CO_(2)干式生物甲烷化试验研究

随着我国逐步成为最大能源消费国与碳排放国,CO_(2)的高效资源化利用成为实现“双碳”战略的重要手段。微生物催化还原CO_(2)备受关注,可低成本同步实现绿氢储存和CO_(2)转化利用。围绕CO_(2)干式生物甲烷化方法的建立,从转化速率的关键影响因素和微生物群落结构两方面开展实验研究。研究结果表明,在无氧干式反应器中,以载碳海绵为填料,温度设置为35℃,最佳H_(2)/CO_(2)进料比为4∶1,最佳营养液浸泡周期为6 d。通过高通量测序技术对浸泡周期结束的微生物进行测序分析,发现在干式反应器中,厌氧耗氢产甲烷菌是主导,属水平上以Methanobacterium和Methanosaeta为主,细菌群落中Acetobacterium和Mesotoga丰富度占比较高。对CO_(2)干式生物甲烷化方法的转化速率的关键影响因素和微生物群落结构进行研究,为微生物产甲烷提供了理论基础和技术支撑。

煤气生物甲烷化技术研究进展

本文介绍了国外煤气生物甲烷化技术研究进展概况，重点介绍了煤气生物甲烷化原理、甲烷化微生物、生物甲烷化反应器动力学研究及生物甲烷化技术经济评价。

煤气甲烷化新技术──生物甲烷化技术

本文重点介绍国外煤气生物甲烷化技术的原理、甲烷化微生物、生物甲烷化反应器动力学研究及生物甲烷化技术经济评价。

超临界CO_(2)参与下煤储层原位微生物甲烷化物理模拟研究

超临界CO_(2)能够破坏煤分子结构,提高生物甲烷的产量。为研究微生物在超临界CO_(2)参与的煤储层原位条件下的产气潜力,以新疆地区某煤层气区块目标煤层的初始储层压力、温度和气体组分作为原位储层条件,通过自主设计的煤储层原位厌氧发酵装置,模拟煤储层原位储层条件下的厌氧发酵过程,并对生物气产量、煤的官能团结构和微生物群落结构进行了分析。研究结果表明,在超临界CO_(2)参与的煤储层原位条件下,生物甲烷产量达到了32.9 mL/g,CO_(2)的生物转化率为17.4%。FTIR光谱表明,原位条件下微生物对苯酚、醇、醚、酯中含氧基团的降解能力要强于常规条件下的厌氧发酵。超临界CO_(2)参与下的储层原位厌氧发酵系统中,多种产甲烷代谢途径的产甲烷菌(氢营养型、乙酸营养型和甲基营养型)逐渐向单一的氢营养型产甲烷菌演化。高压环境下,细菌群落中芽孢杆菌Solibacillus silvestris成为水解产酸发酵阶段的优势菌。该研究为煤层气生物工程的现场实施和碳减排提供了实验基础。

合成气生物甲烷化影响因素研究

随着石化资源的日益减少以及环境问题越来越受到人们的重视,可持续再生的清洁能源也逐渐成为人们关注的热点。根据我国特殊的"富煤、少油、贫气"能源结构以及丰富的生物质资源,煤炭和生物质经热解气化技术所得合成气经生物转化作用生产高品质生物燃气的技术在近年来逐渐成为研究者的研究重点。文章主要研究了合成气生物甲烷化技术中温度、气液传质速率等因素对转化效率的影响。研究发现:利用模拟合成气(SSG)为原料气体,气体组成为(H_2:CO:CH_4:CO_2)为7:6:3:4,CO分压为0.1 atm,反应体积为1.2 L,HRT为24 h的条件下,对比37℃,45℃,55℃体系中甲烷含量及液相分析,发现37℃下,体系长期运行更稳定,且甲烷含量相较于高温也较高;而在同一温度下,高转速时系统转化效果更好,说明了气液传质过程对该体系的重要性。

弱碱性吸收剂碳捕集及CO_(2)富液生物再生性能

碳捕集转化一体化工艺能利用CO_(2)转化过程同步实现CO_(2)富液再生,有望降低碳捕集转化整体成本。为评价生物甲烷化与碳捕集耦合的可行性,首先,在填料塔中考察了以4.2 g/L NaHCO_(3)、6 g/L Na_(2)CO_(3)、微生物营养液配制的弱碱性吸收剂(pH=10)对模拟烟气中CO_(2)的吸收性能;其次,在厌氧瓶内利用生物甲烷化过程对CO_(2)富液开展5个周期的循环再生试验。结果表明,填料塔气体流量≤1.0 L/min时,随液体流量增加,所有试验组CO_(2)去除率逐渐上升并能稳定在80%以上,该填料塔液体流量宜≤0.9 L/min;不同气体流量(0.4~1.2 L/min)下填料塔体积总传质系数基本稳定在17~19 mol/(h·kPa·m^(3));CO_(2)吸收导致吸收液中NaHCO_(3)增加、Na_(2)CO_(3)减少,二者变量比值在1.2~1.9。气体流量为0.6 L/min、液体流量为0.7 L/min时,在维持80%以上CO_(2)去除率的前提下,该弱碱性吸收剂可循环使用6次,此时活性组分CO_(3)^(2-)利用率达89.5%,形成的CO_(2)富液中总无机碳量为0.127 mol/L,pH为8.82,能为生物甲烷化微生物提供适宜的生长环境。CO_(2)富液循环生物再生试验表明,每次再生后的吸收剂CO_(2)吸收量基本稳定在69.6~78.6 mmol/L,且再生期间CH 4产生过程具有良好的重复性;再生试验后,Firmicutes、Actinobacteriota等耐碱性门水平细菌得到一定富集;氢营养型产甲烷菌在再生前后古菌属中占比均接近99%,但再生试验期间弱碱性环境导致Methanobrevibacter相对丰度降低了19.5%,unclassified_f_Methanobacteriaceae增加了18.7%。初步证实了碳捕集耦合生物甲烷化工艺的可行性。

