通过厌氧共消化甘蔗渣和纳皮尔草协同提升生物甲烷产量：底物比例、接种剂负荷及动力学行为的影响

《Biomass and Bioenergy》：Synergistic enhancement of biomethane production through anaerobic co-digestion of sugarcane bagasse and napier grass: Effects of substrate ratio, inoculum loading, and kinetic behaviour

协同利用甘蔗渣与高羊茅提升生物甲烷产量的研究通过优化配比和接种体比例，证实40:60的BG:NG混合比例在S/I=0.5时产甲烷效率最高达203.5 mL/g-VS。

　　

Nidhi Chhabra Talreja | Jaydeep Pandit | Ajay S. Kalamdhad

印度古瓦哈提理工学院（Indian Institute of Technology Guwahati）土木工程系，古瓦哈提，781039，阿萨姆邦，印度

摘要

有效利用农业工业废弃物对于推动生物基产业的发展、确保能源的可持续性和加强废物管理至关重要。甘蔗渣（BG）是糖业产生的纤维副产品，尽管其资源丰富且富含碳，但仍未得到充分利用。本研究探讨了将甘蔗渣与纳皮尔草（NG）这种生长迅速的多年生能源作物进行协同消化的方法，以提高沼气产量并建立可持续的废物转化为能源的途径。通过批次生化甲烷潜力（BMP）测试优化了原料混合比例（FMR）和底物与接种物比例（S/I），同时利用伪一级反应模型和改良的Gompertz模型对降解行为和甲烷生成动态进行了动力学分析。最佳比例为40:60（BG:NG），在S/I比为0.5时，甲烷产量达到203.5 mL CH₄ g^?1 VS_added，同时协同消化性能指数（CPI）也达到最高，表明两者之间存在显著的协同效应。与单独消化相比，协同消化提高了水解效率、降解动力学和整体甲烷产量。本研究的结果凸显了利用甘蔗渣和纳皮尔草生产沼气的潜力，为将糖业废弃物转化为可再生能源提供了策略。

引言

预计到2050年，全球能源需求将翻一番[1]。根据IRENA的1.5°C目标，到2050年可再生能源在能源结构中的占比将增加至77%[2]。在现有的可再生能源选项中，风能和太阳能光伏已面临间歇性问题，而沼气则提供了一个有前景的解决方案，尤其是在资源丰富的印度。沼气支持联合国17项可持续发展目标（SDGs）中的12项，并促进了可持续农业[3]。含甲烷量达90%的压缩沼气（CBG）在向以气体为基础的经济转型中可发挥重要作用，通过增强能源安全（替代液化天然气进口）和减少二氧化碳及甲烷排放来实现这一目标。印度是全球主要的甘蔗（Saccharum officinarum）生产国，因此甘蔗渣（BG）作为丰富的农业工业废弃物，具有巨大的沼气生产潜力（图1）。提取甘蔗汁后，会留下一种名为甘蔗渣的纤维残余物，它是纤维素和半纤维素的宝贵来源，可用于生产生物燃料。然而，这种副产品往往被忽视，通常仅用于热电联产。这不仅对环境造成威胁，还会通过排放颗粒物、一氧化碳和未燃尽的碳氢化合物损害呼吸健康[4]。另一方面，甘蔗渣可贡献印度总沼气潜力的约五分之一[5]。因此，通过厌氧消化从甘蔗渣中提取能源是一个更好的选择。尽管甘蔗渣资源丰富，但其间歇性供应和高碳氮比（C/N ratio）限制了单独消化的效果。协同消化可以平衡单一底物消化所需的营养元素（碳和氮）。然而，协同消化的底物不仅需要补充这些营养元素，还需解决甘蔗渣供应不稳定的问题。虽然甘蔗渣主要在同一糖厂设施中用于热电联产[6]，但本研究特别关注了那些未被充分利用或利用率较低的甘蔗渣。纳皮尔草（Pennisetum purpureum）是一种碳氮比在20-30范围内的多年生草本植物，通常被认为是厌氧消化的理想选择[7,8]。它被称为“能源草”，因其作为可再生原料的生产潜力而受到重视，这种植物产量高（约87吨/公顷），其营养成分有利于微生物生长并产生甲烷[9]。研究表明，与另一种能源草如柳枝稷和芒草相比，纳皮尔草的产量更高[10]。因此，通过与纳皮尔草协同消化可以解决甘蔗渣供应不稳定和高碳氮比的问题。目前尚未充分研究沼气产量与系统参数之间的关系，需要进一步的研究来全面理解这些因素之间的协同作用。少数研究探索了利用甘蔗渣生产沼气的潜力，结果显示与单独消化藻类相比，协同消化可产生约101-145 mL CH₄/g-VS的甲烷[11]；预处理后的甘蔗渣则可产生200 mL/kg VS_added的甲烷[12]。还有一些研究探讨了纳皮尔草的沼气潜力，例如一项关于大象粪便与预处理纳皮尔草协同消化的研究显示，累计甲烷产量最高可达234.8 ± 5.9 mL-CH₄/g-VS，相比对照组提高了99.2%[13]；另一项研究显示，热处理后的纳皮尔草使用可提高14%的甲烷产量（25.6 mL CH₄/g-底物）[14]。

