Name: 评定一体化厌氧消化和水热碳化对生物能源生产 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-06-15T15:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 34 s
Description: 了解一体化厌氧消化与水热碳化技术如何提升生物能源产量。本研究结合UASS反应器与水热碳化工艺，利用小麦秸秆实现高达70%的综合能量转化效率，为废弃物能源化利用提供新途径。

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本研究由德国联邦教研部资助，项目管理由于利希项目管理公司（PtJ）负责。作者感谢乌尔夫·吕德先生在生物炭实验室提供的技术支持。同时感谢玛丽亚·桑切斯女士和约纳斯·内卡特先生分别在沼气实验室和分析实验室的志愿工作。此外，马塞尔·施密特和安特耶·施密特在视频拍摄与编辑方面所做的宝贵工作也一并致谢。

1. 小麦秸秆的厌氧消化
注意：用于39中的厌氧消化&#160;L UASS 反应器使用长度为 5–65 mm 的原生小麦秸秆碎料作为进料。本实验中，进料的有机干物质含量为 85.9%，粗纤维组分为 46.3%。UASS 反应器由不锈钢制成，配有丙烯酸玻璃观察窗。每个 39 L 的 UASS 反应器均与两个 30 L 的厌氧滤池（AF）组合使用。AF 由透明丙烯酸玻璃制成。反应器系统的示意图如图所示 图2 以及在其他地方描述的建筑设计4. 有关反应器接种和启动的详细信息见其他文献5.
<ol>
	<li>每个厌氧滤池（AF）中装入325个桶状聚乙烯生物膜载体。 
	注意：所用生物膜载体的比表面积为305 m2/m3。</li>
	<li>设置中温与高温反应器的水循环泵，使循环液流速为1.15 L/hr。</li>
	<li>将水浴加热装置设定至目标反应器温度：中温反应器为37 °C，高温反应器为55 °C。</li>
	<li>为UASS反应器每日进料，每个反应器称取120 gFM小麦秸秆（= 99.5 gVS），以实现2.5 gVS/L·天的有机负荷率。</li>
	<li>打开UASS的进料管并取下进料塞。</li>
	<li>将小麦秸秆倒入对角进料管中，并借助进料塞将其推入反应器底部。随后秸秆将上浮至筛网处并形成固相床层。</li>
	<li>清洁密封面以确保其气密性，然后关闭进料管。</li>
	<li>泵持续运行，以1.2 L/hr&#160;的流速将工艺液体输送通过反应器系统（UASS和AF）。</li>
	<li>使用鼓式气体流量计连续测量沼气流量，并将气体储存于20 L的集气袋中。 
	注意：从集气袋引出导管连接至沼气分析仪。在沼气分析仪中检测CH4、H2S、O2、CO2和H2。沼气进入分析仪前需先通过3&#160;种不同的过滤器，以去除水分及其他对检测器有害的有毒化合物。为保证沼气组分检测准确，分析仪需每周校准一次。</li>
	<li>使用工业沼气分析仪定期测定沼气组成。注意：只有当集气袋中沼气量至少达到一半时，沼气分析仪方可进行有效测量。测量时需打开集气袋阀门，并等待沼气组分稳定（约需20–30秒）。</li>
	<li>通过已安装的pH计和温度计在线监测pH值和温度，用于过程控制。</li>
	<li>每周取出约3 kg消化残渣（含水率80–90%），以维持2–3周的固体停留时间（SRT）。将此消化残渣用作水热碳化（HTC）工艺的原料。后续产生的沼气足以排出系统内空气，并在数小时内建立厌氧环境。</li>
	<li>每周定期分析工艺液和消化残渣的化学性质（pH、电导率EC、总固体TS、挥发性固体VS、脂肪酸、CHNS元素分析、氨氮、微量元素及粗纤维）。</li>
</ol>
2. 小麦秸秆消化物的水热碳化
注意：对于第1步所得消化残渣的水热碳化，使用18&#160;L间歇式搅拌反应器。通过反应器控制器4848和运行在计算机上的SpecView 32 849软件来实现对过程的控制与计时。在该程序中，可显示反应器温度、加热夹套温度、压力和搅拌速率。此外，可针对每次水热碳化实验设定工艺参数程序（起始温度、设定温度、升温速率、搅拌速率）。
<ol>
	<li>使用精度为 0.1 g 的天平称取 2.5 kg 的秸秆消化物，并转移至反应釜中。</li>
	<li>使用同一台天平称量 10 kg 补充水，也倒入反应釜中。这将维持消化物与水的质量比为 1:4。</li>
