大象粪便的厌氧生物精炼技术，结合了固态厌氧消化和水热碳化过程：接种源、能量回收及碳封存的影响

《Biomass and Bioenergy》：Anaerobic biorefinery of elephant dung, combining solid-state anaerobic digestion and hydrothermal carbonization: the effect of inoculum source, energy recovery, and carbon sequestration

固态厌氧消化联合热解碳化技术处理大象粪便，探究接种物类型对甲烷产率及能源回收效率的影响，并验证碳减排效果。最佳协同接种（猪粪与SSAD消化渣）使甲烷产率达127.6±0.4 mL/g VS，热解碳化170℃时生物炭产率75.0±1.7%，总能源回收10768±209 MJ/吨干重，碳减排量达1.8吨CO?-eq/吨干重。

　　

Sasithorn Saipa|Boonya Charnnok|Nuttiya Tantranont|Chayanon Sawatdeenarunat

亚洲社区经济与技术发展学院（adiCET），清迈拉贾巴特大学，清迈，50300，泰国

摘要

本研究探讨了不同接种剂类型对大象粪便通过固态厌氧消化（SSAD）产生甲烷的影响，以及随后通过水热碳化（HTC）将SSAD消化物转化为水碳的过程。接种剂来源显著影响了沼气产量，其中厌氧消化的猪粪与SSAD消化物的共接种方式产生了最高的甲烷产量（127.6 ± 0.4 N mL CH₄/g VS _added）、甲烷含量（50.00 ± 0.14%）和挥发性固体去除率（60.79 ± 0.45%）。在水碳生产方面，使用Napier草在170°C下处理的消化物产生了最高的水碳产量（75.0 ± 1.7%）和能量回收率（80.5 ± 2.2%）。所生产的水碳具有较高的热值（18.0 ± 0.2 MJ/kg干重）和能量含量（7.3 ± 1.4%），可与褐煤相媲美。SSAD与HTC的结合实现了总能量回收率为10768 ± 209 MJ/吨干重。此外，应用SSAD并使用产生的生物燃料替代化石燃料可分别减少1.8吨CO₂-eq/吨干重和1.2吨CO₂-eq/吨干重的碳排放。水碳中的碳固定作用还能进一步减少0.31吨CO₂-eq/吨干重的碳排放。该研究展示了SSAD与HTC集成生物精炼系统的潜力，可将大象粪便转化为可再生能源和稳定的碳材料，为温室气体减排和循环生物经济的发展提供了可持续路径。

引言

固态厌氧消化（SSAD）是一种有前景的可再生能源生产技术，尤其适用于生产富含甲烷的气体。该过程在无氧条件下分解总固体含量（TS）超过15%的高固体有机物质，如动物粪便、城市固体废物和木质纤维素生物质。它具有许多优点，例如较高的有机负荷、较低的消化物产生量、低用水量以及较低的加热能耗[1]。大象粪便（ED）作为一种有潜力的生物燃料来源，已被用于多种工艺，包括热化学工艺（如热解和水热碳化[HTC]）和生物转化工艺（如厌氧消化[AD][2]。在大象保护区，SSAD在废物管理和能源生产方面具有特别的优势。作者的研究团队已经使用不同形式的大象粪便废弃物（包括新鲜粪便[3]和清洗后的粪便[3]）并在多种实验室规模下进行了实验，包括250毫升血清瓶[3]和8升不锈钢反应器[3]。此外，Saipa等人[4]展示了不同循环频率下SSAD与HTC的集成效果，发现每天循环四次时可实现最高的甲烷产量和工艺稳定性。Sawatdeenarunat等人[2]使用清洗后的粪便及其洗涤水作为底物，并研究了三种底物与接种剂的比例（SIRs）：1:2、1:1和2:1（基于挥发性固体[VS]）。

