高海拔大麦秸秆的两阶段固态厌氧消化过程，采用消化液液相及氧化钙进行预处理：工艺性能与微生物群落分析

《Renewable Energy》：Two-stage solid-state anaerobic digestion of highland barley straw with liquid fraction of digestate and calcium oxide pretreatment: Performance and microbial community analysis

高原燕麦秸秆在20%-30%固含量下经LFD-CaO联合预处理，显著提升两阶段固态厌氧消化产气效率，缩短甲烷生成滞后期，并揭示Corynebacterium和Methanosarcina主导菌群对代谢调控的作用机制。

　　

王新子|梅宝凡|刘如飞|李秀金|左晓宇|卢学斌|袁海蓉

北京化工大学污染控制与资源回收工程中心，中国北京，100029

引言

近年来，由于迫切需要实现碳中和和能源结构转型，对可再生能源的需求日益增加，这引起了广泛关注。厌氧消化（AD）能够产生可再生的清洁能源——沼气，从而替代化石燃料并实现碳中和目标，以应对气候变化[1]。由于沼气的产气效率高、含水量低且产生的消化残渣较少，固态厌氧消化被认为是处理生物质废物的理想技术，这表明其在经济和工程上具有可行性[2]。特别是农作物秸秆是一种典型的生物质废物，富含木质纤维素且成本低廉[3]。高寒大麦是一种禾本科植物，在青藏高原广泛种植，收获后会产生大量高寒大麦秸秆（HBS）。HBS具有难以被微生物直接降解的木质素和交联结构[4]。因此，适当的预处理对于破坏HBS的复杂结构、提高其生物可利用性至关重要，从而促进有机物的释放，并增强微生物群落在厌氧消化过程中的转化和利用[5]。

据报道，已经提出了多种预处理方法，如物理方法、碱性处理、离子液体及相关策略[6]。其中，生物和化学方法已被证明可以有效破坏木质纤维素生物质的顽固结构并释放可溶性有机物，从而提高厌氧消化系统的沼气产量[7]。近年来，沼气厂的快速发展显著增加了消化残渣中液体成分（LFD）的产量，可能导致环境风险，如异味排放以及地表水、地下水和土壤的污染[8]。然而，由于LFD中含有丰富的厌氧微生物，它可以作为生物预处理剂使用，无需外部接种微生物，减少了环境排放，是一种经济且可持续的策略[9]。不过，这种预处理方法需要较长的时间，导致效率相对较低[10]。氧化钙（CaO）是一种低成本的化学预处理剂，能够破坏原材料的木质纤维素结构并促进复杂有机物的水解[11]。预期LFD和CaO的联合使用可以克服单一预处理的低效率问题，并减少化学预处理过程中产生的抑制性化合物，显示出对HBS预处理的良好潜力。先前的研究表明，CaO-LFD联合预处理比对照组样品的木质素去除率高出21%，甲烷产量高出58%[12]。

上述研究是在湿式厌氧消化条件下进行的。关于固态厌氧消化条件，相关研究相对较少。传统的固态厌氧消化在总固体含量（TS）较高时容易失败，因为系统运行过程中某些参数（如NH₄⁺-N、pH值、挥发性脂肪酸（VFAs）和碱度（ALK）等）会发生变化[13]，因为微生物在同一个反应器中共同存在。在水解、酸化生成和甲烷生成阶段，微生物群落的生长条件差异很大。两阶段厌氧消化通过在不同的反应器中分离酸化细菌和产甲烷古菌，为微生物群落的生长提供了最佳条件。然而，不同TS含量下两阶段固态厌氧消化的可行性和有效性仍不甚明了，酸化生成和甲烷生成阶段的性能及微生物群落特征也尚未进行系统比较。

总之，进行了批处理实验，以评估不同TS含量（20%、25%和30%）对HBS两阶段固态厌氧消化的影响。将LFD-CaO联合预处理与不同水平的CaO添加量（2%、4%、6%和8%）应用于HBS，以确定最佳策略。建立了一个改进的Gompertz动力学模型来评估甲烷产量和启动时间。详细评估了LFD-CaO预处理下系统稳定性、微生物群落结构以及酸化生成和甲烷生成阶段的代谢功能响应。本研究提出了一种可行的HBS LFD-CaO预处理策略，提高了厌氧消化性能，填补了高固体含量两阶段厌氧消化研究的空白，并加深了对相关微生物机制的理解，为工业应用提供了宝贵参考。

部分内容摘录

底物和接种物

HBS来自中国西藏拉萨的大泽农场，自然风干后研磨成20目颗粒。CaO购自上海Macklin生化有限公司。接种物和LFD来自位于中国北京市丰台区的厌氧消化厂的食物废物处理厂。表1展示了底物和接种物的主要特性。

预处理方法

20克总固体含量的HBS被装入工作体积为0.4升的蓝色盖瓶中（总容量0.5升）。向预处理系统中添加LFD

LFD-CaO预处理对酸化性能的影响

图1显示了不同实验组的累积H₂产量、pH值、VFAs、NH₄⁺-N和ALK等关键参数，用于评估酸化性能。如图1A所示，不同实验组的累积H₂产量在8天内为0.04-9.98 mL/gVS。LFD-6%CaO处理组的最大累积H₂产量分别为8.51 mL/gVS和9.52 mL/gVS，比对照组分别高出6.76%和41.67%。在30% TS条件下

结论

研究了LFD-CaO预处理对HBS在20%、25%和30% TS条件下两阶段固态厌氧消化性能和微生物群落的影响。在20% TS条件下，LFD-8%CaO处理组的HBS最高产甲烷量为212.16 mL/gVS，比对照组高出60.87%。LFD-CaO预处理可以提升厌氧消化性能并缩短甲烷生成的延迟阶段。Corynebacterium和Methanosarcina是主要的微生物属。

CRediT作者贡献声明

袁海蓉：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、方法论设计、资金筹集、概念构思。左晓宇：监督、资源协调。卢学斌：监督、资源协调、资金筹集。刘如飞：监督、资源协调。李秀金：监督、资源协调、资金筹集。王新子：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、数据分析、数据整理。梅宝凡：初稿撰写

利益冲突声明

? 作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢中央高校的基础研究基金（编号：JD2505）的资助支持。