	<li>在气动关闭前，手动搅拌反应釜内容物，以防止桨式搅拌器堵塞。关闭反应釜，并以 50 Nm 的力矩交叉拧紧螺栓将其固定。</li>
	<li>按照以下升温和保温程序设置反应：</li>
	<li>在 15 min&#160;内从室温升至起始温度 30 °C。
	<ol>
		<li>设定反应温度升至 230 °C 的加热时间为 100 min。</li>
		<li>在最终反应温度下保持 6 hr。</li>
		<li>保持 6 hr&#160;后，将反应釜从 230 °C 冷却至室温，冷却时间为 15 hr&#160;。</li>
		<li>在整个水热炭化（HTC）过程中，以 30 rpm 的转速持续搅拌反应釜内容物。</li>
		<li>冷却阶段结束后关闭搅拌器，并将气体排入一个 20 L 的气体袋中。</li>
		<li>确保气体同时通过冷凝液捕集器和活性炭过滤器。</li>
		<li>储存气体以供后续分析。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>完成气体取样后，通过高温高压球阀将浆料从反应釜排入容器，然后用孔径约为 0.5 mm 的筛网进行过滤。</li>
	<li>收集滤液，并对生成的水热炭（HTC 生物炭）进行去皮称重，以确定与原料相比所生成的水热炭产量。</li>
</ol>
3. 小麦秸秆原料、消化物及水热炭化生物炭的元素分析
注意：对于任何固体燃料的分析，通常使用元素分析仪或CHONS分析仪。通过该分析可获得原子态碳、氢、氧、氮和硫的元素组成。根据CHONS分析结果，可估算燃料的高热值或能量值。此外，原子态硫含量也可反映燃料的质量。本研究将使用元素分析仪测定水热炭化生物炭、原始小麦秸秆和消化残渣的燃料价值。由于分析仪仅允许极小的样品量，为提高重复性，每种样品至少应分析三次。
<ol>
	<li>在样品坩埚（锡制，6 × 6 × 12 mm）中，使用元素分析包中的专用天平称取30 mg的三氧化钨。注意：该天平的精度通常为1 µg。三氧化钨在元素分析仪中用作催化剂。</li>
	<li>称取5–10 mg干燥样品，放入同一坩埚中，混合均匀后压紧并封装。封装后的样品坩埚尺寸应约为2 × 2 × 5 mm3。</li>
	<li>将样品放入自动进样器中。记录每个样品的位置，并在本次元素分析中使用磺酸作为标准参考物质。</li>
	<li>启动连接元素分析仪的计算机上的Vario软件，设定分析条件，包括载气流速以及两个&#160;炉膛的温度（两个&#160;炉膛的温度分别为1,150&#160;和850 °C）。然后根据自动进样位置设定样品名称，启动程序。仪器将自动运行，完成分析并将结果存储在计算机中。 
	注意：元素分析仪的输出结果为CHNS含量，通常直接显示在计算机屏幕上。</li>
</ol>

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</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

UASS 反应器能够缓解引言中讨论的不足之处，但仍存在较大的改进空间。进料系统和消化液的排出目前仍为手动操作。UASS 系统在处理粒径大于 60 mm 的原料时仍面临困难。该系统在处理纤维类原料时表现更佳，因为这类原料可在液面上漂浮；但其他类型的原料，如动物粪便和污泥，则可能不利于 UASS 系统的运行。UASS 系统的设计使得工艺液体从反应器流向厌氧滤池（AF），再回流至反应器。然而，循环液体中即使含有 2–5% 的固体也被证明会带来问题，因为这些固体会在厌氧滤池中沉积或堵塞管道入口，从而阻碍液体循环。对工艺液体进行化学分析至关重要，因为游离脂肪酸和氮的生成可能改变微生物系统，导致产沼气特性异常。UASS 系统具有良好的稳定性，可连续运行超过 200 天而无明显问题。连接泵、反应器与厌氧滤池（AF）的管道需每两个月更换一次。水浴中的水位应每周检查，并在必要时补充加水。
湿消化残渣的水热碳化（HTC）在废物处理以及生产固体生物燃料方面非常有效。如图7所示，HTC过程还能改善固体产物的脱水性能。然而，消化残渣的HTC处理应尽快进行，最好在取出消化残渣的当天完成。否则，消化残渣会开始发生生物降解，不利于HTC处理。由于HTC是一个高温（200–260 °C）和高压（20–50 bar）的过程，因此在整个HTC操作过程中采取必要的安全预防措施非常重要。所有连接部件至少每月检查一次，以确保其气密性。HTC过程产生的液体中含有较高浓度的糠醛、5-羟甲基糠醛（5-HMF）和酚类化合物，这些物质被认定为有毒物质。因此，在处理HTC液相产物时，建议佩戴面罩和手套，尤其是在将反应器中的HTC液体排入其他容器时。尽管HTC在处理湿态原料（如消化残渣）方面具有诸多优势，但它仍是一种间歇式工艺。在经济性评估中，HTC间歇工艺的合理性较难成立。因此，仍需进一步研究以推动HTC的连续化运行。
