综述：甘蔗渣液沼气生产的综合综述：进程、技术及迈向低碳生物经济的路径

《Biomass and Bioenergy》：A comprehensive review of biogas production from sugarcane vinasse: Processes, technologies and pathways toward a low-carbon bioeconomy

　　

•利用酒糟作为大规模可再生能源原料生产沼气。
•沼气可通过多种途径提质。
•利用酒糟生产沼气支持循环生物经济。
•与互补原料协同消化可进一步提高沼气产量。
•讨论了物联网、人工智能、机器学习、区块链等数字技术的应用。

引言
从政治经济、地缘政治维度以及国民经济和能源安全角度来看，可再生能源转型的战略重要性显而易见 [1]。由于气候科学、经济机遇和战略要求，可再生能源转型现已成为必要转变 [2]。随着各国继续应对多种竞争需求（包括气候相关挑战、资源限制和能源安全水平下降），可再生能源可能是人类为创建可持续和碳中和能源系统所需的最重大转型之一 [3]。各国认识到，具备开发和利用可再生能源技术的能力将决定其国民经济在未来几十年的发展 [4]。此外，存在可观的经济机遇；率先提供可负担无碳能源的国家和公司将在目前 8 万亿美元的能源行业中获得重大竞争优势 [5]。除了转向可再生能源的环境效益外，这一转型还创造了大量的就业机会和其他经济机遇 [6]。每种可再生能源都有其独特的利弊。例如，使用生物能的可再生能源系统既能提供基荷电力和能源存储能力，又能利用现有基础设施 [[7], [8], [9]]。

甘蔗乙醇产业代表了农业和生物燃料制造过程的重要结合，同时也突显了管理该过程产生的废物的关键挑战。甘蔗（Saccharum officinarum）被认为是世界上产量最高的作物之一，2018/19 年间全球产量超过 19 亿吨。生产主要由巴西、印度、中国和泰国以及巴基斯坦主导 [10]。乙醇生产会产生酒糟（通常称为废液或酒糟），这是乙醇蒸馏产生的主要液体废弃物。每生产一升乙醇会产生 10-15 升酒糟 [11]，使其成为体积巨大且高度集中的废物流。如果酒糟未得到适当处理或处置，它有可能对当地环境造成严重的负面影响，包括地表水和地下水体的污染、土壤酸化、水体富营养化以及温室气体（GHGs）排放增加 [12]。这就是为什么许多研究人员将厌氧消化（AD）确定为处理酒糟的环保且具有成本效益的方法 [[13], [14], [15], [16]]。除了降低污染水平外，厌氧消化还能产生沼气，这可以作为清洁可再生能源的来源 [[17], [18], [19], [20]]。

循环经济是一种具有经济变革意义的模式，旨在提高自然资源利用率，减少废物并降低环境影响 [21]，它也消除了“获取 - 制造 - 处置”的概念，而是在可行的情况下将产品或材料保留在闭环中，以限制废物和污染的产生，目的是再生自然系统 [22]。沼气技术已被证明对联合国 17 项可持续发展目标（SDGs）中的 12 项做出了贡献；最主要的是目标 7（经济适用且清洁能源）；目标 13（气候行动）；目标 5（性别平等）和目标 8（体面工作和经济增长）[23]。沼气生产为超过 26 亿无法获得清洁烹饪燃料的人面临的能源获取挑战提供了直接解决方案；因此，与传统生物质能和基于化石燃料的能源相比，沼气技术提供了负担得起且可持续的替代能源来源 [24]。除了提供能源外；沼气系统还可以提供有效的废物管理实践；通过减少温室气体排放量来改善农业生产率并缓解气候变化 [25]。此外，在可持续能源系统中使用农业残留物衍生的沼气在减少温室气体排放方面具有相当大的潜力 [25,26]。厌氧消化效率和产量的进步将进一步促进环境可持续性目标的实现 [27]。沼气采用在家庭层面产生了一系列社会福利效益，包括能源支出减少、由于室内烹饪环境质量改善而带来的健康改善、可用时间增加（特别是对女性和儿童而言），以及通过出售沼液和/或剩余能源产生的新就业机会 [28]。例如，埃塞俄比亚农村社区采用的沼气系统通过创造就业、提高农业生产率以及几个可持续发展目标之间的协同作用在经济上做出了贡献 [29]。沼气技术面临几个障碍，包括：初始投资成本；缺乏关于沼气系统设计/操作/维护的技术知识；政策支持不足以及由于维护问题导致的与可靠性/可持续性相关的性能特征不佳 [30]。此外，沼气 - 太阳能混合电力系统可能潜在地提供额外途径，以改善基于沼气的能源系统的经济可行性和性能特征 [31]。不断增长的文献计量数据表明，相对于各种可持续发展目标，科学界对沼气技术的兴趣日益增加 [32]。?dek 等人 [33] 估算了工业规模中温条件下从酒糟中产生的生物甲烷，代表了酒糟符合循环经济原则的工业规模生物甲烷生产可能性。这些进展表明，人们越来越认可酒糟沼气是可持续生物炼制过程的重要组成部分 [[33], [34], [35]]。在甘蔗生物炼制厂中使用酒糟沼气既支持循环经济模式，也支持低碳生物经济模式 [36]。厌氧消化期间产生的沼气可以通过热电联产（CHP）系统提供电力和/或热量。它还可以升级为生物甲烷，可作为车辆燃料或注入天然气网络。此外，它还可以用作化工产品的原料 [37]。