二氧化碳地下生化合成天然气耦合地热利用:技术系统、挑战及展望

碳捕集、利用与封存技术(CCUS)等人工负碳技术将在中国实现“双碳”目标的过程中发挥关键作用,但现有技术存在实施成本高、效率低等问题。为此,首次提出CO_(2)地下生化合成天然气耦合地热利用技术系统,其耦合过程为:①地热利用降低储层温度,为CO_(2)生化合成天然气营造适宜的地温条件;②CO_(2)生化合成天然气释放反应热,增加储层温度,提升地热利用效率。为区别于传统CCUS技术,将其称为碳捕集、循环利用与封存(CCCUS)技术,并对其技术经济可行性及综合潜力进行了初步评估。研究结果表明:①全球首创的CCCUS技术系统功能包括地下生化合成与储存再生天然气、地热利用、强化天然气开采、CO_(2)地质封存等;②与传统人工负碳技术相比,CCCUS的优势为降低碳捕集难度及成本、提升碳封存效率,同时变废为宝实现碳循环资源化、能源化利用及碳循环经济;③若在全国常规气藏开展CCCUS,单次循环可利用CO_(2)约4.35×108 t、合成CH4约2178.8×108 m3、储能8675.6×1012 kJ、产生地热(化学反应热)1614.4×1012 kJ,多次循环最终可封存CO_(2)达22.8×108 t。结论认为,CCCUS技术系统为中国碳循环经济的发展提供了一种全新的思路,可实现碳循环资源化、能源化利用并可弥补传统CCUS技术的不足,有望成为中国最具发展潜力的人工负碳技术。

合成气生物发酵制甲烷

利用合成气生物发酵制备烷经和醇类的技术越来越受到研究者的重视。合成气可通过煤、天然气以及生物质原料气化得到，利用生物方法进一步处理合成气，有利于对煤炭和秸秆的清洁高效利用。中国石油大学（北京）新能源研究院以合成气为发酵原料气体制取甲烷，使用方法工艺简单，成本较低。相较于目前工业使用的传统合成气甲烷化热化学方法，生物甲烷化过程具有常温常压操作等优点，所得生物燃气可用于城市燃气。

富氢合成气生物甲烷化与餐厨垃圾厌氧消化耦合性能分析

提出利用餐厨垃圾轻物质生产富氢合成气,并将富氢合成气生物甲烷化与现有餐厨垃圾厌氧消化单元耦合的工艺路线,为评估其可行性,考察了耦合系统的长期运行性能,并分析了该系统提升现有甲烷(CH_(4))产量的潜力。结果表明:在餐厨垃圾有机负荷(以挥发性固体质量计)为0.5~2.0 g/(L·d)、富氢合成气流量为0~5.28 L/d条件下,餐厨垃圾厌氧消化与富氢合成气生物甲烷化均能保持稳定运行,且沼气提纯效果明显,尤其在餐厨垃圾有机负荷为0.5,1.0 g/(L·d)时,产品气中CH_(4)的平均含量分别高达96.4%和86.6%;提高富氢合成气生物甲烷化速率以及优化调控反应体系的pH值、有效碱度和有机酸积累量有助于进一步提高该耦合系统的处理能力和运行稳定性;以300 t/d餐厨垃圾处理厂为例,该耦合系统预计能提高94.5%的CH_(4)产量,后续有必要结合成本效益分析,进一步评估该耦合工艺的工业化应用潜力。

制革工业固体废弃物的处理和利用：（一）

本文综述了科学文献中关于制革工业所产生的固体废弃物的处理和利用的不同方法。在鞣制过程会产生相当大体积的副产物和废弃物，因此，鞣质会对环境产生严重的负面效应。环保法的完善促使工业学家、环境学家和科学工作者寻找污染的净化途径，使固体鞣质污染物转化为有用的副产物，回收并在其他工业领域得以应用。制造有机肥料，生产生物质、明胶、胶原等以多样化应用，生物甲烷化以产生能源都是解决未经鞣制的废弃物的方法。鞣制产生的废弃物也有一些应用和处理的方法，例如蛋白质的恢复，铬的利用、焚化，固体鞣质作为从废水中吸附有机污染物的吸附剂等。另一方面，鞣质污泥经处理后能在鞣制工艺中回收利用或在其他工业领域应用。本文关注所有这些废弃物的解决方案，以回答研究者以及致力于提高皮革工业环境品质的一些行业领军人物的疑问。