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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)定了四類典型秸稈的厭氧消化凈累計(jì)甲烷產(chǎn)量。
美國能源情報(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,。目前80%以上的一次能源消費(fèi)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(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(rèn)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?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,，根據(jù)2020年國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?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(dǎo)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(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程,；污泥中的無機(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(jī)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(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,、干法車庫式反應(yīng)器等）及其它定制服務(wù)。歡迎大家垂詢,！