网络首发||陶俊宇讲师：不同接种物发酵沼渣热解制炭对比研究
文摘
科学
2024-10-31 11:02
浙江
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通过热解将废弃物厌氧发酵沼渣转化为有机肥料是沼渣高值化利用的重要方式之一。不同接种物对于发酵产生沼渣的理化性质具有重要影响。本研究探究了污泥和瘤胃2种不同接种物对发酵沼渣热解行为的影响，通过热重和PY-GC-MS分析厌氧发酵前后物料的热解特性，并对热解炭进行了表征，为沼渣资源化利用提供参考。
陶俊宇，博士，天津商业大学讲师、硕士生导师，入选第八届中国科协青年人才托举工程。任天津商业大学环境能源+X创新实验室副主任。从事固废处置与利用、生物质能源化领域研究，在机器学习在环境能源领域的应用、生物垃圾智能表征与分类、有机废水处理与催化制氢、光伏系统环境影响评估与废弃物处置利用、餐厨垃圾高效相分离与资源化利用等研究方面取得特色成果。以第一或通讯作者在Environmental Science & Technology等环境领域一流期刊发表论文30篇，其中SCI中科院一区期刊论文23篇；承担国家自然科学基金项目、科技部重点研发计划国际合作项目任务、企业科技创新合作项目等；授权国际、国内发明专利7件，参编行业标准1项，参编专著2部。
穆兰，博士，天津商业大学讲师、硕士生导师。主要致力于固体有机废弃物厌氧消化及沼渣利用。主持国家重点研发子课题、国家重点研发政府间创新合作项目任务、国家自然科学基金青年项目、天津市自然科学基金青年项目等，参与中国工程院战略研究咨询项目、天津市教委重点项目、企业横向等。先后发表国内外论文40余篇，其中以第一/通讯作者发表论文17篇，入选ESI高被引论文1篇，单篇最高他引100余次，获授权发明专利6项。
穆兰1,2，许秦洁2,3，蒋晨光2,3，武文竹1,2，石岩1,2，李宁4，孙昱楠1,2，陶俊宇1,2,*，斯航51. 天津商业大学 机械工程学院
2. 天津商业大学 环境能源+X创新实验室
3. 天津商业大学 生物技术与食品科学学院
4. 天津大学 环境科学与工程学院
5. Metener公司
国家重点研发政府间国际科技创新合作项目（2022YFE0125100）
厌氧发酵是农村有机废弃物能源化转化的重要手段之一，沼渣的高效资源化利用对于促进农业农村低碳能源利用及可持续发展具有重要意义。接种物为发酵过程提供特定的微生物群落，直接影响发酵启动速度、有机物去除率、沼气产量及沼渣品质。为探究不同接种物厌氧发酵对生物质热解行为的影响，以污泥和瘤胃液2种常见和较少见的厌氧发酵接种物为例，对玉米秸秆厌氧消化沼渣进行研究。通过热重和多谱联用分析厌氧发酵前后物料的热解特性，并对热解炭进行了表征。结果表明，沼渣热解所需的表观活化能高于未经发酵的原料，具有更高的热稳定性；污泥发酵沼渣热解活化能较瘤胃液接种沼渣更高；热解过程中，挥发性产物主要以酚类和羰基化合物为主；沼渣热解炭的产率显著高于原料热解炭，且均超过60%；相较于原料热解炭，沼渣热解炭表面粗糙度和多孔结构大幅增加，比表面积和孔隙率增高，同时，污泥沼渣热解炭的比表面积和孔隙率均高于瘤胃液沼渣热解炭，但后者中吡咯-N的相对含量更高，可为沼渣资源化利用提供参考。我国农业秸秆废弃物中，玉米秸秆占比最高（约30%），每年产量约2.5亿t。玉米秸秆有多种用途，如用作家用燃料、动物饲料、土壤改良剂及工业材料等。目前，玉米秸秆最主要的处理方式是粉碎还田，但这易造成土壤墒情降低，并易引发病虫害等问题。厌氧发酵通过厌氧微生物将玉米秸秆转化为沼气燃料，大幅度减少其带来的环境污染和资源浪费，是玉米秸秆清洁能源化利用的重要方式之一。在厌氧发酵过程中，厌氧微生物无法使玉米秸秆全部分解，同时产生大量副产物——沼渣。