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典型秸稈的厭氧消化甲烷生產：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，同濟大學環境科學與工程學院研究團隊在Bioresource Technology期刊（IF=6.669）發表研究論文。研究者們采用RTK-BMP全自動甲烷潛力測試系統測定了四類典型秸稈的厭氧消化凈累計甲烷產量。
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濟快速增長的地區，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。因此，開發和利用可持續的、生態友好的非石油基能源已迫在眉睫。
木質纖維素類生物質被認為具有生產緩解上述問題的生物燃料和生物產品的潛力，這主要是因為生物質有助于大氣中二氧化碳的循環利用，而不會造成額外的溫室效應。此外，每年在世界各地會生產大量的木質纖維素農業生物質，這恰恰適宜發展成為可持續供給的再生能源或燃料。特別是在中國，根據2020年國家統計局數據，2019年我國糧食總產量為66384萬噸，連續五年保持在65000萬噸以上，占世界總產量的四分之一左右，其中，水稻、甜高粱、小米產量為20961萬噸；小麥13359萬噸；玉米26077萬噸。作物收獲后，農作物的葉、莖大量剩余，導致我國農作物秸稈年產量超過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纖維素類農業廢棄物，主要由纖維素、半纖維素和木質素組成，是制備生物燃料和生物制品的理想原料。
近年來，以秸稈為原料經生物轉化生產甲烷、乙醇、糠醛等生物能源引起了廣泛關注。但從能量輸出/輸入比（28.8MJ/MJ）來看，甲烷發酵技術是所有通過生物或熱化學轉化途徑的能源生產技術中效率很高的生物質能源生產技術之一。厭氧消化技術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厭氧消化生產甲烷的效率通常較低主要是由于生物質存在抗降解屏障，即生物質對酶解和微生物解構的自然抗性。為了提高木質纖維素的降解能力，并實現有盈利的生物甲烷生產，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。然而，對于特定的某種預處理方式其效率存在顯著差異。結果表明，在相同N-methylmorpholine-N-oxide預處理條件下，以稻草、麥秸和杉木為底物，甲烷產量的提升范圍可達400-1200%。Sapci等人報道燕麥秸稈經200℃微波預處理15min后凈累積產甲烷量為186.2±10.5 mL-1g VS，而春小麥秸稈的凈累積產甲烷量較低（72.2±20.9 mL-1gVS)。事實上，不同類型秸稈產生的甲烷對特定預處理的反饋不同，其本質上是由于秸稈自身的特性。然而，秸稈特性對生物甲烷生產影響的機理尚不清楚。根據物料特性確定關鍵控制因素將促進生物質能的大限度回收。文獻綜述結果表明，有機質含量、粒徑、空間構象和生物質比表面積是影響厭氧消化的關鍵因素。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定半剛性結構。實際上，材料的結構決定了材料的性能，秸稈也不例外。現有的報道大多集中在表征秸稈的結構，以評估其糖化效果，而秸稈結構與厭氧消化之間的相關性，除了少數研究外，得到較少關注。因此，研究秸稈的組成和結構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構對生物甲烷生產的影響。研究了四種典型秸稈的產甲烷潛勢與該過程的碳流特性。測定了秸稈的分形維數、表面形貌、表面官能團、基本元素等物理性質，分析了其化學成分。依據三點假設開展研究：（1）秸稈中關鍵有機組分和含碳量越高，其產甲烷潛力越大；（2）秸稈表面特性會影響厭氧產甲烷過程；（3）礦物組成會影響秸稈結構，阻礙生物甲烷的生產。
實驗結果表明，四種秸稈的物質組成有顯著差異，典型秸稈的產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。秸稈關鍵有機組分和碳的相對含量與生物甲烷生產無顯著相關，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過程。此外，秸稈的礦物組成與甲烷的生產過程密切相關，與硅結合的秸稈基質阻礙了有機質的甲烷生物轉化。
RTK公司是國家gao新技術企業（證書編號：GR201742000831）。產品包括RTK-BMP全自動甲烷潛力測試系統、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！