元素分析法适用于均质固体基质，但不适用于非均质基质。由于固体生物燃料通常具有非均质性，且元素分析仪仅允许使用5-10 mg的样品量，因此建议至少进行三次重复实验，并采用平均值。元素分析的另一个局限性在于对高灰分含量的固体基质进行测定时的表现。元素分析仪仅能测定碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）和硫（S），无法检测其他无机成分。因此，对高灰分固体基质进行元素分析可能无法准确反映其中CHONS的实际浓度。样品制备在元素分析中至关重要，因为样品必须精确包裹，否则会导致分析结果不一致。固体燃料的热值可通过CHONS含量估算，但建议使用氧弹量热仪进行更精确的热值测定。
每千克进料中的挥发性固体可产生约92-161 L的甲烷。干小麦秸秆的挥发性固体或有机总固体含量为86.9%。干消化残渣的原子氧和氢浓度较低，这进一步表明在厌氧消化过程中多糖和简单糖类发生了降解22,23。此外，较低的氢和氧浓度提高了消化残渣的高热值（HHV）24。干消化残渣的高热值比干原始原料高22%。Pohl et al23通过详细的统计分析也获得了类似的结果。
厌氧消化产生的消化物含有80-90%的水分6。这些水分具有亲水性，且部分水分子被微生物或植物细胞束缚。因此，消化物的脱水或干燥过程较为困难，且能耗极高。例如，2 kg的干消化物会结合8 kg的水（含水率80%），将其干燥需要20.7 MJ的热量。此外，消化物在常温条件下容易较快地发生生物降解，导致植物养分流失，并释放一氧化二氮（N2O）和甲烷（CH4）等温室气体（GHG）。因此，尽管新鲜消化物具有较高的能量潜力，但无法直接作为固体燃料使用，必须在消化过程结束后立即进行干燥处理20。
由表1可知，干态消化残余物的原子碳含量与原始秸秆相似，且在厌氧消化前后其外观也相近（图6）。这表明木质素及木质素包覆的纤维素在过程中基本未发生反应。然而，观察到的质量产率为63%，说明处理后的秸秆比干燥原始秸秆轻37%。相似的元素碳浓度表明，在厌氧消化过程中未发生碳化22。如图7所示，来自消化残余物（嗜热型）的水热炭（HTC生物炭）非常稳定且质地柔软。由于疏水性显著增强，该生物炭可完全浸没于水中数月，而其物理和化学结构不受影响12,25。这种疏水性也有助于提高HTC生物炭的脱水性能14。秸秆原有的结构在HTC生物炭中已不可辨识，说明纤维素可能已发生反应。HTC生物炭中观察到显著的碳化现象，同时原子氧含量降低。这是纤维素发生反应而非木质素反应的另一证据。木质素中的原子碳浓度远高于纤维素24-29。因此，HTC生物炭的高位热值（HHV）达到29.6 MJ/kg，分别比原始秸秆高61%，比干态消化残余物高32%。
经水热碳化（HTC）处理的秸秆高热值为28.8 MJ/kg，与经HTC处理的秸秆消化残渣（29.6 MJ/kg）相近。然而，与原始原料相比，HTC秸秆的质量产率比HTC消化残渣高出40.7%。因此，若将1 kg原始秸秆（18.4 MJ）进行水热碳化处理，所得HTC秸秆生物炭的潜在能量为11.0 MJ。相反，若将相同质量的原料先用于厌氧消化（AD）再进行HTC处理，则可总共产生13.2 MJ的生物能源，其中包含沼气（5.2 MJ）和来自消化残渣的HTC生物炭（8.0 MJ）（图8）。此外，UASS工艺的液相产物具有作为液体肥料的潜力。同时，HTC生物炭在高附加值材料应用或作为土壤改良剂方面可能具有更高潜力。从碳封存或碳循环的角度来看，将HTC生物炭用于材料用途比用于能源生产更具可行性。
厌氧消化与水热碳化相结合可比单独的工艺产生更多的生物能源。然而，需要采用级联式设计以提高效率。必须进行整体能量平衡分析，并辅以经济性评估，以验证该工艺的可行性。未来的研究应包括利用水热碳化液相产物以及对水热生物炭进行后续处理（化学或生物法）。此外，还需实现UASS和HTC系统的自动化。本研究采用实验室规模的UASS和HTC反应器开展，但如果该工艺要实现商业化，必须进行过程放大。

