典型秸稈厭氧消化甲烷生產(chǎn)
——基于物料組成與表面特性的深入解析

戴曉虎，華 煜，劉 芮，陳淑嫻，李慧平，戴翎翎，蔡 辰

（同濟大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院污染控制與資源化研究國家重點實驗室，上海 200092）

譯者： 華 煜；審查： 戴曉虎；單位： 同濟大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

1 研究亮點

*研究了4 種典型秸稈的特性對厭氧消化的影響；

*關(guān)鍵有機組分與生物甲烷產(chǎn)量無顯著相關(guān)性（P＞0.05，r=-0.36）；

*礦物組成對秸稈厭氧消化過程有顯著影響（P＜0.05，r=0.792）；

*非極性表面、空間位阻和表面形貌限制了生物轉(zhuǎn)化效率。

2 背景

世界能源消耗增長迅速，化石燃料面臨枯竭，因此，開發(fā)生物燃料迫在眉睫。秸稈來源廣、產(chǎn)量高，是生物燃料的優(yōu)質(zhì)選擇。在秸稈的能源化技術(shù)中，厭氧產(chǎn)甲烷技術(shù)備受關(guān)注，但秸稈固有屬性對生物甲烷生產(chǎn)的影響機理尚不清楚，因此研究秸稈的物料組成和結(jié)構(gòu)特性對厭氧消化性能的影響具有重要意義。

3 研究方法

試驗所用玉米秸稈（CS）、小麥秸稈（WS）、高粱秸稈（SSS） 和水稻秸稈（RS） 采集自江蘇丹陽某農(nóng)場，微化預(yù)處理秸稈至粒徑小于1 mm。接種污泥取自穩(wěn)定運行的高活性上流式厭氧污泥反應(yīng)器。采用全自動甲烷潛勢測定儀開展厭氧消化試驗，溫度（37±1） ℃，試驗周期60 d。測試分析方法包括主要成分測定、元素分析、碳流分析、分形維數(shù)計算、掃描電鏡觀察、紅外光譜以及X 射線光電子能譜分析等。

4 主要研究結(jié)果

不同秸稈的凈累積甲烷產(chǎn)量（NCMP） 存在顯著差異（P＜0.05），且產(chǎn)氣數(shù)據(jù)與修正的Gompertz 方程擬合良好（R2＞0.99）。4 種秸稈的能源價值和經(jīng)濟潛力不同，NCMP 與凈利潤排序皆為CS＞W(wǎng)S＞SSS＞RS。

秸稈的組分差異顯著。不同秸稈中關(guān)鍵有機成分的含量存在明顯差異，含碳量與NCMP 不顯著相關(guān)（P＞0.05），硅含量與NCMP 呈顯著負相關(guān)，其他礦物質(zhì)（以微量金屬元素為主） 含量與NCMP 呈正相關(guān)。僅通過物質(zhì)含量判斷NCMP 是片面的，結(jié)構(gòu)指標不可忽略，分形維數(shù)指數(shù)是被推薦的。

秸稈的表面特性影響甲烷的生產(chǎn)。一方面，秸稈表面呈現(xiàn)的非極性限制了其水解效率，CS 非極性最強；另一方面，秸稈表面的硅質(zhì)沉淀及木質(zhì)素形成空間屏障限制酶解效率。此外，秸稈的表面形態(tài)影響其生物轉(zhuǎn)化效率，CS 表面的松散絮狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)帶來更高的有機物降解率和NCMP。

5 結(jié)論與展望

對4 種秸稈（CS、WS、SSS 和RS） 進行了小試規(guī)模的厭氧消化批次試驗，并對其固有屬性進行了表征分析。非極性表面、空間位阻和表面形貌限制了生物轉(zhuǎn)化效率。本研究結(jié)果為構(gòu)建秸稈物料屬性與厭氧甲烷生產(chǎn)之間的聯(lián)系提供重要參考，為廢棄秸稈厭氧資源化利用提供理論選擇依據(jù)。