典型秸稈厭氧消化甲烷生產
——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

（同濟大學環境科學與工程學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： 同濟大學環境科學與工程學院

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；

*關鍵有機組分與生物甲烷產量無顯著相關性（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，開發生物燃料迫在眉睫。秸稈來源廣、產量高，是生物燃料的優質選擇。在秸稈的能源化技術中，厭氧產甲烷技術備受關注，但秸稈固有屬性對生物甲烷生產的影響機理尚不清楚，因此研究秸稈的物料組成和結構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場，微化預處理秸稈至粒徑小于1 mm。接種污泥取自穩定運行的高活性上流式厭氧污泥反應器。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 主要研究結果

不同秸稈的凈累積甲烷產量（NCMP） 存在顯著差異（P＜0.05），且產氣數據與修正的Gompertz 方程擬合良好（R2＞0.99）。4 種秸稈的能源價值和經濟潛力不同，NCMP 與凈利潤排序皆為CS＞WS＞SSS＞RS。

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

秸稈的表面特性影響甲烷的生產。一方面，秸稈表面呈現的非極性限制了其水解效率，CS 非極性最強；另一方面，秸稈表面的硅質沉淀及木質素形成空間屏障限制酶解效率。此外，秸稈的表面形態影響其生物轉化效率，CS 表面的松散絮狀網絡結構帶來更高的有機物降解率和NCMP。

5 結論與展望

對4 種秸稈（CS、WS、SSS 和RS） 進行了小試規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化效率。本研究結果為構建秸稈物料屬性與厭氧甲烷生產之間的聯系提供重要參考，為廢棄秸稈厭氧資源化利用提供理論選擇依據。