在所有已发表的研究中，关于间歇性供应的甘蔗渣与能源草协同消化的研究仍存在空白，这种组合可以同时解决季节性和单一底物营养不足的问题。虽然甘蔗渣和纳皮尔草各自的厌氧消化特性已有研究，但不同原料混合比例（FMR）和底物与接种物比例（S/I）下的系统协同消化研究仍不够充分。本研究评估了这些相互作用，以确定优化甲烷产量和过程稳定性的最佳比例。除了气体产量外，还监测了所有协同消化条件下的可溶性COD、VFA和VS行为，以阐明协同或抑制效应的机制。这有助于解释为什么某些原料混合比例在底物组成有利的情况下仍表现不佳，为类似研究提供了更深入的生化分析。因此，本研究的目标是找到甘蔗渣与多年生纳皮尔草协同消化的最佳FMR、S/I比例和甲烷产量。这将有助于了解通过甘蔗渣等农业工业废弃物与多年生纳皮尔草协同消化所能实现的最大甲烷产量，并进一步深入理解两者在厌氧消化过程中的协同作用。

部分内容摘录

原料和接种物

本研究中的甘蔗渣来自印度古瓦哈提理工学院（IITG）Disang和Lohit宿舍的果汁中心。同时，纳皮尔草（Pennisetum purpureum）从古瓦哈提畜牧局采集。纳皮尔草的叶片与茎的平均重量比为64:36。样品制备时按此比例添加了叶片和茎。为了制备样品，原料被研磨（使用Philips设备）。

原料和接种物的特性

表2展示了甘蔗渣、纳皮尔草和接种物的近似参数、最终参数以及成分分析（木质素、纤维素和半纤维素）的结果。厌氧消化过程中需要考虑的最重要因素包括水分含量（M.C.）、碳氮比（C/N ratio）和挥发性固体（VS%）[32]。甘蔗渣、纳皮尔草和玉米秸秆（CD）的湿基VS百分比分别为46.7%、23.8%和12.8%，表明它们适合用于沼气生产。由于玉米秸秆的VS百分比较低，这表明其适合用于沼气生产。

结论

本研究系统评估了在不同原料混合比例下甘蔗渣和纳皮尔草的厌氧消化性能，以评估它们的沼气产量和生物降解特性。当S/I比为0.5时，40:60（BG:NG）的混合比例产生了最高的甲烷产量203.5 mL/g-VS_added；在S/I比为1.5和2.5时，甲烷产量分别为108.5 mL/g-VS_added和68.6 mL/g-VS_added。40:60（BG:NG）的混合比例表现出最佳效果。

CRediT作者贡献声明

Nidhi Chhabra Talreja：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、软件应用、方法论设计、数据分析、概念构建。Jaydeep Pandit：方法论设计、数据分析、数据管理。Ajay S. Kalamdhad：撰写 – 审稿与编辑、实验指导、数据分析。

利益声明

本研究未获得任何公共、商业或非营利性资助机构的特定资助。

致谢

作者感谢印度古瓦哈提理工学院（印度阿萨姆邦）土木工程系及农业与农村技术学院的Induchoodan TG先生、Prakash Singh先生和Ashmita Kundu女士在研究过程中提供的宝贵意见，这些意见有助于提高手稿的质量。