水热预处理与水热炭添加对不同生物质厌氧消化性能的协同增强作用及其对碳中和的贡献

本研究针对生物质厌氧消化（AD）效率低、底物特异性强的问题，系统探讨了水热预处理（50–150?°C）与水热炭（2.5–10%）添加对草类青贮（GS）、淀粉类残渣（SR、LCR）和废油（WO）的甲烷产率影响。结果表明，150?°C预处理显著提高GS甲烷产量，但抑制淀粉类底物消化；而源自消化渣的水热炭（HD）因高比表面积、灰分含量和电导率表现优异。最优水热炭添加比例（GS和LCR为5%、SR为2.5%、WO为5%）可提升甲烷产率（如GS提高19.2%），并促进早期产甲烷。该研究为底物特异性预处理策略及沼气厂向净零排放转型提供了关键理论和实践依据。

　　

在全球能源结构转型与碳中和目标推动下，生物质能源的高效转化与利用已成为研究热点。泰国设定了2065年实现净零排放的目标，并计划在2037年将可再生能源占比提升至30%。厌氧消化（Anaerobic Digestion, AD）作为一种将有机废弃物转化为沼气的重要技术，在实现能源可持续性和废弃物管理方面具有巨大潜力。然而，AD的实际应用仍面临诸多挑战，例如底物降解效率低、消化过程不稳定、甲烷产率受底物特性影响大等。尤其是以象草（Napier grass）为代表的木质纤维素类生物质，虽纤维素和半纤维素含量高，但高木质素含量限制了微生物水解，导致消化过程缓慢、甲烷产率不理想。此外，泰国每年产生大量淀粉类废弃物（如变质米饭SR、剩饭LCR）和废油（WO），若不能有效利用，不仅造成资源浪费，还可能引发环境问题。

为提升AD效率，水热预处理（Hydrothermal Pretreatment）被广泛研究。该技术通过中低温（50–150°C）处理破坏生物质结构，使纤维素和半纤维素降解为易于利用的单糖和有机酸，从而提高生物降解性。另一方面，近年来，碳质添加剂（如生物炭、水热炭）也被引入AD系统，通过促进直接种间电子传递（Direct Interspecies Electron Transfer, DIET）、增强微生物附着和代谢活性，进一步优化产甲烷过程。然而，水热预处理与水热炭的联合应用效果尚不明确，其影响是否具有底物依赖性、最佳工艺参数如何，仍需系统探究。

在此背景下，由Apatsorn Khongyarit、Navadol Laosiripojana、Santhana Krishnan、Sucheewan Yoyrurob和Boonya Charnnok组成的研究团队，在《Biomass and Bioenergy》上发表了一项研究，系统评估了水热预处理与水热炭添加对多种生物质AD过程的协同影响。研究不仅揭示了预处理效果的高度底物依赖性，还明确了水热炭在促进早期产甲烷和实现碳固存方面的双重作用，为沼气工程的优化运行与碳中和路径提供了重要依据。

在研究过程中，团队运用了几项关键技术方法：首先，通过水热碳化（Hydrothermal Carbonization, HTC）在265°C、60分钟条件下制备了两种水热炭——一种来自消化渣（HD），另一种来自银合欢残渣（HL），并系统表征其理化特性（如比表面积、孔隙结构、电导率、元素组成等）；其次，针对GS、SR、LCR三类生物质，设置了50°C、100°C、150°C三个水热预处理梯度，分析了处理后的液体成分（糖类、有机酸、呋喃醛等）；最后，通过生化甲烷潜势（Biochemical Methane Potential, BMP） assay，在35°C下进行35天（WO延长至58天）的批次消化实验，监测甲烷产率、动力学参数（采用修正Gompertz模型拟合），并结合统计分析与仪器检测（HPLC、SEM、FTIR、BET等）揭示机理。实验所用底物和接种污泥均来自泰国本地实际场景（如棕榈油厂废水处理污泥），增强了结果的实践可靠性。

研究结果部分通过多个维度展开：

3.1. 水热预处理对厌氧消化的影响

结果显示，水热预处理的效果高度依赖底物类型。对于草类青贮（GS），随着预处理温度从50°C升至150°C，甲烷产率显著提高30.5%，这源于半纤维素和纤维素的降解，使得木糖、葡萄糖和乙酸等易利用物释放，促进了酸形成和乙酰化途径。相反，对于淀粉类底物（SR和LCR），高温预处理（150°C）反而抑制了甲烷产量，因为产生了呋喃醛和5-HMF等微生物抑制剂，且已凝胶化的淀粉结构阻碍了有机碳溶出。未预处理的废油（WO）表现出最高的甲烷产率（507.61 L CH₄/kg VS），但消化滞后时间（λ）较长，反映了脂质水解的缓慢特性。

3.2. 水热炭添加剂在预处理生物质厌氧消化中的比较

研究发现，添加10%水热炭（尤其是HD）可显著缩短所有底物的产甲烷滞后阶段，促进早期甲烷生成。HD因具有更高的比表面积（27.23 m²/g）、电导率（8.21 mS/cm）和丰富的孔隙结构及表面官能团（如羧基、酚基），在促进DIET和微生物附着方面优于HL。HD还含有Fe、Ca、Mg等元素，可通过氧化还原循环和离子桥接增强电子传递和微生物活性。然而，与预处理联合应用时，虽然加速了早期产甲烷，但35天累积甲烷产量反而降低，可能与抑制剂累积和微生物途径改变有关。

3.3. HD水热炭用量对厌氧消化行为的影响

通过比较2.5%、5%和10%的HD添加比例，研究确定了最优用量：GS和LCR为5%、SR为2.5%、WO为5%。在此条件下，GS和LCR的甲烷产率分别提升19.23%和7.37%，SR和WO的产量也得到维持。过高用量（如10%）会导致累积产量下降，原因可能是微量元素过量抑制了乙酰化产甲烷菌活性，或引入了多环芳烃等副产物。研究建议实际操作中可采用两种策略：一是在配备预处理设施的厂中，仅对GS采用150°C预处理；二是在注重碳固存的场景中，直接使用优化比例的水热炭添加，无需预处理。

3.4. 厌氧消化与自然碳固存途径

基于HD的固定碳含量（23.1%），研究估算每吨干生物质通过水热炭添加可实现至少5.8 kg的长期碳固存。消化渣与水热炭混合后可直接作为土壤改良剂，无需担心植物毒性，从而将能源生产与碳固存结合，支持沼气厂向净零排放转型。

研究结论强调，水热预处理与水热炭添加的联合应用需根据底物特性优化。预处理对GS有效，但对淀粉类底物不适用；水热炭添加则可普遍提升或维持甲烷产量，且HD优于HL。最优添加比例（GS和LCR为5%、SR为2.5%、WO为5%）在提升能源回收的同时，促进了碳循环与固存。该研究不仅为底物特异性预处理策略提供了理论依据，还推动了沼气工程从单一能源生产向综合环境效益系统的转型，对实现可再生能源目标和碳中和具有重要实践意义。