项目简介

本项目以基于我国国情的生物甲烷跨越式发展为目标，通过化工、生物和材

料等多学科交叉，以化工新理论、新方法、新技术为核心，探索物质高效转化和能量有效利用的科学机制，为节能减排作贡献。

我国能源需求与CO2减排间的矛盾日益突出，发展可再生能源是实现CO2减排的必由之路。我国排放的巨量城市垃圾、畜禽粪便及秸秆等低劣生物质导致严重污染，加重CO2排放。若将其高效转化，可制得相当于我国天然气开采量2倍的生物甲烷，减少10亿吨CO2排放，兼具节能、减排、减污三重意义。

生物甲烷受各国高度重视，但由于对该过程物质转化和能量利用极限机制缺乏了解，导致入不敷出，解决“两低一高”—甲烷浓度低、产气速率低、成本高是变“政府输血”为“自己造血”的关键。

化学工程是实现物质高效转化和能量有效利用的重要手段，然而，生物甲烷系统涉及多菌群、多反应、多相，传统化工强化难以奏效；仅从菌群出发也无能为力。美国总统科学顾问Lynn Orr院士认为，亟需化工热力学介入。

本申请创新性地研究生物甲烷系统若干过程—反应、分离、系统中物质转化和能量利用极限及高效快速转化机制，凝炼出三个关键科学问题。

①“速率”：多菌群体系多相界面的传递机制 ②“浓度”：生物甲烷过程反应-分离耦合机制 ③“系统”：生物甲烷系统的结构剖析和优化

在此基础上形成六个子课题：

课题1：复杂生化过程介观尺度热力学效率和过程速率的研究 课题2：产甲烷系统微生物群落协同作用机制解析 课题3：生物甲烷化过程中多相界面微环境的构筑和调控 课题4：多尺度可调控高效厌氧反应器中传递问题的研究 课题5：副产物无害化与资源化的减排技术及评价 课题6：产物分离、储运新技术及其可持续性评价

创新点：①提出利用纳微界面调控速率新思路；②提出利用反应分离耦合提

高甲烷浓度新方法；③提出利用网络拓扑结构剖析复杂系统新观点。

预期目标：揭示生物甲烷系统物质转化和能源有效利用机制，解析系统复杂菌群多重互营代谢网络，阐明纳微新材料介入下该过程的反应-分离耦合机理，优化系统多尺度复杂拓扑结构。生物甲烷容积产气速率提高3-5倍，甲烷含量提高到97%，系统能耗下降20%，建立1000m3生物甲烷示范工程进行验证，形成从原理、技术到装备的集成创新。

项目依据

当前化石能源枯竭和环境污染两大问题极大困扰着全球，“节能减排”成为最

为关注的焦点。本项目推荐首席科学家主持的973预研项目“过程工业减排的节能机制”研究，以及主持召开的 “过程工业减排中节能机制的若干科学问题”第363次香山科学会议，得到如下共识：1）减排和节能之间存在巨大矛盾，减排背后的能耗代价未被重视；2）以低劣生物质制生物甲烷为代表的生物技术与化学工程结合，在资源化利用及CO2减排等领域有很大发展潜力，建议国家加大投入。

1. 低劣生物质转化生物甲烷能“化腐朽为神奇”，符合我国节能减排重大需求

天然气是当今世界首选的清洁燃料和优质化工原料，我国天然气需求量急剧上升。2011年我国消耗的天然气总量达1290亿m3，预计2020年将超过2000亿m3。然而我国是缺油少气的国家，2011年我国天然气探明储量为4.5万亿m3，仅可使用20-30年。因此，保障我国未来天然气供应的可持续性，事关国家安全。

目前，我国对能源的需求不断增长。2011年，能源消耗总量已达34.8亿吨标煤，跃居世界第一；然而，由于消耗的能源90%来自化石能源，虽然采取各种减排方法，但当年CO2减排4%的指标仅实现1.31%。

现代工业是建立在化石能源大量消耗基础上的。据国际能源署最近发布的公告，2011年全球由于化石能源带来的CO2排放达316亿吨[1]。目前减排CO2的主要途径包括碳捕获和封存（CCS）、化学转化、以及发展可再生能源等。虽然碳捕获和封存技术受到广泛重视，但该技术以高能耗和高成本为代价，澳大利

亚全球碳捕集与封存研究院2011年评估报告表明[2]，目前CCS技术减排潜力仅为1.6亿吨/年。而通过化学转化方法利用CO2生产聚合物等化学品，目前仍处于起步阶段，相对于CO2的排放量来说是九牛一毛。

