在厌氧消化过程中，挑战传统的温度范围：中等温度（45°C）通常被认为是最佳温度，但其性能表现会受到底物类型的影响，与嗜温条件（35°C）和嗜热条件（55°C）存在差异

《Bioresource Technology》：Challenging conventional temperature ranges in anaerobic digestion: intermediate (45?°C) as general optimum with feedstock-dependent performance differences from mesophilic (35?°C) and thermophilic (55?°C) conditions

厌氧消化温度优化研究采用45℃中间温度，对比35℃和55℃条件下易降解与高木质素含量两种能源作物原料的产甲烷量、过程稳定性和污泥流变学特性，发现45℃在易降解原料中实现最高产气量与最佳稳定性，而高木质素原料产气量相近但污泥更粘稠，验证了温度效应的原料依赖性，提出45℃作为通用最优温度。

　　本研究挑战了传统观念，即厌氧消化（Anaerobic Digestion, AD）仅在中温（35–40?°C）和高温（50–60?°C）条件下才能达到最佳性能。通过系统评估在中间温度45?°C下进行的AD过程，使用两种具有不同可消化性的基于能源作物的原料，研究发现这一温度在某些情况下可能更优。研究结果表明，对于易于生物降解的原料，45?°C的消化过程能产生最高的甲烷产量，并表现出更优越的过程稳定性。而对于富含木质纤维素的原料，虽然在三个温度条件下甲烷产量相似，但消化残渣的粘度在较低温度下更为显著，尤其是在低温条件下。原料组成对系统韧性和挥发性脂肪酸（Volatile Fatty Acids, VFAs）积累有重要影响，其中易于降解的原料对温度变化更为敏感。整体来看，研究发现温度对AD的影响是原料依赖性的，45?°C可能是一个普遍的最优温度，它能够提供更高的能量效率、更稳定的过程以及更有利的流变特性。这些发现为优化全规模AD系统提供了实用的指导，通过针对不同原料的温度控制策略，可以提高整体性能。

厌氧消化是一种成熟的技术，能够将有机废弃物和生物质转化为沼气。2023年，欧洲已有近20,000座沼气发电厂在运行，而到2030年，生物沼气的产量预计将达到350亿立方米，相当于2022年欧洲天然气需求的约6%。随着厌氧消化产业的持续增长，它不仅有助于能源多元化，还增强了能源安全，并在实现净零排放目标方面发挥着重要作用。在众多可用于厌氧消化的原料中，能源作物在这一增长过程中扮演了特别重要的角色。能源作物因其高甲烷产量、稳定的质量、易于处理以及符合法规要求，成为许多全规模沼气发电厂的首选原料。特别是在欧洲，大约50%的沼气发电厂依赖于能源作物。在英国，玉米贡献了约70%的基于作物的原料，其次是小麦和草（各约10%）。然而，特定沼气发电厂选择原料时，通常会考虑当地的原料供应情况、成本以及获取策略，这些因素反过来又会影响能量效率和过程稳定性。

温度是厌氧消化过程中的一个关键操作参数。传统上，中温（35–40?°C）和高温（50–60?°C）范围被广泛采用。每个温度范围都有其独特的优缺点。高温消化可以提高生物降解速率、甲烷产量以及病原体灭活效率，但需要更多的能量用于加热，并且容易受到氨抑制和过程不稳定的影响。相比之下，中温消化则提供了更高的过程稳定性以及更低的能量需求，但其甲烷产量较低，病原体去除效果也较弱。对于中间温度范围（40–50?°C），通常被认为是次优的，但这一观点缺乏实证支持，正如Lindorfer等人（2008）所指出的。实际上，许多基于能源作物的厌氧消化系统运行在这一中间温度范围内，这往往不是有意为之，而是由于能源作物自身的高能量密度、碳水化合物的放热性降解以及高有机负荷率等特性，使得系统自然维持在这一温度区间内。早在2005年，奥地利就有50%的沼气发电厂运行在中间温度范围内。在英国，使用能源作物或食品废弃物的沼气发电厂也经常运行在40–50?°C的温度区间内。尽管中间温度的应用日益增加，但系统性和深入的研究仍较为缺乏，以确定中间温度是否真的提供了更好的性能优势，或者仅仅是由于在实际操作中更容易控制温度而被采用。

一些研究表明，温度对厌氧消化的影响是原料依赖性的。例如，55–60?°C的高温条件可以提高木质纤维素废弃物的甲烷产量，但可能在启动阶段引发过程不稳定。相比之下，35–40?°C的中温条件更适合牛粪的消化，而略低的中温（30–34?°C）则更适合城市固体废弃物的处理。最近的研究报告指出，在半连续厌氧消化中，45?°C可能是某些原料的最优温度，如牛粪、玉米秸秆以及玉米碎屑。Hubert等人（2019）展示了在45?°C下进行的污水污泥厌氧消化的可行性，这种操作方式不仅节省了能源，还提供了更高的灵活性，同时不会影响甲烷产量和过程稳定性。这些研究结果表明，厌氧消化的最优温度可能因原料类型而异。然而，目前缺乏长期且系统的实验，以探讨不同原料在中温、中间温度和高温条件下的性能差异。此外，原料与温度之间的相互作用对消化残渣流变特性的影响也尚未得到充分研究。

除了技术优化之外，理解不同温度区间下性能、稳定性与能量需求之间的权衡，不仅是一项技术挑战，也是社会经济层面的重要课题。维持消化器温度所需的加热和冷却能量是运营成本的重要组成部分，尤其是在寒冷和炎热的气候条件下。中间温度的操作可能提供一种战略性的平衡，既能降低能量消耗，又能保持较高的甲烷产量和过程稳定性，从而提升经济可行性。此外，优化厌氧消化过程以适应现实中的能源限制，也符合更广泛的社会目标，包括可再生能源的生产、废弃物的高值化利用、碳中和以及循环生物经济的构建。

