典型秸秆厌氧消化甲烷生产——基于物料组成与表面特性的深入解析

戴晓虎，华 煜，刘 芮，陈淑娴，李慧平，戴翎翎，蔡 辰

（同济大学环境科学与工程学院污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海 200092）

译者： 华 煜；审查： 戴晓虎；单位： 同济大学环境科学与工程学院

1 研究亮点

*研究了4 种典型秸秆的特性对厌氧消化的影响；

*关键有机组分与生物甲烷产量无显著相关性（P＞0.05，r=-0.36）；

*矿物组成对秸秆厌氧消化过程有显著影响（P＜0.05，r=0.792）；

*非极性表面、空间位阻和表面形貌限制了生物转化效率。

2 背景

世界能源消耗增长迅速，化石燃料面临枯竭，因此，开发生物燃料迫在眉睫。秸秆来源广、产量高，是生物燃料的优质选择。在秸秆的能源化技术中，厌氧产甲烷技术备受关注，但秸秆固有属性对生物甲烷生产的影响机理尚不清楚，因此研究秸秆的物料组成和结构特性对厌氧消化性能的影响具有重要意义。

3 研究方法

试验所用玉米秸秆（CS）、小麦秸秆（WS）、高粱秸秆（SSS） 和水稻秸秆（RS） 采集自江苏丹阳某农场，微化预处理秸秆至粒径小于1 mm。接种污泥取自稳定运行的高活性上流式厌氧污泥反应器。采用全自动甲烷潜势测定仪开展厌氧消化试验，温度（37±1） ℃，试验周期60 d。测试分析方法包括主要成分测定、元素分析、碳流分析、分形维数计算、扫描电镜观察、红外光谱以及X 射线光电子能谱分析等。

4 主要研究结果

不同秸秆的净累积甲烷产量（NCMP） 存在显著差异（P＜0.05），且产气数据与修正的Gompertz 方程拟合良好（R2＞0.99）。4 种秸秆的能源价值和经济潜力不同，NCMP 与净利润排序皆为CS＞WS＞SSS＞RS。

秸秆的组分差异显著。不同秸秆中关键有机成分的含量存在明显差异，含碳量与NCMP 不显著相关（P＞0.05），硅含量与NCMP 呈显著负相关，其他矿物质（以微量金属元素为主） 含量与NCMP 呈正相关。仅通过物质含量判断NCMP 是片面的，结构指标不可忽略，分形维数指数是被推荐的。

秸秆的表面特性影响甲烷的生产。一方面，秸秆表面呈现的非极性限制了其水解效率，CS 非极性最强；另一方面，秸秆表面的硅质沉淀及木质素形成空间屏障限制酶解效率。此外，秸秆的表面形态影响其生物转化效率，CS 表面的松散絮状网络结构带来更高的有机物降解率和NCMP。

5 结论与展望

对4 种秸秆（CS、WS、SSS 和RS） 进行了小试规模的厌氧消化批次试验，并对其固有属性进行了表征分析。非极性表面、空间位阻和表面形貌限制了生物转化效率。本研究结果为构建秸秆物料属性与厌氧甲烷生产之间的联系提供重要参考，为废弃秸秆厌氧资源化利用提供理论选择依据。