寻找可再生和可持续的能源是全球能源领域的主要关切。最近，联合国报告指出，到2050年，全球最多77%的能源预计将来自可再生能源1。诸如秸秆、草类、稻壳、玉米芯等木质纤维素生物质不会引发粮食与燃料之间的竞争问题。此外，与其他可再生能源（如风能、太阳能和水能）相比，生物质可能是唯一具有结构碳的可再生能源2。然而，木质纤维素生物质的处理特性、较低的堆密度、较高的灰分含量以及较低的能量含量，限制了其在能源生产中的应用2。
厌氧消化（AD）是利用废弃生物质生产生物能源的典型范例之一3。通常，厌氧消化过程包含四个降解阶段，如图1所示4。在前三个连续步骤中，生物质中的多糖被转化为有机酸；在最后一步中，产甲烷微生物生成生物甲烷。传统的AD工艺耗时且耗能，持续搅拌显著降低了AD的整体经济性，尤其在处理木质纤维素类生物质时更为明显。一种新型的上流式厌氧固态（UASS）反应器有望克服上述缺陷（图2）4。UASS反应器的一个显著优势是能够实现自发的固液分离，其设计可使产生的沼气气泡将未反应的固体残渣向上带动5。这消除了对搅拌器的需求，从而减少了现场电力消耗。此外，液体循环还有助于微生物和代谢产物在整个反应器内的均匀分布5。与固体生物燃料相比，沼气更易于处理，且几乎不产生残留物。事实上，沼气的单位能量密度比原始生物质高出数倍4。然而，厌氧消化过程更倾向于利用淀粉、脂肪酸和半纤维素等简单多糖1。因此，在厌氧消化后，纤维素和木质素——小麦秸秆等纤维状木质纤维素生物质的主要成分——通常以固体消化残渣的形式残留5。尽管沼气产量受原料种类、微生物类型、反应温度和反应时间的影响而有所变化，但通常仍会产生大量消化残渣。
尽管沼气可用于能源生产，但消化残余物（含水量高达90%）通常被储存于发酵残渣储存池中，以收集残留的甲烷排放。随后这些残余物被干燥并施用于农田，以提高土壤肥力和保水能力。由于无机物含量较高，消化残余物通常不能直接用作燃料，因为大量炉渣可能腐蚀设备6。水热碳化（HTC）是一种专为湿基原料设计的热化学处理过程，其中生物质（含水量80-90%）在水饱和压力下加热至200-260 °C，并维持0.5-6小时（图3）7,8。亚临界水在200-260 °C时具有最大的离子积，这意味着在此条件下水具有反应活性，同时表现出弱酸和弱碱的双重性质9。半纤维素及其他提取物在约180-200 °C时发生降解，纤维素在约220-230 °C时发生反应，而木质素则在相对较高温度（&#62;250 oC）下反应，但反应速度远慢于纤维素和半纤维素10。由于显著的脱水和脱羧作用，HTC生成一种名为HTC生物炭的固体产物，其质量产率（干基HTC生物炭/干基原料）为40-80%，同时产生含有羧酸、呋喃衍生物、酚类物质和单糖的液相产物，以及含5-10% CO2的气态产物11。在HTC过程中，含氧挥发性物质显著减少，从而留下富含碳的固体。与原始湿原料相比，HTC生物炭更稳定、疏水且易碎12,13。由于其疏水特性，HTC生物炭的脱水性能相比原始消化残余物甚至原始生物质提高了数倍14-18。此外，HTC生物炭的燃料热值与褐煤相似16,17。然而，纤维素和木质素在HTC环境中会发生部分降解18。
目前，生物质中的半纤维素和纤维素在厌氧消化（AD）过程中有助于产生沼气，而纤维素和木质素主要贡献于水热炭化（HTC）固体生物炭的形成4,5。因此，AD与HTC联用有望提高整体生物能源产率。Hoffmann et al. 模拟了类似的组合工艺，但采用的是厌氧消化与水热液化（HTL）联用，而非AD-HTC19。HTL是一种常见的生物质液化方法，其液相产物具有较高的燃料价值[43.1 MJ/kg]。然而，与HTC（10–50 bar）相比，HTL需要更高的压力（250 bar），意味着其设备投资和运行成本高于HTC。此外，AD与HTC的组合顺序也值得探讨，因为Wirth et al. 近期报道了对HTC工艺液相产物进行厌氧消化的可能性20。然而，有效的厌氧消化依赖于原料中的糖浓度。HTC工艺液相产物中的糖类在水解过程中生成，但在亚临界水条件下往往迅速降解。因此，从生物能源产出角度考虑，先进行AD再进行HTC更为有利。然而，若对HTC工艺液相产物进一步实施AD，则可额外产生生物能源，此时工艺组合顺序应为AD-HTC-AD。
本研究旨在评估厌氧消化（AD）与水热炭化（HTC）工艺在生物能源生产中的整合效果（图3）。在超过200天的连续运行条件下，评估了UASS反应器中嗜热和嗜温厌氧消化的沼气产量潜力。随后，研究了从消化残渣中制备HTC生物炭的可行性。对级联式AD-HTC工艺进行了物质与能量平衡分析，并与独立工艺进行了比较。

