综述：农业及农业工业废弃物的厌氧消化产沼气技术

这篇综述深入探讨了厌氧消化(AD)技术在处理农业废弃物和食品废弃物中的关键作用，系统分析了单相与两相AD系统的优劣，并指出通过优化pH、温度、碳氮比(C/N)等参数可显著提升甲烷(CH4)产量。文章特别强调两阶段AD(TSAD)在分离水解酸化与产甲烷过程上的优势，以及CO2分离技术对提高沼气热值的价值，为有机废弃物资源化提供了创新解决方案。

　　

厌氧消化技术：从农业废弃物到清洁能源的转化之路

Abstract
全球人口增长推动农业及食品工业扩张，伴随而来的有机废弃物处理成为环境与能源领域的双重挑战。传统填埋和焚烧方式因温室气体排放和土地污染问题逐渐被厌氧消化(AD)技术替代。AD在无氧条件下将纤维素(C₆H₁₀O₅)_n、木质素等复杂有机物转化为含50%-75%甲烷(CH₄)的沼气，同时减少温室效应。

Introduction
农业废弃物中富含纤维素、半纤维素和木质素(C₃₁H₃₄O₁₁)_n，而食品废弃物则含大量碳水化合物和蛋白质。这些物质的高碳氢含量使其成为理想AD底物。研究显示，两阶段AD系统通过分离水解酸化与产甲烷过程，可提升5%-10%的沼气产量。

Anaerobic Digestion Process
AD包含水解、酸生成、乙酸生成和甲烷生成四个阶段。关键参数包括：

• 温度：中温(35°C-40°C)与高温(>55°C)系统的差异
• pH：6.5-7.5最适产甲烷菌活性
• C/N比：20-30区间最佳

Pretreatment for Optimization
物理（粉碎）、化学（酸碱处理）和生物（酶解）预处理能破坏木质纤维素结构，提升底物可降解性。例如，碱性预处理可使沼气产量提高40%。

Two-Stage AD的优势
TSAD将前三个阶段置于酸化反应器，产甲烷阶段独立进行。这种设计避免酸积累对产甲烷菌的抑制，尤其适合高糖类废弃物处理。实验数据显示，TSAD的甲烷含量可达70%，显著高于单相系统。

Microbial Diversity
产酸菌（如Clostridium）和产甲烷菌（如Methanobacterium）的协同作用至关重要。不同底物需匹配特定菌群，如木质纤维素降解需要纤维素分解菌的参与。

Challenges

• 氨抑制：高蛋白废弃物导致氨氮积累，可通过C/N调节缓解
• VFA积累：两阶段设计能有效规避此问题
• 系统稳定性：TSAD对负荷波动更敏感

Biomethane升级
通过水洗或膜分离去除CO₂，可将沼气热值从20-25 MJ/m³提升至35-40 MJ/m³，达到管道天然气标准。

Future Perspectives
TSAD与微藻培养耦合、AI驱动的参数优化、以及生物氢烷（含10% H₂的混合燃料）生产将成为研究热点。

Conclusions
TSAD在处理高有机负荷废弃物时展现显著优势，但需平衡系统复杂度与运营成本。未来需开发标准化设计规范，以推动该技术在农业废弃物领域的规模化应用。