陳文華、詹明峯、王蔚 / 核能研究所
沼氣產業是生物精煉的一環，能將產業之有機廢棄物轉換為能資源。由於單獨依賴微生物分解有機物質，其效果有限且整體反應時間過長，導致沼氣生產效率不佳，而生質物解聚技術能有效將纖維生質物破壞分解，使微生物更容易將其轉化成沼氣。本文介紹不同生質物解聚技術及其應用於沼氣生產之效益，並簡述核研所之生質物解聚與厭氧消化整合技術應用於提升纖維生質物及養豬場廢水沼氣產量之功效，另亦討論厭氧消化沼液、沼渣之去化與再利用。
【內文精選】
生質物解聚技術對沼氣生產之效益
1. 厭氧消化程序
厭氧消化(Anaerobic Digestion)是生產沼氣的關鍵技術，厭氧消化程序包含水解、酸化、醋酸化與甲烷化四個步驟。水解作用係將複雜有機物中之大分子分解成可溶性物質小分子，再藉由酸化作用分解出脂肪酸，進一步醋酸化產出合成甲烷所需化合物，供後續微生物進行甲烷化使用。基於甲烷菌生長緩慢且易受環境影響，傳統上甲烷化被視為厭氧消化之速率決定步驟。
2. 生質物解聚技術對沼氣生產之影響
農業廢棄物等生質物之組成主要包含纖維素、半纖維素和木質素，纖維素和半纖維素分別可水解為葡萄糖和木糖、阿拉伯糖、甘露糖等糖類，作為生產沼氣來源之一。由於纖維生質物的纖維結構緊實，使得其難以直接被微生物所利用，藉由解聚程序移除木質素或破壞木質素結構、水解半纖維素、降低纖維素的結晶度、增加孔隙度及表面積等效果，可增加於厭氧消化時與菌株之接觸面積，進而提升生產沼氣的產率(圖三)。解聚前處理方式係利用添加化學藥劑，擾亂纖維結構的鍵結，增加纖維素與半纖維素的反應面積，依據操作方式及添加藥劑特性不同，可分為物理法、化學法、物理化學法以及生物法。
圖三、生質物解聚技術對微生物代謝之影響示意圖
生質物解聚與厭氧消化技術整合開發應用
在經濟部能源局支持與指導下，核研所長期致力於以非糧食的農林廢棄物等纖維生質物，發展生質能源及生質化學品技術，所開發的生質物解聚(Biomass Depolymerization)技術，主要透過物理和化學方式，將纖維原料進行前處理，得到原料結構內的有用物質，供後端應用，例如生質酒精或生質化學品等。進一步遂將生質物解聚與厭氧消化技術整合，由實驗室推進到噸級試驗，同時開發沼渣副產品以提升其應用價值，據此建立生質精煉循環，促進能源永續發展。
1. 生質物解聚技術對厭氧消化沼氣產量提升效果
由產氣累積量趨勢發現，經解聚前處理的纖維生質物，其沼氣生產速率相較於未處理原料快速增加，於第5天即可達到最高沼氣累積量且較未處理原料提升約4~5倍，顯示解聚技術可增加稻稈、蔗渣與木片等料源於厭氧消化時與菌株之接觸面積，進而提升沼氣生產速率與產量之雙重效益。基於稻稈具有沼氣生產潛能且為國內大宗的生質廢棄物，進一步以解聚後稻稈進行測試廠噸級測試運轉，其沼氣潛能每公斤揮發性固體可生產380~427公升沼氣，即每噸稻稈原料約可生產240~270立方米沼氣，提供的發電量約360~405度電。
2. 生質物厭氧消化之沼渣沼液處理
厭氧消化生產沼氣過程中所伴隨之沼液與沼渣等副產物，其組成受進料組成、厭氧消化操作條件、污泥來源、反應器形式以及進料前處理方式影響，若未妥善處理會造成環境與生態的壓力。沼液富含氮與鉀，可作為藻類養殖的營養來源；沼渣之成分主要包含碳、氮、磷等元素，並含有鈉、鉀、鈣、鎂、鋁、鐵等無機成分，具有作為農肥之潛力；傳統上多以掩埋、焚化方式進行處置或直接回歸於農地作為肥分，然而基於法規限制、氣體逸散及環境污染之疑慮，尋找新興且具有效益之處置模式有其發展之必要性。
以上述解聚稻稈經厭氧消化後之沼渣為原料，分別以熱裂解與水熱碳化之方式將沼渣先行碳化，再藉由化學活化之方式將其轉化為高比表面積之活性碳(Activated Carbon)，其比表面積分別可達1,680 m2/g及2,028 m2/g，比較稻稈沼渣和活性碳產品之電子顯微鏡圖(圖八)，顯示活性碳產品之孔隙度明顯增加 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖八、(a)稻稈沼渣；(b)活性碳產品之電子顯微鏡圖
★本文節錄自《工業材料雜誌》426期，更多資料請見下方附檔。