《Biomass and Bioenergy》：Evaluation of heat pretreatment, biochar and operational parameters as strategies for improving biomethane production from agricultural feedstock co-digestion
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本研究评估了热巴氏灭菌和生物炭添加对猪 slurry 与颗粒化谷物秸秆共消化过程中生物产甲烷的影响。通过生物化学甲烷潜力（BMP）测试和半连续搅拌罐反应器（SCSTR）分析发现，两种预处理方法在BMP测试中均显著提高甲烷产量，但SCSTR运行中未达统计显著性。操作参数中，有机负荷率（OLR）低于2.4 kgVS/m33时，甲烷产量与BMP测试结果一致。
阿德里亚娜·F·M·布拉加（Adriana F.M. Braga）|皮特·N·L·伦斯（Piet N.L. Lens）|加里·莱昂斯（Gary Lyons）|斯蒂芬·诺兰（Stephen Nolan）
爱尔兰戈尔韦大学（University of Galway），地址：University Road, H91 TK33, 戈尔韦，爱尔兰
摘要
猪肉生产是一个重要的农业产业，通过改善猪粪（PSlu）的管理并采用厌氧消化（AD）技术，可以减少温室气体排放。为了最大化甲烷产量，通常需要将猪粪与其他原料进行共消化，其中稻草是常用的原料。由于稻草的顽固性质，往往需要进行预处理。本研究探讨了猪粪与颗粒化谷物秸秆（PeSt）的共消化过程，并评估了多种提高沼气产量的策略，例如热巴氏杀菌预处理和生物炭添加。通过生化甲烷潜力（BMP）测试和半连续搅拌反应器（SCSTR）实验，评估了这些处理方法对甲烷产量的影响。结果表明，热巴氏杀菌和生物炭添加在猪粪与谷物秸秆共消化过程中提高了沼气产量。然而，在半连续SCSTR操作条件下，这些改善效果未能得到统计学验证。有机负荷率（OLR）的短期波动并未影响甲烷流量（MFR），当OLR低于2.4 kgVS d?1 m?3时，甲烷产量（MY）的中位数为229.4 N-L kgVS?1，这与热巴氏杀菌和生物炭添加条件下的总甲烷产量相当。
引言
需要加大努力来减少农业温室气体（GHG）排放，同时利用可再生能源多样化能源结构。特别是，通过将粪便和污泥作为厌氧消化（AD）的原料，可以利用其产生的消化物作为生物肥料，从而减少排放[1]。因此，利用农业废弃物进行厌氧消化产生的生物沼气是一种替代方案，可以提高可持续能源生产，改善废物管理，并减少温室气体排放。
2022年，仅中国、欧盟和美国这三个最大的猪肉生产国，猪肉产量就超过了8900万吨[2]。Schiavon等人[3]估计，每头猪每年产生的粪便和污泥量为1.32至2.87吨。然而，由于碳氮比不平衡以及污泥单位体积产气量低[4]，猪粪的利用一直未能得到充分实现。通过与稻草共消化，可以克服这一问题，并提高养猪业的温室气体减排潜力[5]。谷物秸秆是一种农业废弃物，与其他木质纤维素材料一样，由于其可发酵糖分含量，具有提高厌氧消化过程中甲烷产量的潜力[6]，同时有助于平衡猪粪的碳氮比。然而，木质纤维素材料的顽固结构需要被破坏，以释放其中的碳水化合物，从而充分发挥其甲烷生产潜力[7]。预处理可以加速厌氧消化器中木质纤维素材料的降解[6]，但需要注意避免产生抑制性物质[6]，并考虑预处理的能源和成本增加问题。因此，应研究低成本的预处理方法，以确保大规模厌氧消化厂的经济可行性。
根据欧盟动物副产品（ABP）法规1069/2009[8]，定义了一种热巴氏杀菌（HeatP）程序，即在70°C下加热1小时，作为减少多供应商提供的ABP对公共健康风险的强制方法。该法规允许在厌氧消化过程开始或结束时进行这种处理。因此，在消化过程之前应用热巴氏杀菌也可以作为一种预处理步骤，无需增加成本，尤其是对于含有木质纤维素材料的共消化混合物。热巴氏杀菌通过去除木质素和半纤维素、增加纤维素水合作用来改善水解效果，类似于Covarrubias-García和Arriaga[6]描述的液态热水预处理方法，但由于温度低和预处理时间短，产生的抑制性物质（糠醛、羟甲基糠醛（HMF）和酚类）较少[9]。Liu等人[10]回顾了多项研究，发现热巴氏杀菌对屠宰场废弃物、污水污泥、猪粪和牛粪沼气产量的提升效果可达30%。
自然发酵过程已被用于利用不同原料中的内源性微生物群来生产适合生产生物氢（bioH2的菌群[[11], [12], [13], [14]]。正如Marchetti等人[4]所展示的，由于猪的杂食性，猪粪也可能成为农业废弃物消化的重要微生物来源。因此，也可以研究将谷物秸秆与猪粪在单独的罐中混合后进行自然发酵过程，作为低成本的预处理方法，因为只需要额外的混合罐。生物发酵可以通过利用微生物的酶系统促进纤维素的降解，从而改善木质纤维素材料的水解效果[6]。