近年来，在优化沼气生产、提高工艺稳定性、提高效率和减少与厌氧消化过程相关的资本支出方面取得了诸多进步。这些进步包括设计优化微生物条件的反应器、使用两级消化系统处理酒糟、将酒糟与其他性质互补的材料协同消化、在消化前对酒糟进行预处理，以及在消化器污泥中补充微量营养素以提高消化性能 [12,[38], [39], [40]]。此外，生命周期评估（LCA）研究表明，从酒糟中衍生的沼气比燃烧化石燃料在减少温室气体排放方面具有显著优势。此外，产生碳信用的能力可能会增强从酒糟生产沼气的经济可行性 [41,42]。

尽管厌氧消化提供了许多优势，但目前仍有一些因素阻碍了酒糟沼气系统的大规模采用 [43]。例如，酒糟中存在的高水平硫会导致硫酸盐还原菌（SRBs）生长，从而产生 H2S。硫酸盐还原菌可以抑制产甲烷菌并腐蚀设备 [44]。此外，如果挥发性脂肪酸（VFA）形成速率过快，则消化器的 pH 值将变为酸性，需要仔细管理 pH 值和碱度 [45]。最后，由于酒糟是根据甘蔗收获时间表季节性产生的，这使得维持全年一致的消化器运行变得复杂，并需要制定管理基质可用性的策略 [12,46]。从小规模实验室和试点规模实验扩大到更大规模的工业应用，会带来额外的技术、经济和监管障碍，需要进行系统评估 [47,48]。

本综述文章通过讨论酒糟的物理化学特性、厌氧消化过程中发生的生化反应、用于处理酒糟的各种类型厌氧反应器、将沼气升级为可用形式的现有技术、将酒糟沼气生产整合到生物炼制模型背景中、近期技术创新，以及评估从酒糟生产沼气的环境经济影响（如图 1 所示），汇集了关于甘蔗酒糟生产沼气的现有知识。

除了先前的关于酒糟作为沼气底物的综述中包含的关于厌氧消化过程和反应器技术的基础内容 [10,49] 外，本综述通过以下内容提供了额外的覆盖：
(i) 沼气升级技术的最新进展，这些技术已在不同操作规模级别下基于技术可行性和成本绩效进行评估；
(ii) 评估新兴数字技术（包括物联网、人工智能、机器学习）在改进过程监测和优化方面的应用；
(iii) 考虑完整的酒糟生物炼制系统的所有方面，包括整合微藻作为共产品来源以及从酒糟废物流中回收养分；和
(iv) 在不同监管框架下对环境经济评估的更新，包括碳信用。

本研究将与最近两项关于甘蔗酒糟厌氧消化的广泛研究明显区分开来。Parsaee 等人 [10] 评估了各种反应器配置和影响其操作的工艺变量，以及上流式厌氧污泥床（UASB）反应器操作中涉及的基本生化过程。然而，他们没有考察与沼气升级路径选项相关的成本效益，也不关注使用数字监测技术优化沼气生产，或巴西以外的国际沼气生产政策框架。Kiani 等人 [49] 通过检查将酒糟整合到位于巴西的生物炼制系统中的技术和经济可行性，扩展了评估。与 Parsaee 等人 [10] 类似，然而，Kiani 等人 [49] 没有评估所有可用的沼气升级技术选项，也没有评估用于酒糟沼气系统实时监测/优化的新兴基于机器学习的数字技术。此外，Kiani 等人还将重点局限于仅对巴西的沼气生产监管政策框架进行检查。本研究通过评估以下内容，确定并解决了上述研究缺口：
(a) 使用变压吸附（PSA）、水洗（WS）、化学洗涤（CS）和膜分离（MS）的每个主要商用沼气升级选项在三种不同规模操作中的相对性能；
(b) 优化酒糟沼气生产的新兴数字技术；
(c) 包括巴西、印度以及亚洲和非洲其他新兴产糖国家的全球视角；和
(d) 对与酒糟沼气生产相关的环境影响和经济收益的最新评估，特别考虑 2020 年至 2025 年间碳信用定价机制和监管要求的变化 [7,10,48]。