<table><tbody><tr><td>UASS 反应器</td><td></td><td></td><td>专利设计</td></tr><tr><td>天平</td><td>KERN</td><td>440-55N</td><td>0.2 g 精度</td></tr><tr><td>生物膜载体</td><td>RVT Process Equipment GmbH，德国</td><td>Bioflow 40</td><td>比表面积 305 m&lt;sup&gt;2&lt;/sup&gt;/m&lt;sup&gt;3&lt;/sup&gt;</td></tr><tr><td>加热浴</td><td>Lauda-Konigshofen，德国</td><td>Lauda Ecoline 011</td><td>确保中温及高温条件</td></tr><tr><td>循环泵</td><td>Heidolph pumpdrive</td><td>5201</td><td></td></tr><tr><td>小麦秸秆</td><td>Dittmannsdorfer Milch GmbH，德国</td><td></td><td>长度 5–65 mm</td></tr><tr><td>沼气分析仪</td><td>Pronova，德国</td><td>SSM 6000</td><td></td></tr><tr><td>气体流量计</td><td>Ritter，德国</td><td></td><td>鼓式类型</td></tr><tr><td>HTC 反应器</td><td>Parr instrument，美国伊利诺伊州莫林</td><td>Parr 4555</td><td>5 加仑容积</td></tr><tr><td>HTC 温度控制器</td><td>Parr instrument，美国伊利诺伊州莫林</td><td>4848</td><td>K 型热电偶</td></tr><tr><td>天平</td><td></td><td>KERN FKB</td><td>0.1 g 精度</td></tr><tr><td>加热系统</td><td>Parr</td><td>A1600EEE</td><td>带式加热器，2 &amp;deg;C/min</td></tr><tr><td>软件</td><td>SpecView</td><td>32849</td><td>数字监控与编程界面</td></tr><tr><td>催化剂</td><td></td><td>Tungsten(VI) oxide</td><td>元素分析仪</td></tr><tr><td>天平</td><td>Mettler Toledo</td><td>SN-1128123281</td><td>1 &amp;micro;g 精度</td></tr><tr><td>样品舟</td><td>Elemental Analyssystem GmbH</td><td>锡制 6 × 6 × 12 mm 舟</td><td>元素分析</td></tr><tr><td>干燥箱</td><td>Binder GmbH，德国</td><td>FP 115</td><td>105 &amp;deg;C 烘箱</td></tr><tr><td>元素分析仪</td><td>Vario</td><td>EL III</td><td>CHNS 分析仪</td></tr></tbody></table>

评估厌氧消化与水热碳化耦合工艺在生物能源生产中的应用

Evaluation of Integrated Anaerobic Digestion and Hydrothermal Carbonization for Bioenergy Production

木质纤维素生物质是最丰富但尚未充分利用的可再生能源之一。厌氧消化（AD）和水热碳化（HTC）分别是通过生物质生产沼气和HTC生物炭的有前景的技术。本研究提出将AD与HTC相结合，以提高整体生物能源产量。小麦秸秆在新型上流式厌氧固态反应器（UASS）中分别于中温（37 °C）和高温（55 °C）条件下进行厌氧消化。高温AD产生的湿消化残渣在230 °C下进行6小时的水热碳化以制备HTC生物炭。在连续运行200天的过程中，UASS系统在高温条件下的平均产气量为165 LCH4/kgVS&#160;（VS：挥发性固体），中温AD条件下为121 LCH4/kgVS&#160;。同时，从中温AD产生的1 kg消化残渣（干基）通过HTC获得了43.4 g的HTC生物炭，其热值为29.6 MJ/kgdry_biochar。在本组特定实验条件下，AD与HTC联用每千克干小麦秸秆可产生13.2 MJ的能量，比单独使用HTC至少提高20%，比单独使用AD提高60.2%。