除了预处理外，向厌氧消化系统中添加生物炭也被认为是一种提高消化效率的替代方法[15]。生物炭对厌氧消化过程的好处在于其能够吸附抑制性化合物，支持微生物生长，提供微生物酶活性所需的微量元素，并促进物种间的电子传递（DIET）途径[16]。Huang等人[17]发现，添加8%的玉米秸秆生物炭可以增强挥发性脂肪酸（VFA）的降解，并降低厌氧消化系统中的总氨浓度。Ning等人[18]在以青贮草和牛粪为原料的厌氧消化系统中添加了木屑生物炭，观察到第一阶段水解效果提高了57%，甲烷产量提高了10.2%，第二阶段消化器稳定性也得到了提升。使用来自消化物的生物炭不会与原料竞争，从而避免原材料成本。因此，需要评估利用厌氧消化产生的生物炭来提高木质纤维素材料沼气产量的潜力。
本研究旨在评估通过共消化农业废弃物（即颗粒化秸秆PeSt和猪粪PSlu）来提高沼气产量的策略，这些策略可直接应用于工业厌氧消化厂。通过测试在厌氧消化过程前应用热巴氏杀菌和生物发酵作为低成本预处理方法，研究了提高沼气产量的效果，因为热巴氏杀菌不会产生额外成本，而生物发酵只需要额外的混合罐。虽然生物炭的热解会增加能源需求，但它利用了厌氧消化的副产品，从而避免了原材料成本。调整操作参数是提高不同原料厌氧消化效率的关键手段[19]。因此，评估了有机负荷率（OLR）和原料比例等参数，以进一步优化PeSt和PSlu的消化效果。本研究探讨的上述策略及其潜在益处如图1所示。
为了评估所选策略的效果，使用了生化甲烷潜力（BMP）测试来评估PeSt中微生物群对沼气产量的影响，并将其与热巴氏杀菌（70°C下加热1小时）进行比较。还评估了两种原料共消化混合物（Mix24:1，PSlu:PeSt比例为24:1；Mix12:1，PSlu:PeSt比例为12:1）的沼气产量，以及生物炭作为添加剂的效果。随后，在半连续搅拌反应器（SCSTR）中评估了热巴氏杀菌和生物炭添加对Mix12:1共消化原料沼气产量的影响。最后，使用主成分分析（PCA）评估了操作参数（如OLR以及PSlu:Feed和PeSt:Feed比例）对反应器输出参数（甲烷产量MFR）的影响。
实验部分
接种剂和底物
实验中使用的接种剂来自爱尔兰基尔代尔郡Nurney的一家商业规模厌氧SCSTR，该装置在中温下运行，以食品加工废弃物（PFW）、农业废弃物和食品废弃物为原料。PSlu和PeSt均来自同一工业厌氧消化厂，因为这些原料正在该厂进行沼气生产和升级研究。
为生化甲烷潜力（BMP）测试收集了两批新鲜的接种剂和PSlu。
PSlu和PeSt的共消化：原料预处理、比例及生物炭对BMP的影响
实验A比较了不同的预处理方法对BMP参数的影响。生物发酵预处理方法并未改善厌氧消化过程，导致甲烷产量最低（图2A）。相反，在第二个反应阶段，热巴氏杀菌条件下的甲烷产量略有提高（P增加了9%，Rm增加了14%），与非PT条件相比（表3）。PeSt、PSlu和Mix 24:1的CODSol分别增加了80（±11）%、34（±3%）%和45（±12）%。
结论
本研究验证了以下假设：热巴氏杀菌（70°C，1小时）是使用动物副产品的厌氧消化（AD）工厂的必要条件，而来自消化物的生物炭（5 g L?1）可以改善农业废弃物厌氧消化过程中的沼气产量。
尽管热巴氏杀菌和生物炭添加后生化甲烷产量分别提高了10%和6%，但这些改善效果并未在实践中得到证实。
CRediT作者贡献声明
阿德里亚娜·F·M·布拉加（Adriana F.M. Braga）：撰写初稿、验证、项目管理、研究实施、资金获取、数据分析、概念构思。皮特·N·L·伦斯（Piet N.L. Lens）：撰写、审稿与编辑、验证、监督、资源协调、项目管理、资金获取、概念构思。加里·莱昂斯（Gary Lyons）：资源协调。斯蒂芬·诺兰（Stephen Nolan）：撰写、审稿与编辑、验证、监督、资源协调、项目管理、资金获取、概念构思。
致谢
本研究的成果得到了SFI Industry RD&I Fellowship Programme和Green Generation Ireland Ltd的支持，通过SFI-Industry奖学金计划（授权编号22/IRDIFA/10432）资助。作者感谢Borja Khatabi Soliman Tamayo、Marlee Wasserman、Sandra O'Connor、Andrew Bartle和Alejandra Carolina Villa Montoya（爱尔兰戈尔韦大学）以及Aoife Cahill（Green Generation Ireland Ltd.）在实验室工作期间的帮助和支持。
