耦合水热碳化与厌氧消化技术用于煮香蕉皮高值化利用：提升甲烷产量与优化土壤碳动态

《Biomass and Bioenergy》：Coupling hydrothermal carbonization and anaerobic digestion for cooking plantain peel valorization: enhanced methane production and soil carbon dynamics

　　# 摘要- HTC–AD整合技术有助于烹饪大蕉果皮（CPP）的循环高值化利用。- 在200°C下处理2小时，可得到产率最高且炭化程度最高的水热炭。- 大蕉果皮衍生的水热炭在厌氧消化过程中使甲烷产率提高了35%。- 水热炭改良的沼渣达到了最高的易矿化有机质含量（310.5 kg Mg?1 DM）。---## 引言热带气候适宜种植多种淀粉类作物，包括山药、木薯、甘薯和大蕉，这些作物富含养分和碳水化合物，且广泛可得，是亚洲、非洲和南美洲重要的能源来源，对粮食安全贡献显著。然而，其大规模消费产生了大量生物废弃物，主要是果皮[1]。若管理不当，这些废弃物会给土壤、空气和水系统带来环境负担[2]。在这些作物中，烹饪大蕉（*Musa paradisiaca*）的产量达到数百万吨量级，果皮占果实重量的近40%。根据联合国粮农组织的统计数据[3]，2018年全球大蕉产量约为3950万吨，相应地产生了近1600万吨果皮废弃物。如此庞大的副产品流凸显了基于该可再生资源发展循环经济的潜力，尤其是在热带饮食中大蕉占据核心地位、具有大规模收集潜力的背景下。大蕉果皮生物质（MPB）在传统医学中已被充分记载具有抗菌、抗糖尿病和抗动脉粥样硬化的功效。其干基碳水化合物含量最高可达67 wt%，纤维素和半纤维素含量通常分别超过10 wt%和13 wt%[4]。植物化学筛选还证实了其含有生物碱、黄酮类化合物、单宁和萜类化合物，矿物分析表明其含有较高水平的钾、钙、钠、铁和镁[5]。尽管其高碳水化合物含量表明其适合用于生物能源生产，但这些抗菌性植物化学物质可能会抑制直接生物处理。因此，MPB可能需要热处理或化学处理来降解抑制性化合物，同时转化其有机基质。生物质高值化技术，包括发酵、厌氧消化（AD）、气化、燃烧、热解和水热碳化（HTC），在能源转型战略中正受到越来越多的探索[6]。工艺选择取决于原料特性和期望的最终用途。HTC是一种通常在180–250°C下进行的热化学过程，将生物质转化为富碳材料——水热炭，其理化性质与低阶煤相当。更高的工艺严苛度会促进炭化，但通过二次分解反应降低水热炭产率和表面功能性，而适度条件则能更好地保留产率和官能团，同时增加固定碳值[7]。HTC具有多项优势，包括无需预先干燥即可处理高水分生物质，以及与热解相比相对较低的操作温度，从而降低能源需求。水热炭已在污染物吸附、催化、生物能源、碳封存、电化学、重金属固定和农业应用等方面得到研究[8]，[9]。在土壤系统中，水热炭可以增强团聚体和碳储量，改善结构性能，在某些情况下甚至优于常规生物炭[10]，并且可以对土壤生物产生积极影响[11]。然而，其农业应用仍受到HTC过程中产生的植物毒性化合物的限制，包括呋喃、多环芳烃和有机酸[12]，[13]。近期研究强调了HTC与AD耦合的潜力，无论是通过水热炭消化还是与其他底物共消化。Choe等人[14]报告称，豆腐残渣的水热预处理使AD时间缩短了50%，而竹基水热炭使甲烷产率提高了18%。类似地，Ayodele等人[15]发现，水热炭与城市固体废物共消化使总生物气产量从258增至464 NL kg?1 oTS，并增强了沼渣的稳定性，表现为化学需氧量（降低50.6%）、溶解性有机碳、凯氏总氮（降低42.5%）和NH??-N浓度的降低。