创新厌氧发酵技术：实现木质纤维素生物质高效产沼气的新突破

为解决利用木质纤维素生物质（如垫料秸秆）进行厌氧发酵（AD）产沼气的难题，研究人员开展了两阶段 AD 结合相分离和稀浆循环的研究。结果显示该系统可灵活高效处理垫料秸秆，提高甲烷产量，为生物能源发展提供新途径。

　　在全球能源转型的浪潮中，风能和太阳能作为重要的可再生能源备受瞩目。然而，它们的能量产出受天气条件制约，存在季节性波动的问题。厌氧消化（AD）产生的沼气能在一定程度上弥补这种波动，而且利用生物源残渣作为底物，既能避免与粮食生产争夺农业用地，又能助力循环生物经济，降低原料成本和排放。

传统的单阶段厌氧消化在处理复杂的木质纤维素生物质时存在效率不高的问题。木质纤维素生物质由纤维素、半纤维素和木质素组成，其致密结构阻碍微生物降解，尤其是木质素含量高时，降解难度更大。两阶段厌氧消化将水解和酸化阶段与产乙酸和产甲烷阶段分离，能更好地控制微生物种群和环境条件，理论上可提高甲烷产量 10 - 30% ，但目前大规模应用时经济优势不明显。为进一步提升厌氧消化的灵活性和效率，研究人员尝试将稀浆循环应用于两阶段厌氧消化系统。

德国相关研究机构的研究人员开展了一项创新研究，他们首次将相分离和稀浆循环结合应用于厌氧消化过程，旨在利用垫料秸秆这种木质纤维素原料与玉米青贮共同发酵生产沼气。研究人员搭建了定制的实验室规模发酵装置，由两个串联的搅拌罐反应器（CSTR）组成，该装置便于稀浆循环和传感器集成。

研究人员在实验过程中采用了多种关键技术方法。首先，精心设计了两阶段实验室规模的厌氧消化器，其材质和结构经过特殊选择，确保稳定性和实验监测的便利性。其次，利用定制的 3D 打印螺杆分离器实现稀浆循环，有效分离出含有自由漂浮微生物的稀浆进行循环。再者，运用多种在线和离线监测技术，如在线监测温度、pH 值、沼气成分和产量，离线分析短链羧酸（SCCA）、可溶性化学需氧量（sCOD）以及通过频率分散各向异性极化率（FDAP）测量评估微生物群落生理状态等。

研究结果

1. 稀浆循环对甲烷产量的影响：通过对比有无稀浆循环的实验发现，稀浆循环可使沼气中甲烷含量平均提高 20%，甲烷产量和产率也显著增加。在实验中，有稀浆循环时甲烷产量最高可达 250 mL g_COD^-1 ，而无循环时低于 160 mL CH₄ g_COD^-1 。同时，稀浆循环还增强了沼气流量和甲烷产率的灵活性。
2. 底物组成变化的影响：研究不同底物组成（纯玉米青贮、75 wt% 垫料秸秆和 25 wt% 玉米青贮混合）对发酵的影响时发现，高垫料秸秆含量的底物产生的 SCCA 浓度较低，乳酸积累增加。在第二阶段，纯玉米青贮作为底物时，沼气中甲烷含量和甲烷产率远高于混合底物。
3. 长期厌氧消化实验：在长期实验中，以 50/50（w/w）的玉米青贮和垫料秸秆为底物，结合稀浆循环，系统稳定运行超 100 天。第一阶段微生物积累了超 10 g L^-1 的 SCCA ，主要为丁酸和乙酸，表明是丁酸型发酵。第二阶段平均 COD 去除率达 90%，甲烷产率最高可达 260 mL g_COD^-1 ，且甲烷产量在 24 小时内波动明显，展现了系统的灵活性。
4. 禁食期后的甲烷生产：通过间歇性喂食实验模拟底物严重受限情况，结果显示系统在禁食 30 天后恢复喂食，沼气和甲烷产量能在数小时内迅速回升，接近禁食前水平。这得益于微生物群落的快速恢复能力，FDAP 测量结果也证实了细胞在长时间禁食后仍具有代谢活性。
5. 生态和经济视角：从生态角度看，用垫料秸秆替代部分玉米青贮可减少 CO₂ 排放。从经济角度看，两阶段厌氧消化的微生物预处理阶段（第一阶段）相比其他预处理方法，资本支出（CAPEX）和运营支出（OPEX）更低。

研究结论与讨论

本研究表明，50/50（wt/wt）的垫料秸秆和玉米青贮混合物在两阶段厌氧消化结合双稀浆循环系统中，能稳定产沼气，是纯玉米青贮的可行替代方案。尽管 75 wt% 秸秆的底物超出了系统降解能力，但系统对底物变化的适应能力体现了其稳健性。该研究为木质纤维素原料的厌氧消化提供了可持续、经济且灵活的解决方案，对生物能源领域的发展意义重大。不过，目前的研究成果基于实验室规模，未来需进一步在更大规模上验证该系统的实用性，探索其在实际生产中的最佳运行参数和应用模式，以推动生物能源产业的发展，实现能源的可持续供应。