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为解决孟加拉国能源与废弃物管理问题，孟加拉国农业大学的研究人员开展稻草与牛粪、家禽粪便厌氧共消化研究。结果表明特定比例共消化可增产沼气，修正 Gompertz 模型适用。该研究对能源转型和环保意义重大，值得科研读者一读。
在孟加拉国，能源问题一直是制约发展的重要因素。随着人们生活质量的提升，对能源的需求日益增长，然而可持续能源的生产却困难重重。目前，孟加拉国的电力供应主要依赖天然气，其占比高达 51.05%，而可再生能源仅占 2.04%。在全球都在努力向清洁能源转型的大背景下，孟加拉国也积极响应联合国的可持续发展目标，计划到 2030 年实现 20% 的电力来自可再生能源，如太阳能、风能和生物质能等。
孟加拉国作为一个农业大国，有着丰富的生物质资源。但这些资源不仅没有得到充分利用，还带来了一系列环境问题。在农业方面，水稻是孟加拉国的主要粮食作物，每年会产生大量的稻草（Rice Straw，RS） ，其产量高达 2950 万吨。以往，人们处理稻草的方式通常是露天焚烧或填埋，这些做法会释放大量温室气体，对环境造成严重污染。而且，将稻草翻耕回田还可能引发作物的叶部疾病，影响农作物产量。在畜牧业方面，孟加拉国的家禽和牲畜数量众多，分别达到 3.041 亿只和 2450 万头，由此产生的牛粪（Cow Dung，CD）和家禽粪便（Poultry Droppings，PD）如果处理不当，会导致水体富营养化、有毒气体排放、土壤和空气污染等问题。据统计，约 14.5% 的人为温室气体排放来自畜牧业的不当废物管理。
为了解决这些能源和环境问题，孟加拉国农业大学的研究人员 Chayan Kumer Saha 等人在《Heliyon》期刊上发表了一篇名为 “Rice straw co - digestion potential with cow dung and poultry droppings for maximizing biogas production in Bangladesh” 的论文。他们通过研究发现，将牛粪、家禽粪便与稻草进行厌氧共消化（Anaerobic Co - digestion，ACoD），可以有效产生沼气，不仅能解决废弃物管理问题，还能助力可再生能源的生产。这一研究成果对于孟加拉国实现能源转型和环境保护的双重目标具有重要意义。
在这项研究中，研究人员采用了多种关键技术方法。首先，他们收集了来自孟加拉国农业大学奶牛场的牛粪、家禽场的家禽粪便以及该校农艺田的稻草作为实验底物，同时使用了连续搅拌罐反应器（Continuous Stirred Tank Reactors，CSTR）中的牛粪沼液作为接种物。接着，对底物和接种物进行了物理和化学性质分析，包括测量 pH、总固体（Total Solid，TS）、挥发性固体（Volatile Solid，VS）、总氮（Total Nitrogen，TN）、总铵氮（Total Ammonium Nitrogen，TAN）以及计算 C/N 比。然后，通过批式实验，设置了牛粪与稻草、家禽粪便与稻草两组实验，每组实验又分别设置了七种不同的混合比例（100:0，90:10，70:30，50:50，30:70，10:90，0:100），在 35℃的中温条件下进行 92 天的厌氧消化，以探究沼气生产潜力并找出最佳混合比例。实验过程中，使用气体分析仪测量沼气产量和成分，并通过统计分析（ANOVA）来确定不同混合比例之间气体产量的显著差异。此外，还运用了协同效应评估和动力学分析，以研究底物混合对沼气产量的影响，并预测底物的生物降解率和甲烷产量。
1. 底物和接种物的特性分析
研究人员对底物和接种物的各项物理化学特性进行了测定。结果发现，牛粪和家禽粪便的总固体含量比稻草低，但总氮含量却显著高于稻草。C/N 比是影响厌氧共消化沼气产量的重要因素，牛粪、家禽粪便和稻草的 C/N 比分别为 32.15±0.03、14.45±0.07 和 64.15±0.15 。一般来说，适合最大沼气产量的 C/N 比在 20 - 35 之间，而稻草的 C/N 比过高，不利于微生物生长和沼气产生。因此，将稻草与富氮的动物粪便共消化，可以调节 C/N 比，提高沼气产量。此外，大多数产甲烷微生物生长的最佳 pH 范围是 6.5 - 8 ，实验中牛粪的初始 pH 略高于推荐范围，但添加共底物和接种物后，不同混合比例的 pH 都得到了平衡。同时，接种物的添加改善了所有测试组的沼气生产质量，如 pH、TS 和 C/N 比都达到了更适宜的范围。
2. 厌氧共消化过程中沼气的成分
