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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(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃入選論文）
近日，同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)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(dòng)甲烷潛力測(cè)試系統(tǒng)測(cè)定了四類(lèi)典型秸稈的厭氧消化凈累計(jì)甲烷產(chǎn)量。
美國(guó)能源情報(bào)署預(yù)測(cè)，2018年至2050年，世界能源消耗將增長(zhǎng)近50%，這種增長(zhǎng)又大部分集中在經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)的地區(qū)，尤其是在中國(guó)。目前80%以上的一次能源消費(fèi)來(lái)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(yù)測(cè)將在下個(gè)世紀(jì)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(kāi)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(lèi)生物質(zhì)被認(rèn)為具有生產(chǎn)緩解上述問(wèn)題的生物燃料和生物產(chǎn)品的潛力，這主要是因?yàn)樯镔|(zhì)有助于大氣中二氧化碳的循環(huán)利用，而不會(huì)造成額外的溫室效應(yīng)。此外，每年在世界各地會(huì)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(guó)，根據(jù)2020年國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，2019年我國(guó)糧食總產(chǎn)量為66384萬(wàn)噸，連續(xù)五年保持在65000萬(wàn)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(wàn)噸；小麥13359萬(wàn)噸；玉米26077萬(wàn)噸。作物收獲后，農(nóng)作物的葉、莖大量剩余，導(dǎo)致我國(guó)農(nóng)作物秸稈年產(chǎn)量超過(guò)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(lèi)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(lái)，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(lái)看，甲烷發(fā)酵技術(shù)是所有通過(guò)生物或熱化學(xué)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(jī)物。直接使用秸稈類(lèi)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(duì)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(shí)現(xiàn)有盈利的生物甲烷生產(chǎn)，許多預(yù)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(kāi)發(fā)。然而，對(duì)于特定的某種預(yù)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(yù)處理?xiàng)l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(dá)400-1200%。Sapci等人報(bào)道燕麥秸稈經(jīng)200℃微波預(yù)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(shí)上，不同類(lèi)型秸稈產(chǎn)生的甲烷對(duì)特定預(yù)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(duì)生物甲烷生產(chǎn)影響的機(jī)理尚不清楚。根據(jù)物料特性確定關(guān)鍵控制因素將促進(jìn)生物質(zhì)能的大限度回收。文獻(xiàn)綜述結(jié)果表明，有機(jī)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(xiàn)報(bào)道有機(jī)物含量低限制了甲烷化過(guò)程；污泥中的無(wú)機(jī)成分形成了相對(duì)難以生物降解的穩(wěn)定半剛性結(jié)構(gòu)。實(shí)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(bào)道大多集中在表征秸稈的結(jié)構(gòu)，以評(píng)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(duì)厭氧消化性能的影響具有重要意義，為實(shí)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(guò)程中物料組成和結(jié)構(gòu)對(duì)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(shì)與該過(guò)程的碳流特性。測(cè)定了秸稈的分形維數(shù)、表面形貌、表面官能團(tuán)、基本元素等物理性質(zhì)，分析了其化學(xué)成分。依據(jù)三點(diǎn)假設(shè)開(kāi)展研究：（1）秸稈中關(guān)鍵有機(jī)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(huì)影響厭氧產(chǎn)甲烷過(guò)程；（3）礦物組成會(huì)影響秸稈結(jié)構(gòu)，阻礙生物甲烷的生產(chǎn)。
實(shí)驗(yàn)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(jī)組分和碳的相對(duì)含量與生物甲烷生產(chǎn)無(wú)顯著相關(guān)，秸稈表面特性（非極性表面、空間位阻效應(yīng)與表面形貌）影響厭氧生物甲烷生產(chǎn)過(guò)程。此外，秸稈的礦物組成與甲烷的生產(chǎn)過(guò)程密切相關(guān)，與硅結(jié)合的秸稈基質(zhì)阻礙了有機(jī)質(zhì)的甲烷生物轉(zhuǎn)化。
RTK公司是國(guó)家gao新技術(shù)企業(yè)（證書(shū)編號(hào)：GR201742000831）。產(chǎn)品包括RTK-BMP全自動(dòng)甲烷潛力測(cè)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(lèi)實(shí)驗(yàn)室生物發(fā)酵反應(yīng)器（如CSTR反應(yīng)器、UASB反應(yīng)器、IC反應(yīng)器、干法車(chē)庫(kù)式反應(yīng)器等）及其它定制服務(wù)。歡迎大家垂詢！