综述：有机生物质在独立式和集成式厌氧消化-热解中用于增强产物回收的预处理：挑战与机遇的批判性综述

本综述系统评述了有机生物质预处理技术在厌氧消化（AD）和热解（Py）及其集成系统中的关键作用，聚焦其对提升甲烷（CH4）、生物油（bio-oil）和生物炭（biochar）等产物产量与品质的影响，并深入探讨了抑制剂生成、技术经济（TEA）与生命周期（LCA）的可持续性权衡，为下一代生物精炼厂的设计提供了重要参考。

　　

2. 有机废弃物原料

有机废弃物来源广泛，包括食物废弃物（FW）、园林废弃物（GW）、污泥和堆肥残渣等。其组成复杂多变，含有蛋白质、脂质、碳水化合物以及木质纤维素（纤维素、半纤维素和木质素）等成分。全球固体废弃物产量预计将从2023年的21亿吨增长到2050年的38亿吨，增幅达56%。其中，高收入国家的食物和园林废弃物占比为32%，而中低收入国家则高达53-57%。澳大利亚2020年产生的有机废弃物达1530万吨，仅42%被回收，45%被填埋。这些废弃物若处置不当，将导致温室气体（如CO₂、CH₄、N₂O）排放、土壤和水资源污染等环境问题。

3. 转化技术

3.1. 热解

热解是在无氧条件下于350-900°C热降解有机物的过程，可产生生物炭、生物油和热解气体（如H₂、CO、CO₂和轻烃）。产物收率受加热速率、最终温度和停留时间影响。根据操作条件，热解可分为慢速、中速、快速和闪速热解。

3.2. 厌氧消化

厌氧消化（AD）是一种生化技术，可在无氧条件下将有机废弃物转化为沼气（主要含CH₄和CO₂）。该过程涉及水解、酸生成、乙酸生成和甲烷生成四个阶段，其中水解常是限速步骤。AD适用于处理低总固体含量（<10%）的废弃物，但干式AD（TS为15-40%）近年来因能产生高体积甲烷产量而受到关注。

3.3. 厌氧消化与热解的集成

集成AD和Py的配置（如AD-Py、Py-AD、AD-Py-AD和Py-AD-Py）可最大化资源回收和过程效率。AD-Py序列中，有机物先经AD产生沼气和消化残渣，残渣再经热解回收能量并生产生物炭。研究表明，AD-Py配置可使总发电量提高42%，并实现碳负排放（-1.726 kg CO₂-Eq/kg_FW）。Py-AD配置则先将生物质热解，产生的热解液（APL）或合成气用于AD产甲烷，但环境负担较高。

4. 预处理技术

4.1. 机械预处理

机械预处理通过粉碎、研磨等方式减小粒径，增加比表面积，降低纤维素结晶度，从而增强微生物可及性和热传导。例如，将食物废弃物粒径从0.843 mm减小至0.391 mm可使甲烷产量提高28%。但该过程能耗较高，且无法有效去除木质素。

4.2. 热预处理

4.2.1. 干燥

干燥可降低原料水分，提高有机质浓度。对于AD，适度干燥可提升沼气产量，但过度干燥会抑制产甲烷活性。对于热解，需将水分降至<10%以优化生物油产出。

4.2.2. 干式烘焙

干式烘焙在200-300°C惰性气氛中进行，可降解半纤维素，部分破坏纤维素和木质素结构，提高生物质能值。轻、中、重度烘焙对组分影响不同。研究表明，100°C烘焙大麦秸秆可使沼气产量提高275%，但超过180°C会因半纤维素损失而降低产气量。

4.2.3. 湿式烘焙

湿式烘焙（水热预处理）在150-260°C使用饱和水或蒸汽，选择性降解半纤维素，保留纤维素。该过程产生水热炭、液体和气体产物，并可去除碱金属和碱土金属（AAEMs），提高热解生物油品质。例如，水热预处理锯屑可使生物油中酸含量减少87%。

4.3. 化学预处理

4.3.1. 碱预处理

使用NaOH、KOH等碱试剂可皂化酯键，破坏木质素-碳水化合物复合体，增加孔隙率。5% NaOH预处理玉米秸秆可使沼气产量提高37%，但7.5% NaOH会导致挥发性脂肪酸（VFA）积累抑制甲烷生成。碱预处理可能增加灰分，降低热值，影响热解产物分布。

4.3.2. 酸预处理

酸预处理（如稀H₂SO₄）可有效水解半纤维素，释放可发酵糖，但可能产生呋喃醛、羟甲基糠醛（HMF）和酚类等抑制剂。稀酸预处理能耗较高，而浓酸预处理易生成发酵抑制剂。酸预处理还可脱除矿物质，提高热解生物油产率和品质，如3% H₂SO₄处理生物固体可减少40%灰分，增加呋喃和脱水糖含量。

4.3.3. 有机溶剂预处理

有机溶剂（如乙醇、丙酮）可降解木质素，但成本较高。深共晶溶剂（DES）和离子液体（ILs）等新兴溶剂显示良好前景。例如，胆碱赖氨酸盐预处理蔗渣可提高糖产量，后续AD产甲烷达0.28 L-CH₄ g^-1COD_fed。IL预处理稻壳热解可使生物油产率提高21%。

4.4. 生物预处理

4.4.1. 微生物预处理

真菌（如白腐菌）和细菌可产酶降解木质素和碳水化合物，提高生物可降解性。白腐菌预处理小麦秸秆可有效去除木质素，但处理时间超过10天可能因过度消耗有机物而降低沼气产量。

4.4.2. 微好氧预处理

微好氧预处理通过提供少量氧气激活水解细菌，加速水解和酸化速率，增加VFA和可溶性COD水平，但该技术仍处于发展初期。

4.4.3. 酶预处理

酶（如纤维素酶、漆酶）可选择性降解木质素，提高甲烷产量。真菌醪液预处理活性污泥和食物废弃物可使甲烷产量提高2.5倍。但酶成本较高，需通过固态发酵降低成本。

5. 预处理中抑制剂的生成

预处理过程中可能产生呋喃醛、HMF、乙酸、酚类等抑制剂，对微生物细胞和酶活性产生毒性，影响下游转化效率。例如，酚类化合物即使在低浓度（0.1 g L^-1）下也可抑制酿酒酵母生长和乙醇生产。酸预处理生成的抑制剂可能使β-葡萄糖苷酶和纤维二糖水解酶活性降低70%以上。

6. 关键观察与分析

预处理可显著增强生物质转化效率，但需权衡能耗、成本与环境影响。机械预处理能耗高；化学预处理可能引入污染物并产生抑制剂；热预处理可破坏病原体但可能损失挥发分；生物预处理成本低但耗时较长。集成系统（如AD-Py）中，预处理需综合考虑对沼气和热解产物的影响，以实现能量自足和产物高值化。

7. 挑战与未来展望

当前预处理技术面临效率、成本、环境影响等挑战。未来需开发低成本、低能耗、环境友好的预处理方法，加强反应机理与动力学研究，优化联合预处理策略，并通过TEA和LCA评估可持续性。对于集成AD-Py系统，需解决消化残渣高水分、产物品质调控及过程同步化等问题，以实现循环生物经济。