研究人员对厌氧共消化过程中沼气的主要成分甲烷和二氧化碳进行了测定。结果显示，所有测试组中，牛粪与稻草混合组的平均甲烷含量在 51.39% - 53.14% 之间，二氧化碳含量在 46.86% - 48.61% 之间；家禽粪便与稻草混合组的平均甲烷含量在 51.47% - 57.14% 之间，二氧化碳含量在 42.86% - 48.58% 之间 。通常情况下，沼气中甲烷的含量在 40% - 75% 之间，所以所有测试组的甲烷含量都在正常范围内。在消化初期，由于稻草中难降解的木质纤维素结构，单消化牛粪和家禽粪便的测试组甲烷含量较低；而牛粪和家禽粪便由于含有厌氧细菌生长繁殖所需的营养物质，在初期甲烷含量较高。
3. 厌氧共消化过程中的沼气和甲烷产量
在实验过程中，研究人员对不同混合比例下的每日沼气产量、每日甲烷产量、累积沼气产量和累积甲烷产量进行了监测。对于牛粪与稻草的共消化，在 29 - 36 天之间获得了最高的沼气产量，之后随着消化时间的增加，由于挥发性固体转化为沼气而逐渐下降。其中，70:30 比例的混合组产生的沼气和甲烷产量最高，这是因为该比例下底物与接种物的 TS（10.18±0.45）和 pH（7.58±0.01）处于有利于沼气产生的条件。与单消化牛粪和稻草相比，70:30 比例的混合组沼气产量分别增加了 212.11% 和 38.10%，甲烷产量分别增加了 208.12% 和 38.04% 。
对于家禽粪便与稻草的共消化，初期每日沼气产量较低，随后逐渐增加。90:10 比例的混合组产生的沼气和甲烷产量最高，该比例下底物与接种物的 pH（7.32）、TS（9.03%）、VS（7%）、C/N（33.49）都处于最佳条件。与单消化家禽粪便和稻草相比，90:10 比例的混合组沼气产量分别增加了 173.16% 和 7.8%，甲烷产量分别增加了 179.30% 。
4. 厌氧共消化过程中甲烷产生的协同效应
研究人员评估了不同混合比例下底物共消化对甲烷产生的协同效应。结果发现，除了 10:90 比例的牛粪与稻草混合组（可能是由于稻草中高含量的纤维素、半纤维素和木质素产生了不利影响），其他所有牛粪与稻草混合组都呈现出正协同效应；在家禽粪便与稻草的混合组中，除了 10:90 和 70:30 比例组，其他组也都呈现正协同效应。实验中，70:30 比例的牛粪与稻草混合组和 90:10 比例的家禽粪便与稻草混合组的协同效应最高，分别达到 225.25% 和 247.21% 。这表明适当的底物混合比例可以促进沼气的产生，根据底物的丰富程度，推荐 70:30（牛粪：稻草）和 90:10（家禽粪便：稻草）的比例用于最大化沼气生产。
5. 厌氧共消化过程的动力学
研究人员使用了 Cone 模型、修正的 Gompertz 模型和 Logistic 模型对厌氧共消化过程进行动力学模拟。结果显示，Cone 模型虽然拟合的
大于 0.99 且均方根误差（RMSE）较低，但预测的甲烷产量与实验值偏差大于 15.5%，不适合用于预测牛粪和稻草的共消化过程。修正的 Gompertz 模型和 Logistic 模型的
都大于 99%，但修正的 Gompertz 模型的 RMSE 和滞后阶段（λ）值更低，意味着其降解速度更快，更适合预测牛粪和稻草、家禽粪便和稻草的厌氧共消化过程。修正的 Gompertz 模型中的参数 R 可以反映最大每日甲烷产量，这在设计工业规模的连续反应器沼气储存单元时具有重要参考价值；而滞后阶段则可以帮助确定沼气生产的水力停留时间。
综合来看，这项研究通过实验表明，将稻草与牛粪、家禽粪便进行厌氧共消化，能够显著提高沼气和甲烷的产量。在孟加拉国，以往牛粪和家禽粪便大多进行单消化，而本研究发现添加木质纤维素类农业副产品稻草后，不仅提高了这些废弃物的生物甲烷潜力，还具有正协同效应，同时解决了废弃物管理问题。研究确定了牛粪与稻草共消化的最佳比例为 70:30，家禽粪便与稻草共消化的最佳比例为 90:10 。在动力学建模方面，修正的 Gompertz 模型最适合预测稻草与牛粪、家禽粪便厌氧共消化过程中的生物甲烷产量，其过程参数有助于建立商业规模的连续消化器。此外，研究还建议对稻草进行预处理以提高水解速率，增强沼气生产并减少停留时间，同时也可以探索将牛粪和家禽粪便与其他木质纤维素类废弃物共消化，以进一步提高沼气产量。
这项研究成果对于孟加拉国的能源和环境领域具有重要意义。在能源方面，通过厌氧共消化技术生产沼气，有助于增加可再生能源的产量，推动孟加拉国向清洁能源转型，减少对传统化石燃料的依赖。在环境方面，有效处理了农业和畜牧业废弃物，减少了温室气体排放和环境污染，实现了废弃物的资源化利用，符合可持续发展的理念。这一研究为孟加拉国以及其他面临类似能源和环境问题的地区提供了宝贵的参考，有望在实际应用中得到推广和应用，带来显著的经济、环境和社会效益。