原料中大部分易降解的有机物得以降解，N、P、K等养分元素富集于沼渣中，因此，沼渣具有作为有机肥料的潜力。然而在实际应用中，沼渣中存在的非稳定有机物会增强土壤中的微生物活性，导致氧气消耗，同时，肥效也较为有限。通过热解的方式将富含木质素的沼渣转化为性质稳定的生物炭，再进行还田利用，是近些年兴起的沼渣肥料化利用新思路。在土壤中施用生物炭肥料也被证实可以对土壤温室气体排放以及土壤氮和碳循环产生多种有益影响。同时高温处理可以避免沼渣中病原微生物群落对土壤环境的影响。然而，沼渣热解生物炭特性与玉米秸秆厌氧发酵接种物密切相关。例如，针对玉米秸秆中木质素、纤维素、半纤维素相互交联，三维结构复杂，厌氧微生物攻击和利用困难等问题，采用反刍动物的瘤胃液作为接种物能够有效促进复杂木质纤维素组分转化为可溶性有机物和挥发性脂肪酸（VFAs），提高产气率。目前，关于不同接种物厌氧发酵后沼渣的热解炭化特性的研究较少，需进行针对性研究。本文研究了分别以瘤胃液和污泥为发酵接种物所制得2种玉米秸秆沼渣的热解特性，并与未经发酵的原料进行对比。分析不同热解温度下原料及沼渣热解过程释放的挥发性有机物的组成和变化规律，以及热解动力学参数，为沼渣资源化利用提供理论依据。最后，本文对沼渣热解炭进行较为全面的表征，以期为沼渣炭的应用提供基础数据。![]()
图1 WN-Y、LW-Y、WN-Z与LW-Z热解过程TG、DTG 曲线（10℃/min）及热解动力学曲线
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图2 两种沼渣在300℃下的PY-GC-MS色谱图
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图3 不同物质在不同温度下热解各物质含量
穆兰, 许秦洁, 蒋晨光, 武文竹, 石岩, 李宁, 孙昱楠, 陶俊宇, 斯航. 不同接种物发酵沼渣热解制炭对比研究[J/OL]. 能源环境保护: 1-12[2024-10-29]. https://doi.org/10.20078/j.eep.20241001.MU Lan, XU Qinjie, JIANG Chenguang, WU Wenzhu, SHI Yan, LI Ning, SUN Yunan, TAO Junyu, SI Hang. Comparative study on charcoal production by pyrolysis of fermented sludge with different inoculants[J/OL]. Energy Environmental Protection: 1-12[2024-10-29]. https://doi.org/10.20078/j.eep.20241001.
《能源环境保护》创刊于1987年，双月刊，ISSN 2097-4183/CN 33-1264/X，是由中国煤炭科工集团有限公司主管、中煤科工集团杭州研究院有限公司主办的环境类学术期刊。主编由中国工程院高翔院士担任。主要刊载与能源环境保护有关的基础科学、技术科学及其交叉学科领域的学术论文。已被瑞典开放存取期刊目录（Directory of Open Access Journal，DOAJ）、美国《化学文摘》（Chemical Abstracts, CA）、俄罗斯《文摘杂志》（AJ，VINITI）、美国《乌利希期刊指南》（Ulrichweb）、欧洲学术出版中心（EuroPub）等数据库收录，连续6年入选《煤炭领域高质量科技期刊目录》T2级。在“双碳”目标下，将进一步聚焦学术前沿、荟萃科学发现、追踪最新动态、汇集最佳成果，推进降碳、减污、绿色低碳发展。
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编辑｜姚情璐
审核｜金丽丽
