综述：木质纤维素生物质厌氧消化的强化技术：关于底物预处理和工艺改进的综述

《Biomass and Bioenergy》：Enhancement techniques for anaerobic digestion of lignocellulosic biomass: a review on substrate pre-regulation and process enhancement

厌氧消化（AD）技术面临木质纤维素结构复杂和转化效率低的问题，需通过预处理（物理、化学、生物）和共消化优化底物，以及过程增强（添加剂、微生物调控、介质注入）提升产气效率。当前技术存在操作难度大、经济性不足和环境影响待解的挑战，需平衡预处理成本与产气收益，优化增强参数以实现规模化应用。

　　

朱晓东|张建武|陈永东|刘振彦|王志

中国安徽省巢湖市巢湖大学生物与环境工程学院/巢湖区域乡村振兴协同技术服务中心，238024

摘要

厌氧消化（AD）是一种出色的可持续生物质利用技术，能够将富含甲烷的沼气转化为可利用的能量。然而，由于木质纤维素结构紧密以及厌氧消化过程复杂，导致生物质转化为甲烷的效率受到限制。为了提高厌氧消化的性能和增加甲烷产量，人们研究了多种增强技术。本文全面回顾了这些增强技术，并分析了它们的理论基础、应用方法、优势及面临的挑战。根据不同的分类方式，这些技术可以分为底物预处理（如预处理技术和厌氧共消化）和厌氧消化过程增强（如固体添加剂、微生物强化和介质注入）。目前，这些增强技术已显示出显著的效果，但在操作难度、经济效益和环境效益方面仍存在相应挑战。对于底物预处理技术而言，需要评估甲烷产量的增加与预处理带来的额外成本（能耗、时间、劳动力和经济成本）之间的平衡。对于厌氧消化过程增强技术，则需要进一步改进增强参数的精确控制和经济可行性，以便实现大规模应用。本文的主要发现和成果可以为提升厌氧消化性能提供参考。

引言

全球能源危机因人口快速增长而加剧，给世界各国带来了严峻挑战，尤其是发展中国家。每年产生的秸秆量超过5.5亿吨，为厌氧消化（AD）的应用提供了可持续的基础[1]。厌氧消化作为一种环境友好的生物质转化技术，以其成本效益和沼气生成能力而受到重视[2,3]。该技术不仅解决了废物管理问题，还将农业废弃物转化为可再生能源，同时减少了能源短缺，并降低了传统秸秆燃烧产生的二氧化碳排放和颗粒物[4]。然而，目前仍存在一些技术障碍，如木质素难以降解、抑制剂积累、甲烷产量有限以及系统稳定性不足等问题，这些因素阻碍了厌氧消化在生物资源回收系统中的广泛应用[5]。

总体而言，木质纤维素生物质厌氧消化的主要障碍在于底物的生物利用度有限以及消化系统效率低下。为此，研究人员对底物预处理和厌氧消化过程增强进行了广泛研究。从底物优化的角度来看，底物预处理和多底物厌氧共消化（co-AD）是主要的预处理方法。近年来，提出了多种物理、化学和生物预处理技术[[6], [7], [8]]。这些预处理方法能够有效破坏木质素的难降解结构，缩短厌氧消化过程的滞后时间，并提高甲烷产量[9]。不同理化性质的底物进行共消化是另一种增强方法，有助于调节消化系统的营养环境并改善微生物群落[10]。在厌氧消化过程中，从固-液-气三个阶段提出了多种增强策略，包括固体添加剂、微生物强化和气体介导技术[11,12]。尽管各种技术都表现出独特的优势，但目前仍缺乏合理的分类和关于挑战及发展方向的综合性综述。

本文全面评估了多种技术在木质纤维素厌氧消化过程中的应用，包括底物预处理（如预处理技术和共消化）和厌氧消化过程增强（如固体添加剂、微生物强化和介质注入），重点分析了各种技术的可靠性、效率、固有局限性和未来前景。具体来说，通过Web of Science和Scopus数据库检索了过去15年（2010–2025年）的相关文献，使用关键词“AD”、“预处理”、“co-AD”、“生物炭”、“增强”、“添加剂”等进行了筛选。经过识别、筛选和资格评估后，系统地对这些文献进行了分类和综合分析，排除了修正、撤回、数据论文和撤销的研究。这些综合研究结果为开发创新的集成策略和潜在的商业应用提供了重要见解，以克服沼气质量提升和过程优化中的关键挑战。

部分内容摘录

木质纤维素生物质的厌氧消化

木质纤维素生物质由纤维素、半纤维素和木质素组成，是替代化石资源用于能源和材料生产的可持续选择[13]。可用于厌氧消化的木质纤维素生物质来源广泛，包括农业和林业废弃物、能源作物、藻类等[14]。厌氧消化通过将木质纤维素中的有机成分转化为沼气（主要是甲烷），提供了一种碳中性的途径

厌氧消化底物的预处理技术

水解速率缓慢是限制厌氧消化效率的主要因素之一。木质纤维素成分之间的天然屏障和交联结构是影响厌氧消化效果的关键因素[18]。预处理的作用是通过破坏木质纤维素的结构来提高转化效率。主要的预处理方法包括物理预处理、化学预处理和生物预处理（图1）。研究表明，这些预处理方法能够显著提升厌氧消化的效果

功能碳材料

功能碳材料（FCM）作为优化厌氧消化系统中甲烷产量的重要添加剂受到了关注。研究表明，FCM能够提高厌氧消化系统的稳定性、促进物种间的电子转移（DIET），并富集特定微生物[69,70]。其高比表面积和多孔结构有助于有效吸附NH₃/NH₄⁺和VFAs，从而抑制局部过氧化现象

挑战

尽管各种增强技术（包括底物预处理和厌氧消化过程增强）已显示出显著效果，但在操作难度、经济效益和环境效益方面仍存在挑战。

对于厌氧消化的底物预处理技术，需要计算甲烷产量增加与额外成本（能耗、时间、劳动力和经济成本）之间的平衡[144]。此外，还需要进一步研究这些技术的实际效果

结论

本文全面评估了多种技术在木质纤维素厌氧消化中的应用，包括底物预处理（如预处理技术和共消化）和厌氧消化过程增强（如固体添加剂、微生物强化和介质注入）。底物预处理技术通过调节底物的基本特性，可以提高底物转化为甲烷的效率。然而，在提高甲烷产量的同时，也需要考虑额外的成本

作者贡献声明

朱晓东：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、方法学研究、实验设计。张建武：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、方法学研究、实验设计。陈永东：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、方法学研究、概念构建。刘振彦：方法学研究、数据整理。王志：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国政府间国际科技创新合作国家重点研发计划（项目编号：2025YFE0109000）、国家自然科学基金（项目编号：52506264）以及巢湖大学创业研究基金（项目编号：KYQD-2023041）的财政支持。