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典型秸稈的厭氧消化甲烷生產(chǎn)：基于物料組成與表面特性
（2020年RTK論文獎勵計劃入選論文）
近日，同濟大學環(huán)境科學與工程學院研究團隊在Bioresource Technology期刊（IF=6.669）發(fā)表研究論文。研究者們采用RTK-BMP全自動甲烷潛力測試系統(tǒng)測定了四類典型秸稈的厭氧消化凈累計甲烷產(chǎn)量。
美國能源情報署預測，2018年至2050年，世界能源消耗將增長近50%，這種增長又大部分集中在經(jīng)濟快速增長的地區(qū)，尤其是在中國。目前80%以上的一次能源消費來自化石燃料，特別是石油基燃料，例如汽油、柴油、液化石油氣、壓縮天然氣等，據(jù)預測將在下個世紀被耗盡。此外，化石燃料的燃燒是大氣中二氧化碳水平上升的主要因素，而二氧化碳水平的上升與變暖直接相關(guān)。因此，開發(fā)和利用可持續(xù)的、生態(tài)友好的非石油基能源已迫在眉睫。
木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)被認為具有生產(chǎn)緩解上述問題的生物燃料和生物產(chǎn)品的潛力，這主要是因為生物質(zhì)有助于大氣中二氧化碳的循環(huán)利用，而不會造成額外的溫室效應。此外，每年在世界各地會生產(chǎn)大量的木質(zhì)纖維素農(nóng)業(yè)生物質(zhì)，這恰恰適宜發(fā)展成為可持續(xù)供給的再生能源或燃料。特別是在中國，根據(jù)2020年國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)，2019年我國糧食總產(chǎn)量為66384萬噸，連續(xù)五年保持在65000萬噸以上，占世界總產(chǎn)量的四分之一左右，其中，水稻、甜高粱、小米產(chǎn)量為20961萬噸；小麥13359萬噸；玉米26077萬噸。作物收獲后，農(nóng)作物的葉、莖大量剩余，導致我國農(nóng)作物秸稈年產(chǎn)量超過7億噸，其中水稻、甜高粱秸稈占25.10%，小麥秸稈占18.30%，玉米秸稈占32.50%。秸稈作為一種典型的木質(zhì)纖維素類農(nóng)業(yè)廢棄物，主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成，是制備生物燃料和生物制品的理想原料。
近年來，以秸稈為原料經(jīng)生物轉(zhuǎn)化生產(chǎn)甲烷、乙醇、糠醛等生物能源引起了廣泛關(guān)注。但從能量輸出/輸入比（28.8MJ/MJ）來看，甲烷發(fā)酵技術(shù)是所有通過生物或熱化學轉(zhuǎn)化途徑的能源生產(chǎn)技術(shù)中效率很高的生物質(zhì)能源生產(chǎn)技術(shù)之一。厭氧消化技術(shù)是利用多種微生物在厭氧條件下分解有機物。直接使用秸稈類生物質(zhì)厭氧消化生產(chǎn)甲烷的效率通常較低主要是由于生物質(zhì)存在抗降解屏障，即生物質(zhì)對酶解和微生物解構(gòu)的自然抗性。為了提高木質(zhì)纖維素的降解能力，并實現(xiàn)有盈利的生物甲烷生產(chǎn)，許多預處理方法如微化粉碎、生化法、堿法、熱處理以及它們的耦合方法被廣泛開發(fā)。然而，對于特定的某種預處理方式其效率存在顯著差異。結(jié)果表明，在相同N-methylmorpholine-N-oxide預處理條件下，以稻草、麥秸和杉木為底物，甲烷產(chǎn)量的提升范圍可達400-1200%。Sapci等人報道燕麥秸稈經(jīng)200℃微波預處理15min后凈累積產(chǎn)甲烷量為186.2±10.5 mL-1g VS，而春小麥秸稈的凈累積產(chǎn)甲烷量較低（72.2±20.9 mL-1gVS)。事實上，不同類型秸稈產(chǎn)生的甲烷對特定預處理的反饋不同，其本質(zhì)上是由于秸稈自身的特性。然而，秸稈特性對生物甲烷生產(chǎn)影響的機理尚不清楚。根據(jù)物料特性確定關(guān)鍵控制因素將促進生物質(zhì)能的大限度回收。文獻綜述結(jié)果表明，有機質(zhì)含量、粒徑、空間構(gòu)象和生物質(zhì)比表面積是影響厭氧消化的關(guān)鍵因素。例如，文獻報道有機物含量低限制了甲烷化過程；污泥中的無機成分形成了相對難以生物降解的穩(wěn)定半剛性結(jié)構(gòu)。實際上，材料的結(jié)構(gòu)決定了材料的性能，秸稈也不例外?，F(xiàn)有的報道大多集中在表征秸稈的結(jié)構(gòu)，以評估其糖化效果，而秸稈結(jié)構(gòu)與厭氧消化之間的相關(guān)性，除了少數(shù)研究外，得到較少關(guān)注。因此，研究秸稈的組成和結(jié)構(gòu)對厭氧消化性能的影響具有重要意義，為實踐提供理論支持。
本研究旨在探索四種典型秸稈（水稻秸稈、甜高粱秸稈、小麥秸稈和玉米秸稈）在厭氧消化過程中物料組成和結(jié)構(gòu)對生物甲烷生產(chǎn)的影響。研究了四種典型秸稈的產(chǎn)甲烷潛勢與該過程的碳流特性。測定了秸稈的分形維數(shù)、表面形貌、表面官能團、基本元素等物理性質(zhì)，分析了其化學成分。依據(jù)三點假設(shè)開展研究：（1）秸稈中關(guān)鍵有機組分和含碳量越高，其產(chǎn)甲烷潛力越大；（2）秸稈表面特性會影響厭氧產(chǎn)甲烷過程；（3）礦物組成會影響秸稈結(jié)構(gòu)，阻礙生物甲烷的生產(chǎn)。
實驗結(jié)果表明，四種秸稈的物質(zhì)組成有顯著差異，典型秸稈的產(chǎn)甲烷潛力大小排序依次為玉米秸稈＞水稻秸稈＞甜高粱秸稈＞水稻秸稈。秸稈關(guān)鍵有機組分和碳的相對含量與生物甲烷生產(chǎn)無顯著相關(guān)，秸稈表面特性（非極性表面、空間位阻效應與表面形貌）影響厭氧生物甲烷生產(chǎn)過程。此外，秸稈的礦物組成與甲烷的生產(chǎn)過程密切相關(guān)，與硅結(jié)合的秸稈基質(zhì)阻礙了有機質(zhì)的甲烷生物轉(zhuǎn)化。
RTK公司是國家gao新技術(shù)企業(yè)（證書編號：GR201742000831）。產(chǎn)品包括RTK-BMP全自動甲烷潛力測試系統(tǒng)、RTK-BRE微生物降解呼吸儀、RTK沼氣分析儀等。此外，還可提供各類實驗室生物發(fā)酵反應器（如CSTR反應器、UASB反應器、IC反應器、干法車庫式反應器等）及其它定制服務。歡迎大家垂詢！