章节片段
全球甘蔗生产和分布
甘蔗被认为是世界上最重要的商业作物之一，因为它在许多热带和亚热带国家进行商业种植，用于生产糖和乙醇。全球甘蔗年产量随时间稳步增加，目前约为每年 19 亿吨，全球用于该作物的面积约为 2600 万公顷 [10]。巴西是甘蔗的主要生产者，占近

成分和关键参数
表 1 说明了甘蔗酒糟典型的物理和化学特性 [[62], [63], [64], [65], [66]]。图 4 提供了一种插图，比较了酒糟和各种常见底物之间的沼气成分和甲烷产量的一些方面，表明了酒糟在整体沼气原料阵列中的位置。需要注意的是，硫酸盐水平升高导致硫酸盐还原菌（SRB）活性增加；这导致 H2S 产生并导致产甲烷抑制，

基本原则和四阶段过程
生化复杂的厌氧消化过程涉及众多微生物种群，它们在没有氧气的环境中依次分解各种类型的有机物质。这些微生物在过程结束时产生沼气（甲烷和 CO2）和稳定的消化液。厌氧消化涉及四个阶段，包括水解、酸化、产乙酸和产甲烷。这些阶段中的每一个都包括具有非常特定功能和偏好的不同微生物群体。

酒糟的典型甲烷产量
高速厌氧消化系统（如 EGSB 和 AFBR）可以产生与 UASB 反应器相似或略高的甲烷产量，同时通过增加允许的有机负荷率（OLRs）提供更大的体积沼气生产潜力 [49]。表 3 列出了酒糟厌氧消化的典型沼气成分，并与各种应用的生物甲烷规格进行了比较。

影响沼气产量的因素
决定沼气质量的最重要因素是原料类型及其分解程度。这取决于几个因素，例如

沼气升级技术
变压吸附（PSA）：利用 PSA 在高压（4–10 巴）下将 CO2 选择性吸附到分子筛或活性炭上，产生纯度大于 95-98% 甲烷的纯化生物甲烷 [49]。PSA 技术的主要优势包括能够回收多达 95-98% 的甲烷，维持非常高的纯度水平，并实现相对较低的运行成本。

然而，它确实存在一些缺点，包括需要大量初始资本。

资源综合回收

沼液生物精炼厂概念超越了仅生产沼气的范围，还包括在循环经济框架下综合回收能源、营养物、水和增值产品[11,142]。它采用整体方法，通过多个收入来源最大化资源利用效率，减少环境影响并提高经济可行性[11,48]。沼液生物精炼厂系统的一些主要组件包括：
○ 用于沼气生产和有机物稳定的厌氧消化（AD）。

温室气体减排潜力

利用沼液进行厌氧消化并回收沼气代表相对于传统管理实践和化石燃料的温室气体减排，后者对气候变化减缓和低碳经济作出贡献[37,41]。温室气体效益与几种机制有关：
○ 避免在开放储存池或非受控分解过程中产生的甲烷排放。
○ 利用沼气作为电力、供热或车辆燃料时替代化石燃料。
○ 避免使用合成

研究空白和未来方向

虽然关于沼液-沼气系统已完成大量研发工作[7]，但仍存在许多知识空白和研究需求，如图6所述。物联网传感器、人工智能、机器学习和区块链等数字技术为增强过程监控、预测性维护、供应链优化和碳信用验证提供了机遇[39,123]；这些数字技术与沼液-沼气系统的整合可能使

结论

本文回顾了沼液的化学成分和经过厌氧消化处理的沼液的物理化学特性，并比较了用于沼液处理的各类反应器，例如UASB、CSTR、AFBR、AMBR和两级反应器，同时评估了这些反应器在不同条件下运行时的表现。这些评估研究还回顾了最先进的沼气技术

CRediT作者贡献声明

Akshay Jain：撰写—初稿、方法论、形式分析、数据整理、概念化。Usama Ahmed：撰写—审稿与编辑、可视化、形式分析。Imran Shakir：撰写—审稿与编辑、形式分析。

数据可用性

数据可按需提供。

致谢

作者感谢法赫德国王石油和矿业大学跨学科氢技术和碳管理中心（IRC-HTCM）通过项目编号INHT2610为本工作提供的资金支持。作者还感谢使用ChatGPT和Grammarly工具进行语言编辑。

Akshay Jain|Usama Ahmed|Imran Shakir