厌氧消化
沼气实验结果表明，UASS 系统在中温（37 °C）和高温（55 °C）条件下分别能够利用甲烷生成潜力的 38% 和 50%。在高温厌氧消化（AD）条件下，UASS 系统连续运行 200 天的平均产气量为 165 LCH4/kgVS（VS：挥发性固体），中温厌氧消化条件下的产气量为 121 LCH4/kgVS（图 4）。这些性能指标是基于干基原料对沼气进行定量和定性分析后计算得出的。
根据VDI 4630指南，分别测得小麦秸秆在嗜热条件下的生物甲烷潜力为304.3 LCH4/kgVS，中温条件下的生物甲烷潜力为244.2 LCH4/kgVS，结果如图521所示。就品质而言，UASS产生的沼气中甲烷含量介于41%至61%之间（图5）。
消化液的高温炭化（HTC）
图6展示了干燥的秸秆、通过厌氧消化（AD）由秸秆产生的干燥消化残余物，以及通过水热碳化（HTC）由干燥消化残余物制得的HTC生物炭。干燥消化残余物外观与干燥秸秆相似，仅颜色略深。本研究中用于HTC处理的消化残余物来源于嗜热条件下的厌氧消化过程。如表1所示，消化残余物中保留了原始总质量的63%（表1）。干燥的HTC生物炭比原始干燥秸秆更轻，这可能是由于在厌氧消化过程中，嗜热微生物降解了单体和简单的聚合物所致。
图7展示了水热炭（HTC生物炭）的疏水性和柔软性。在水热碳化（HTC）过程中，纤维状的结晶结构被破坏，生成柔软、富含无定形碳的HTC生物炭16,17,28。从表1可以看出，沼渣和原始秸秆制得的HTC生物炭的质量产率分别为43.4%和38.3%。固体产物HTC生物炭具有很强的疏水性12，可长时间与水接触而不被润湿13。此外，该材料非常柔软，几乎无需施加压力即可将其粉碎。对于燃煤发电行业而言，保持原料的柔软性至关重要，因为这可以省去昂贵的粉碎步骤。
元素分析
从表1所示的元素组成可以看出，在整个厌氧消化过程中，固体中的元素碳和氢保持不变。在水热碳化（HTC）过程中，元素碳含量增加，而氢含量减少。大部分元素氮保留在固体中，因为在消化和水热碳化两个过程中，元素氮的含量均有所增加。由于小麦秸秆中的硫含量极低，因此结果中未列出元素硫的浓度。元素氧含量通过从100%中减去碳、氢和氮的含量计算得出，并同样列于表1中，假设原料仅由C、H、O、N、S（CHONS）组成。在水热碳化过程中，氧浓度显著降低，而在消化过程中则基本保持不变。
<img alt="显示生物燃料生产中四步水解和产甲烷过程的厌氧消化示意图。" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51734/51734fig1highres.jpg" width="500" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图1"> 
图1. 厌氧消化的基本概念与步骤。 本图描述了厌氧消化的基本概念。图中展示了厌氧消化的四个主要阶段：水解、酸化、产乙酸和产甲烷
<img alt="UASS 系统示意图；厌氧滤池、UASS 反应器、甲烷生成、液体循环过程。" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51734/51734fig2highres.jpg" width="500" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Figure 2"> 
图 2：用于厌氧消化的实验室规模 UASS 反应器的示意图。这是 UASS 反应器系统的示意图。图中 UASS 反应器与厌氧滤池（AF）通过液体流路相连，UASS 反应器中产生的脂肪酸进入 AF，进而生成甲烷。从 AF 底部引出另一股液体流至 UASS 反应器，其中微生物由 AF 进入 UASS 反应器。
<img alt="木质纤维素生物质水热碳化与厌氧消化工艺示意图，用于将生物质转化为生物炭。" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51734/51734fig3highres.jpg" width="500" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图3"> 
图3. （上）木质纤维素生物质水热碳化（HTC）的概念，（下）厌氧消化与HTC的整合概念 *纤维素将发生部分反应24。在此流程图中可以看出，不同的纤维组分与亚临界水接触，并转化为HTC生物炭（煤型）。
