钾铁酸盐与温和超声预处理协同提升榛子壳甲烷产量的动力学研究及模型优化

本研究针对木质纤维素废弃物厌氧消化(AD)中甲烷(CH4)产率低的问题，创新性地采用环保型氧化剂钾铁酸盐(PF)联合超声(US)预处理榛子壳(HS)。通过优化PF剂量(0.75 mmol/g TS)与US参数(150 W, 10 min)，实现木质素去除率39.8%和CH4产量203.0 mL/g VS，并首次应用ARIMA模型(R2=0.9990)精准预测产甲烷动力学，为生物质能源开发提供可持续技术方案。

　　

在全球能源转型与碳中和背景下，木质纤维素废弃物的高效能源化利用成为研究热点。榛子壳(HS)作为典型的农业废弃物，其复杂的木质素-纤维素-半纤维素三维结构严重制约厌氧消化(AD)过程中的甲烷(CH₄)产率。传统化学预处理存在环境污染风险，而单纯机械预处理又难以有效破坏木质素屏障。如何开发绿色高效的预处理技术，成为提升生物质能源转化效率的关键瓶颈。

针对这一挑战，来自中国的研究团队在《Fuel》发表创新性研究，首次系统探究了钾铁酸盐(PF)这种强氧化剂与超声(US)协同预处理对HS甲烷化的增强机制。研究人员通过多尺度实验与模型模拟相结合，不仅证实了该联合预处理的技术可行性，更揭示了其通过破坏木质素超分子结构提升底物可及性的作用机理。这项研究为农业废弃物的清洁能源转化提供了新思路。

研究采用PF梯度剂量(0.25-1.0 mmol/g TS)与US(150 W, 10 min)组合处理HS，通过扫描电镜(SEM)观察微观结构变化，采用纤维分析仪定量木质素/半纤维素去除率，并建立改良Gompertz模型与ARIMA时间序列模型对比分析产甲烷动力学。能量平衡分析综合考虑预处理能耗与CH₄产出当量，所有实验均在37°C中温条件下进行。

在预处理效果方面，0.75 mmol/g TS的PF剂量使SCOD/TCOD比值提升至0.243，木质素去除率达26.7%。联合US后，木质素去除率显著提升至39.8%，SEM显示HS表面形成明显孔洞结构。这表明PF的强氧化性(Fe^VI→Fe^III)与US空化效应产生协同作用，有效断裂β-O-4木质素键。

甲烷化性能测试显示，PF-3+US组获得最高CH₄产量(203 mL/g VS)，较对照组提高4.3倍。TVFA监测发现联合预处理组在AD初期积累2809 mg HAc/L，但随后被快速消耗，说明微生物群落成功适应了高有机负荷环境。值得注意的是，ARIMA模型对累积甲烷产量(CMY)的预测精度(R²=0.9990)显著优于传统动力学模型。

能量平衡分析揭示，虽然US增加了能耗，但PF-3+US仍实现0.07 Wh/g TS的净能量收益。这主要归功于CH₄产量的提升使AD反应器容积负荷降低，从工程角度补偿了预处理成本。

该研究证实PF-US联合预处理是一种可持续的木质纤维素增值策略。其创新性体现在：首次将PF应用于榛子壳预处理；阐明氧化-机械协同破坏木质素的作用机制；开发ARIMA模型用于AD过程精准预测。未来研究可进一步优化US参数以降低能耗，并探索不同木质纤维素原料的普适性处理方案。这项成果为农业废弃物的高效能源转化提供了重要技术参考，对推动生物质能产业发展具有积极意义。