Zhang等人[16]将这种效果归因于挥发脂肪酸（VFA）转化的加速和直接种间电子传递（DIET）的促进，后者得益于水热炭表面的官能团。水热炭还可以通过减轻氨抑制来改善AD性能，氨抑制是产甲烷系统中常见的限制因素[17]。多项研究调查了MPB的热化学处理。MPB已被用于生产去除罗丹明B的活性炭[18]，以及作为废物管理策略生产生物炭[19]。最近，Philip Yaro等人[20]通过MPB与木薯果皮联合处理，优化了水热炭的产率和热值。然而，MPB衍生的水热炭用于改善AD性能的研究尚未开展。在沼渣后处理方面，大部分研究集中于将其作为HTC原料的使用[21]，而较少研究评估所得沼渣的农学品质或碳周转。因此，本研究通过以下方面填补这些空白：生产MPB衍生的水热炭、通过生物化学甲烷潜力（BMP）试验优化水热炭添加量以提高甲烷产量，以及评估所得沼渣相对于所产水热炭的碳矿化程度和模型估算的一年期碳滞留量。我们假设，MPB衍生的水热炭可以改善甲烷产量，并且所得沼渣在有机质贫乏的土壤（如沙土）中可以表现出比单独使用水热炭更低的矿化程度。通过将MPB定位为能源与农业耦合应用的高值原料，本研究推进了与热带地区相关的集成循环生物经济战略。---## 章节摘要### 原料准备与接种物青香蕉（*Musa paradisiaca*，原产哥伦比亚）购自比利时根特的国际食品市场。将果皮从果实中分离出来，切成<5 mm的小块，然后使用食品级手持搅拌器（Koenic KHB 80421，800 W）混合成高水分糊状物（MPB）。AD试验中，从比利时Adinkerke的Zwanebloem奶牛场收集了牛粪和来自全尺寸消化器的接种物。两种样品均保存在4°C下进行表征和后续使用。### 原料与水热炭的表征MPB和水热炭的理化表征见下表。扫描电镜照片（图S1）显示，随着HTC严苛度的增加，MPB的形态逐渐变化。未经处理的生物质显示出完整的球柱状淀粉颗粒嵌入天然植物基质中（图S1-a）。经过180°C处理1小时（HC-180-1）后，这些颗粒不再可辨，而纤维结构变得更加突出（图S1-b）。增加HTC严苛度……### 结论本研究展示了一条通过将HTC与AD相结合并对所得沼渣作为土壤改良剂进行评估，从而实现大蕉果皮高值化的途径。在200°C下处理2小时产生的水热炭，在批次条件下显著提高了甲烷产量，最高可提高35%。在水热炭添加量最高时获得的沼渣，在83天的土壤培养期间表现出较低的碳矿化程度，且具有最高的模型估算年易矿化有机质含量，凸显了其作为有机土壤改良剂的潜力。### CRediT作者贡献声明**Yolenny Cruz**：撰写——审阅与编辑、撰写——原稿、可视化、方法论、调查研究、形式分析、数据管理、概念构思。**?a?r? Akyol**：撰写——审阅与编辑、指导、项目管理、方法论、概念构思。**Stef Ghysels**：撰写——审阅与编辑、指导、方法论、概念构思。**Lorenzo Caputi**：撰写——审阅与编辑、指导、方法论、概念构思。**Frederik Ronsse**：撰写——审阅与编辑，### 生成式人工智能及AI辅助技术在稿件准备过程中的声明我们确认使用了ChatGPT，以协助提升稿件的语言和清晰度。### 利益冲突声明作者声明不存在已知的可能影响本文研究结果的竞争性经济利益或个人关系。### 致谢我们衷心感谢弗拉芒政府及弗拉芒创新与创业局（VLAIO）通过Moonshot项目SUSPLASM（HBC.2024.0632）提供的资金支持。比表面积测量由卡拉布里亚大学物理系的表面与能源研究组提供。厌氧消化试验在比利时Innolab进行。光谱测量在技术研究院的纳米技术实验室完成。---Yolenny Cruz | ?a?r? Akyol | Stef Ghysels | Lorenzo Caputi | Frederik Ronsse | Erik Meers