<img alt="甲烷产量图，UASS+AF，嗜热与中温条件，运行天数分析。" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51734/51734fig4highres.jpg" width="500" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Figure 4"> 
图4. UASS反应器在嗜热和中温条件下结合厌氧滤池的甲烷产量。 该图为UASS反应器在嗜热和中温条件下连续运行210天的实验结果。横轴表示运行天数，纵轴表示甲烷产率（LCH4/kgVS），相对于挥发性固体（VS）的产率。
<img alt="UASS反应器在嗜热和中温条件下甲烷含量随时间变化的图表。" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51734/51734fig5highres.jpg" width="500" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Figure 5"> 
图5. UASS反应器在嗜热和中温条件下产生的沼气中甲烷含量。 该图为UASS反应器在嗜热和中温条件下连续运行210天的实验结果。横轴为运行天数，纵轴为沼气中的甲烷含量（%）。所列数值均为平行样测定的平均值。
<img alt="生物质转化过程，秸秆到水热炭，玻璃罐中的对比示意图。" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51734/51734fig6highres.jpg" width="500" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图 6"> 
图 6. （从左到右）干燥的小麦秸秆、干燥的小麦秸秆消化残余物，以及小麦秸秆消化残余物经水热炭化（HTC）制得的生物炭。 本图展示了小麦秸秆不同状态的实时图像。在此图中，可以直观看到厌氧消化（AD）和水热炭化（HTC）处理的效果。纤维结构在消化残余物中仍清晰可见，而在经过水热炭化处理后则变为粉末状。
<img alt="土壤质地分析；显示土壤在水中的状态、搓揉后的样品及分散形态的示意图。" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51734/51734fig7highres.jpg" width="500" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图7"> 
图7. HTC生物炭的疏水性（左），HTC生物炭的易碎性（右）。此图再次展示了HTC生物炭疏水性和易碎性的实时图像。在第一幅图像中，HTC生物炭沉入水中；接下来的两幅图像则显示了生物炭在剧烈碾压前和碾压后的状态。
<img alt="厌氧消化示意图：小麦秸秆转化为甲烷和消化残余物；水热碳化过程。" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51734/51734fig8highres.jpg" width="500" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图8"> 
图8. （上）通过厌氧消化（AD）从1 kg原始小麦秸秆中获取的生物能源潜力；（下）通过整合AD-HTC工艺从1 kg干小麦秸秆中获取的生物能源潜力。 本图用于评估组合工艺概念的必要性。该流程图展示了从原料中通过厌氧消化和水热碳化过程分别提取的能量量。
<img alt="秸秆和生物炭的化学成分表。数据包括碳、氢、氮、氧、灰分、高热值（HHV）和生物质产率。" fo:content-width="7in" src="/files/ftp_upload/51734/51734table1v2.jpg" width="700" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="表 1"> 
表 1. 原始小麦秸秆、消化物（嗜热型）及其对应水热炭化生物炭的元素分析、高热值（HHV）、质量产率和纤维素分析。HHV 根据 CHNS 元素组成按文献方法计算18,24。表 1 为厌氧消化（AD）和水热炭化（HTC）后元素分析和质量产率的实验结果。木质素、纤维素和半纤维素含量通过范·索斯特（van Soest）纤维素分析法测定[12]。注：n.a 表示未检测。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51734/51734table1.jpg" target="_blank">请点击此处查看本表的放大版本。</a>