因此，有必要进一步研究原料组成与温度动态之间的相互作用，特别是在连续运行条件下，原料对过程韧性、挥发性脂肪酸积累以及消化残渣流变特性的影响。此外，还需要确定厌氧消化的最佳温度。为了填补这些研究空白，本研究旨在实现以下目标：第一，系统评估在中温（35?°C）、中间温度（45?°C）和高温（55?°C）条件下甲烷产量、过程稳定性和消化残渣流变特性，以确定厌氧消化的最佳温度；第二，考察从45?°C向35?°C和从45?°C向55?°C的温度变化对系统韧性和适应能力的影响；第三，利用两种具有不同可降解性的基于能源作物的原料，即一种易于生物降解的混合物（原料G）和一种富含木质纤维素的不易降解混合物（原料M），评估原料依赖性的温度响应。据我们所知，这是第一项系统且长期的比较研究，旨在通过两种不同可降解性的能源作物原料，探讨原料组成与中温、中间温度和高温条件下的温度效应之间的关系。此外，本研究还评估了温度和原料类型对消化残渣流变特性的影响，以更好地理解其对消化器混合需求、泡沫形成潜力以及液固分离的影响。

本研究采用了两种不同的能源作物与动物粪便混合物作为半连续厌氧消化实验的原料，分别称为原料G和原料M。原料G的组成（以总固体为基础）为21%的玉米青贮饲料、48%的小麦粒、14%的混合全株燕麦和小麦青贮饲料、11%的草青贮饲料以及5%的猪粪。而原料M则主要由93%的玉米青贮饲料和7%的牛粪组成。这两种原料均来自英国运营中的全规模沼气发电厂。研究还使用了来自英国不同沼气发电厂的厌氧消化污泥作为接种物，以确保实验的代表性。接种物的来源和处理方式对实验结果的可靠性至关重要，因此在实验设计中，我们特别关注了接种物的均匀性和稳定性。

为了评估不同原料在不同温度条件下的生物化学甲烷潜力（Biochemical Methane Potential, BMP），本研究选择了五种不同的原料，包括来自两个不同地点的玉米青贮饲料、小麦粒、全株大麦青贮饲料以及纤维素。这些原料分别在35?°C和45?°C条件下进行实验，并通过拟合实验数据与一级动力学模型以及伪平行一级动力学模型，预测了最终甲烷产量和动力学速率常数（见图1和补充表S3和S4）。研究结果表明，在45?°C条件下，木质纤维素类原料的甲烷产量略有提高，但这一提升是否具有显著性仍需进一步分析。此外，不同温度条件下的动力学参数变化也提供了关于原料降解速率和过程效率的重要信息。

在评估温度对消化残渣流变特性的影响时，本研究重点考察了两种原料在不同温度条件下的残渣粘度变化。研究发现，对于富含木质纤维素的原料，在较低温度条件下，消化残渣的粘度显著增加，这可能对消化器的混合操作和后续处理步骤产生不利影响。相比之下，易于生物降解的原料在45?°C条件下的残渣粘度较低，且表现出更好的流变特性，这有助于提高消化器的操作效率和稳定性。此外，残渣粘度的变化还可能影响泡沫形成和液固分离的难度，这些因素在实际沼气发电厂的运行中具有重要意义。

研究还探讨了温度变化对系统韧性和适应能力的影响。通过模拟从45?°C向35?°C和从45?°C向55?°C的温度过渡，研究人员能够评估系统在不同温度条件下的响应能力。结果表明，系统在温度变化过程中表现出不同的适应性，其中某些原料对温度波动更为敏感，而另一些则表现出较强的韧性。这一发现对于优化沼气发电厂的运行策略具有重要指导意义，特别是在需要频繁调整温度的情况下，例如在不同季节或不同原料供应条件下。

在分析过程中，研究还发现，原料的可降解性是影响温度效应的关键因素。易于生物降解的原料在45?°C条件下表现出更高的甲烷产量和更好的过程稳定性，而富含木质纤维素的原料则在高温条件下表现出更高的降解速率，但在中温和低温条件下则更容易受到氨抑制和过程不稳定的影响。因此，原料的可降解性不仅决定了其在不同温度条件下的性能表现，还影响了系统的整体稳定性。

此外，研究还关注了温度变化对沼气发电厂运营成本的影响。维持消化器温度所需的加热和冷却能量是运营成本的重要组成部分，尤其是在气候条件较为极端的地区。通过优化温度控制策略，可以在降低能耗的同时保持较高的甲烷产量和过程稳定性，从而提高沼气发电厂的经济可行性。这一发现对于推动厌氧消化技术的广泛应用具有重要意义，尤其是在能源成本较高的地区。

本研究的发现不仅对技术层面的优化提供了指导，也对社会经济层面的决策具有参考价值。通过合理选择原料和优化温度控制策略，可以提高沼气发电厂的效率和可持续性，同时降低运营成本。此外，这些研究成果还可以为政策制定者和行业参与者提供科学依据，以支持厌氧消化技术在不同应用场景下的推广和应用。

总的来说，本研究通过系统评估不同温度条件下厌氧消化的性能，揭示了温度对AD过程的影响是原料依赖性的。45?°C作为中间温度，不仅在某些情况下表现出更优的性能，还可能在提高系统稳定性和降低能源需求方面发挥重要作用。研究结果强调了在实际应用中，需要根据原料特性来选择最合适的温度条件，以实现最佳的甲烷产量和系统效率。此外，对消化残渣流变特性的影响分析也为沼气发电厂的后续处理提供了新的视角，有助于优化整个厌氧消化系统的运行和管理。