然而，本研究通过引入一种新的启动策略来加速SSAD过程，从而扩展了以往的研究。在SSAD启动阶段应用的接种剂是一种微生物群落，它启动了AD过程，提供了驱动水解、酸生成、乙酸生成和甲烷生成等复杂生化阶段所需的微生物。接种剂的来源和适应性在SSAD系统的启动中起着重要作用。例如，在食物废物的干式AD中使用高固体消化物作为接种剂，其启动速度比使用传统低固体接种剂快2.5倍[5]。同样，接种剂对特定底物（如猪粪固体）的适应性在低温条件下可将甲烷产量提高多达26%[6]。通常，当地动物农场的接种剂数量和质量不足，因此需要从其他地区引入接种剂，尽管这会增加物流成本，但能确保快速启动、系统效率和经济可行性。一些研究成功地将上一批次AD的消化物保留下来作为下一批次的接种剂。然而，尚未有研究展示使用前一批次作为底物的消化物进行启动的技术。

将SSAD与其他工艺（如HTC）结合，遵循厌氧生物精炼的概念，可以提升能量回收率，从而提高这种方法的经济可行性[7]。HTC是一种热化学工艺，能在高温高压条件下将多种木质纤维素生物质转化为碳密度高的产品（如水碳）。这一技术正受到关注，因为它能将生物质转化为有用的产品，包括生物燃料和碳质材料，这些都是化石燃料的可持续替代品。HTC适用于高水分含量的生物质（包括SSAD消化物），尤其适合在水环境中操作。本研究旨在评估使用现有消化物作为接种剂对大象粪便进行SSAD的有效性，并提出了结合SSAD和HTC的厌氧生物精炼方案。最后，通过碳封存确保了该平台的可持续性。总之，本研究评估了大象粪便的价值化潜力，整合了接种剂优化、消化物再利用和碳排放减少分析，构建了一个可扩展的、碳负排放的生物精炼框架。

部分摘录

原料

大象粪便（ED）采集自泰国清迈的大象营地，时间范围为干季的1月至5月。收集的生物质在约45 ± 2°C下烘干，以将其水分含量（MC）降至10%以下。烘干后的样本使用商用研磨机研磨，密封在真空袋中以防止微生物降解，并在室温下储存直至分析。使用标准方法对准备好的ED进行了表征。总固体（TS）和挥发性固体（VS）的含量是根据标准方法测定的[8]。

底物和接种剂的特性

本研究中使用的底物和接种剂的特性见表1。

如表1所示，由于ED中含有大量的木质纤维素（来自草本饲料如Napier草和玉米秸秆），其C/N比率相对较高。较高的C/N比率意味着氮缺乏，从而限制了微生物活性并降低了沼气生成效率。然而，在启动阶段，将ED与C/N比率较低的接种剂（C/N = 8–18）共同消化

结论

本研究成功展示了SSAD与HTC的集成应用，形成了一个封闭循环的厌氧生物精炼概念，用于可再生能源生产和碳捕获。在评估的接种剂中，SSADPM配置表现出最佳性能，实现了最高的甲烷产量（127.6 ± 0.4 N mL/g VS _added），以及60.79 ± 0.45%的挥发性固体减少。随后在170°C下对SSAD消化物进行HTC处理，生产出了最高能量效率的水碳（能量回收率为80.5 ± 2.2%，水碳产量为75.0 ± 1.7%）。

CRediT作者贡献声明

Sasithorn Saipa：撰写——初稿、可视化、验证、方法论、研究、数据分析、概念化。Boonya Charnnok：撰写——审稿与编辑、验证、数据分析、概念化。Nuttiya Tantranont：方法论、研究。Chayanon Sawatdeenarunat：撰写——审稿与编辑、资源获取、方法论、研究、资金筹措、数据分析、概念化。

资助

本研究得到了清迈拉贾巴特大学（2022财年研究基金，授权号CMRU.38/65）和泰国科学研究与创新机构（通过清迈拉贾巴特大学的基础研究基金，授权号TSRI.39/66）的财政支持。

致谢

本工作得到了清迈拉贾巴特大学（2022财年研究基金，授权号CMRU.38/65）和泰国科学研究与创新机构（通过清迈拉贾巴特大学的基础研究基金，授权号TSRI.39/66）的资助。作者还感谢以下机构的支持：