本研究采用一种新型上流式厌氧固态（UASS）反应器，利用纤维类原料进行沼气生产。将UASS反应器的消化残余物在加压间歇式反应器中进行水热碳化，制备成HTC生物炭。通过将这两种生物能源技术进行耦合，旨在提高整体生物能源产量。

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任何厌氧消化过程都包含四个降解步骤。首先，多糖被水解为单体。这些单体通过产酸作用转化为短链脂肪酸、乳酸和醇类。在酮生成过程中，Agenesis的产物被转化为特定形式。最后一步是产甲烷作用，其中产甲烷微生物利用乙酰辅酶A的产物生成甲烷。传统的固体生物质厌氧消化过程耗时且耗能。然而，一种新型的上流式好氧固态反应器有望克服这些缺点。此类反应器的显著优势在于能够实现自发的固液分离。此外，液体循环可以消除昂贵的转向。水热碳化是一种热化学处理过程，其中将废弃的生物质在水饱和压力下加热至200至260摄氏度，持续4.5至6小时。在此条件下，亚临界水具有很高的反应活性。因此，半纤维素及其他提取物在约180至200摄氏度时发生降解，而纤维素在约220至230摄氏度时发生反应，木质素则残留在HTC生物炭中。水热炭化（HTC）的固体产物易燃、疏水且稳定，其热值特性与褐煤相似。本研究的目的是将这两种生物能源生产过程结合起来。在本视频中，我们将展示一种新型UASS反应器用于沼气生产的原理与操作。随后，我们还将展示对消化后产物进行水热碳化以制备生物炭的过程，用于好氧消化。所使用的UASS反应器容积为39升，颗粒尺寸为5至65毫米。投喂原麦秸秆碎料。原料的有机干物质含量为85.9%，粗纤维组分为46.3%。UASS反应器由不锈钢制成，配有亚克力玻璃观察窗。每个39升的UASS反应器均与一个30升的厌氧滤池相连。每个厌氧滤池中装填了325个聚乙烯生物膜载体。该生物膜载体的比表面积为305平方米/立方米。在中温与高温条件下均使用Dolf泵驱动5 2 0 1。对于工艺液体，加热装置设定在所需的反应器温度水平，用于UASS反应器的日常进料。称取120克木屑。打开UASS进料管，移除残渣。将木屑填入对角进料管中，并推入反应器底部。天花板表面已密封以确保气密性，进料管已关闭。泵持续运行，将每小时1.2升的工艺泄漏气输送通过反应器系统。使用工业沼气分析仪定期检测沼气成分。每周取出约三千克的消化产物。对工艺样品、液体和消化产物的化学性质进行每周一次的分析。HTC 实验采用一套分级反应器，其规格为 18 升 4 5 5 5 系列，并配备一个 4 8 4 8 型控制器。本研究使用了 Spec view 3 2 8 4 9 软件包。称量了消化后的秸秆。使用同一台天平称量了 10 千克的水。在NU医疗密封之前，将消化物和水均注入反应容器中。通过人工搅拌反应器内容物，以防止搅拌桨堵塞。反应器通过横向装置关闭并固定。用50牛顿米的力矩拧紧螺栓。本实验设置了特定的反应条件：温度设定为230摄氏度，以每分钟2摄氏度的加热速率升温，并在该温度下保持六小时。冷却阶段结束后，关闭开关，气体被收集到一个20升的气体袋中。通过高温高压球阀排出污泥，收集液体并进行过滤。制备的生物炭被撕碎。将湿润的生物炭放入105摄氏度的烘箱中。本研究使用了Vari EL三元素分析仪。在样品坩埚中称取30毫克三氧化钨。将5至10毫克干燥样品放入样品坩埚中，混合并包好。将样品盘放入vari EL自动进样器中。启动分析，数据存储于计算机中。嗜热条件下的最大甲烷产量为270.4升/千克，中温条件下的最大甲烷产量为216.9升/千克。沼气中含有41%至61%的甲烷，其余成分为二氧化碳。干燥的消化产物外观类似于干燥的稻草，只是颜色略深一些。HTC生物炭中的纤维结构已被破坏。由于缺乏纤维结构，水热炭化生物炭变得易碎，几乎无需施加压力即可将其粉碎。水热炭化生物炭具有很强的疏水性。它可以长时间与水接触。如果将一千克原始秸秆进行水热碳化，所得的HTC生物炭具有11兆焦耳的能量潜力。但通过组合工艺，总共可获得12.1兆焦耳的生物能源。厌氧消化的能量产率为20%至25%，而与水热炭化（HTC）结合后，能量产率可高达70%。

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