星有很强的吸附能力，可作为有效材料控制环境中的抗生素污染物。

内分泌干扰物（EDCs）对环境水体有严重的威胁，它们能够结合自然激素的激素受体、运输和代谢过程干扰生物活动，而现有的活性炭吸附剂具有一定的局限性，阻碍其吸附水环境中EDCs。Pamphile等人[25]采用微囊化技术，以高岭石（400目）和粉煤灰（100目）的混合物为囊壳，活性炭粉末（92%）+木薯碎片（8%）为芯材，制备了小尺寸的芯壳结构活性炭（CSAC）材料，壳薄、机械强度高；CSAC对双酚A的朗格缪尔吸附最大吸附量可达28.5 mg/g，为水体中EDCs的修复提供了可能。此外，Li等人[26]以木薯渣为原料制备生物炭对土壤中的阿特拉津农药进行了有效吸附。

3.6.2 在生物处理系统中以木薯渣作为外加碳源 目前，生物絮凝系统（BFT）被认为是一种解决水产养殖产业发展所面临的环境和饲料成本制约的有效替代技术，该系统可依靠微生物作用维持水质，水更新率较低，且维护较简单。BFT的常用碳源主要为蔗糖、淀粉和玉米，然而这些碳源的高成本限制了BFT在实践中的使用。Qian Shang等人[27]对木薯渣进行酶解，研究将其作为蔗糖替代品应用于水产养殖的可行性。在C/N比为20/1的反应条件下，酶解木薯渣相较于蔗糖为碳源的系统更有利于水质控制，虾的存活率最高。酶解木薯渣更易被异养细菌吸收，且为微生物繁殖提供了更多附着部位，可作为养殖系统理想的廉价碳源。N Lalitha等人[28]以木薯渣替代养虾饲料的成分，结果表明，木薯渣的加入降低了养殖系统中氮的排放，维持了水质。Bruna等人[29]在对重油进行生物脱硫处理中利用木薯废水优化培养基，以降低处理成本。经过12 h处理，最大脱硫率可达75%，缩短了处理时间，微生物对木薯废水有良好的适应性。

4 结语

实现木薯渣的综合利用，不但可以解决污染难题，且有利于生态农业可持续发展以及农业废料循环再利用。但如何更好地推广利用木薯渣，形成良好的经济循环模式，还有待进一步的实践和探索。目前，我国应做好以下几方面工作。（1）积极响应国家发展农业生物质能和节能减排政策，调整木薯加工产业结构，建设木薯生物质能源产业化基地，加强木薯食用化和能源化多元开发。（2）在国家能源革命的背景下，乙醇燃料使能源结构多样化，丰富能源供给侧。但国家对于乙醇燃料的适用制度、销售渠道仍不完善，且在木薯残渣生产生物燃料方面依然存在着技术和经济挑战，在工业一级扩大加工规模是生物燃料商业化的关键步骤。（3）通过改进生物肥技术提高作物化肥利用率，实现木薯废料循环再利用。但是木薯废水、木薯渣需要妥当处置，否则会产生氢氰酸，造成严重的环境问题。