沼气生产或成下一个能源产业风口
沼气在未来必是非常重要的能源之一。沼气是多用途的可再生能源，可以替代传统的燃料产生热能和电能，它也可以在汽车工业中用作气体燃料。生物甲烷（优质沼气）也同样可以替代天然气用于化工生产。
据专家评估，由于厌氧消化（AD）是一种节能且环境友好的技术，通过厌氧消化产生的沼气比其他形式的生物能源有显著的优势。
欧洲的沼气生产
20世纪初，由垃圾产生的高价值肥料（堆肥）促进了厌氧消化技术和沼气经济的发展。欧洲迅速应用可持续的垃圾处理技术，同时为了在将来拥有可再生的替代燃料，欧洲机构还实施相关的研究计划。几十年以后，沼气技术在欧洲被广泛应用。
沼气生产从2009年的接近7934 toe（吨油当量，9.298×109 L），增长到2016年的14 120 toe（1.6548×1010 L）。
在欧洲，调整免税额、鼓励沼气研究和开发计划等措施大大地推动了使用生物质和生物垃圾制造燃料的工业活动。
至今用于生产气体燃料的废物所具备的性能和使用方式仍然是至关重要的问题。目前，研究方向集中在易于获得的资源，如农业废弃物资源。
☝德国的生物甲烷厂
图片来源：Pixabay
用于生产沼气的垃圾
1 原料
动物粪便、泥浆、污水、污泥、城市固体废弃物（MSW）、厨余垃圾……广泛的垃圾类型都可用作使用厌氧消化技术生产沼气的底物。
☝不同潜在底物的沼气产量和电力的比较
糖类、蛋白质、脂肪、纤维素和半纤维素等生物质可用作沼气生产的原料。通常添加共底物以增加有机物含量，从而获得更高的产气率。典型的共底物是农业相关的有机物垃圾、厨余垃圾和来自家庭的城市生活垃圾。
☝德国2010年沼气厂投入的底物
据报道，尽管糖类和蛋白质比脂肪的转化率更高，但后者的沼气产量更高。
2 纤维素垃圾
能源作物、农业残留物和污水污泥等纤维素垃圾具有很大的生物燃料生产潜力。木质纤维素主要由三种主要的有机成分组成：纤维素、半纤维素和木质素。
☝纤维素、半纤维素和木质素的成分简图
纤维素是主要结构成分，与植物细胞壁的机械强度有关。纤维素是地球上最丰富的有机化合物，占植物生物量的25%以上。
半纤维素构成木质素和纤维素分子之间的连接，并使整个纤维素-半纤维素-木质素网络更加紧凑。
木质素是细胞壁的杂聚物，存在于自然界中。木质素是一种天然聚合物，是木材的主要组成成分（占30%~60%），在农业残留物和草类中木质素占5%~30%，而作物残留物则主要为半纤维素。
根据最新的研究报道，木质素的表征，如组成和结构，可以积极地影响水解过程，以提高沼气的生产效率。也有报道称，生物质中较高的木质素含量降低了其降解效率。
沼气生产现状
1 主要问题
降解木质纤维素需要使用水解酶。尽管木质纤维素垃圾是用于沼气生产的有希望的原料，但木质纤维素的复杂结构导致了生物炼油厂运行的经济和技术上的障碍。
最近的研究指出，生物过程效率与预处理技术的性能有关。处理过程的选择是非常重要的，因为每种材料具有不同的特征，需要特定的处理方法。还需要进一步研究新的基因工程方法，来解决与降解相关的问题，以获得更高的效率。
2 多级和高压厌氧消化
多生物反应器系统的应用必须达到一个特定的目标，如改进工艺的稳定性和更高的效率。
在分离的反应器中进行水解/酸化和乙酰化/甲烷化两个阶段的厌氧消化过程的分离可以提高有机物到甲烷的转化率，但主要缺点仍然是复杂系统的成本问题。
目前几乎没有多级厌氧消化单元以商业规模运行来生产沼气。
研究人员正在开发基于高压力(高达100 bar，1 bar = 1×105 Pa)的替代技术。使用这个技术，可产生甲烷含量超过95%的沼气。这是将沼气生产和原位净化与压力增加相结合实现的。为了确定微生物过程的压力依赖性，需要进行更多的研究。
可以明确的是，使用多级和高压方法可以促进和加速未来木质纤维素原料用于沼气生产。
3 微生物动力学
利用微生物的混合物，将大部分废物转化为甲烷是可行的，这是改善厌氧消化的一条途径。
不同微生物群组的动力学是复杂和相互作用的。微生物群组的数量不成比例，影响了整个过程的反应速率。
据研究，在厌氧消化中有四种微生物菌群在起作用，它们对温度、pH、氧化还原和抑制剂等工艺条件的任何变化都最为敏感。因此，甲烷生成是沼气生产的关键途径，因为它通常被认为是整个过程的限速步骤。
人们对负责厌氧消化过程中的代谢活动的不同微生物类型知之甚少。迄今为止，低百分比的细菌和古细菌被分离，但是关于这些微生物之间的动力学和相互作用的信息很少。研究目前集中在使用分子技术调查群组结构。
沼气生产的技术与商业化
厌氧消化的复杂性和新技术投资所涉及的风险是厌氧消化技术改进的主要制约因素。研发部门在这一领域的目标是使厌氧消化技术成熟，以促进生物甲烷技术在燃料市场实现可行性应用。
确定研究与生物技术之间差距的关键是了解科学和技术，评估重要技术、经济和生态障碍的影响。必须分析指出利益和成本的标准。一旦分析了这些标准，其将提供基本信息，以评估发展所需要研究问题的优先级。
最近的研究集中在具有广泛应用性、更好的特性和低生产成本的微生物和生物催化剂的开发。
沼气生产包括技术和经济参数，如微生物种类、预处理和净化技术、底物性质和最佳反应器条件。 这些参数的结合优化是低成本高效益地生产沼气的关键。
厌氧消化技术已被实践证实，并具有很强的商业可用性。低成本和高可用性的各种各样的木质纤维素垃圾可用于沼气生产。
沼气是欧洲生物基础经济的重要组成部分。欧洲政策的目标是为绿色气体燃料建立环境可持续性标准，鼓励欧洲国家投资沼气装置。根据最近公布的EBA的沼气报告，欧洲已有15 000多个沼气工厂，并且数量仍在增长。
目前，研究旨在改善厌氧消化控制，从而提高效率。此外，微生物活动的影响是工艺稳定性和沼气产量的关键参数，因此需要进一步研究。在欧洲能源市场沼气生产正在增长，几十年后将为生物能源生产提供一个经济的替代方案。
参考文献：
Spyridon Achinas,Vasileios Achinas,Gerrit Jan Willem Euverink. A Technological Overview of Biogas Production from Biowaste[J]. Engineering, 2017, 3(3): 299-307.
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