而在另一方面，自然界具有强大的CO2减排能力。根据2010年《Science》报道的最新计算结果[3]，全球每年通过生物转化可以固定4510亿吨CO2。如果其中有7%作为生物质能替代化石能源使用，每年即可减少CO2排放316亿吨。因此，大力发展生物质能源，减少化石能源消耗，是实现CO2减排的必由之路。

目前，世界各国依据自身国情大力发展生物质能源。例如美国地广人稀，粮食过剩，注重以玉米等粮食作物发展生物乙醇。巴西根据其热带雨林气候，林木丰茂的特点，发展以甘蔗制乙醇路线。瑞典针对其纬度高日照短森林覆盖率高的特点，发展木质纤维素热化学转化路线。而对于我国来说，由于人口多（占世界22%）、耕地少（占世界7%）的国情，发展生物质能源不能照搬国外模式，必须不与人争粮，不与粮争地。

与此同时，我国每年排放的3亿多吨城市垃圾、40多亿吨畜禽粪便，以及大量农业秸秆等低劣生物质导致严重的环境污染问题。我国13亿人口和分别占世界51%和40%饲养量的猪和鸡鸭所产生的粪便数量世界第一，国务院2010年颁布的《第一次全国污染源普查公报》指出：“畜禽养殖业污染严重，全国水污染中的42.0%COD、21.7%总氮、37.7%总磷排放量来自畜禽粪便”。低劣生物质的无序堆放，不仅会传播各种病菌，还会发酵生成甲烷释放到大气中，引起的温室效应是CO2的21倍！

然而，减排低劣生物质所需的能耗代价极其巨大。本项目推荐首席科学家首次提出了基于减排过程节能机制的热力学框架，并根据热力学定律建立了物理法减排污染物理论极限能耗的热力学分析方法[4]。研究表明，减排40多亿吨畜禽粪便带来的1.5亿吨COD，理论能耗为117亿吨标准煤，并带来304亿吨CO2的排放，这几乎相当于2011年全球化石能源排放CO2的总量。

另一方面，正如《Nature》所指：“Turning manure into gold！”（粪土变黄金），低劣生物质是产生生物甲烷，替代天然气的宝贵资源。我国每年产生的低劣生物质总量近30亿吨（干重），若将其高效转化，可制得2000亿m3生物甲烷，是我国2010年天然气开采量的2倍，每年可减少10亿吨CO2排放，将极大程度

缓解我国天然气短缺和环境污染问题；同时，由于废液废渣中富含氮、磷，可代替20-40%化肥。因此，大力开展低劣生物质高效转化生物甲烷，是“化腐朽为神奇”，同时实现节能与减排的有效手段，符合我国国家战略重大需求。

2. 生物甲烷是可再生能源的发展趋势

与太阳能、风能相比，以生物甲烷为典型代表的生物质能是唯一可存储、可作为燃料和化学原料的可再生能源。将低劣生物质高效转化为生物甲烷是其资源化利用的最优方式，符合我国国情和可持续发展战略（见表1）。

生物甲烷在德国、瑞典等发达国家的能源发展战略中备受关注，在美国被奥巴马总统认为是“下一代高级生物燃料”。欧盟发布的《生物燃料战略》对其发展进行了规划，德国从2006年开始将生物甲烷注入天然气管网，并立法规定到2020年生物甲烷所占比重将达6%；瑞典则大力发展生物甲烷，以实现到2020年完全摆脱对石油依赖的目标。

然而，我国虽然有多年发展农业小沼气的经验，但对于工业化生产生物甲烷，则几乎处于空白。由于我国原料与气候的国情与国外存在较大差别，不能直接照搬国外技术。因此，我国必须抓住机遇，实现生物甲烷产业的跨越式发展。

3. 生物甲烷的发展亟需化学工程的交叉融合

目前各国生物甲烷产业极度依赖政府补贴，最重要的原因是生物甲烷过程物质转化和能量有效利用的科学机制尚未被揭示。2010年美国总统科学顾问、斯坦福大学教授Lynn Orr院士指出：目前人们对于化石能源的利用极限已经十分清楚，但对于新能源，如何进行有效利用以及利用极限在哪里，人们尚不清楚，亟需化工热力学的介入。

从物质转化和能量利用角度来看，目前生物甲烷过程存在“两低一高”问题，即：①产气速率低，代表先进水平的德国大规模工程甲烷产率一般为1.0-1.5 m3/m3·d，我国仅为0.5-0.6 m3/m3·d；②甲烷浓度低（甲烷含量约50%）；③过程能耗和规模化成本高。这三大问题直接导致低劣生物质甲烷化产业的入不敷出。

工业放大过程中物质的高效转化和能量的有效利用是化学工程的核心内容。从历史来看，化学工程与生物技术的结合，极大程度推动了生物技术的发展。青霉素就是最好的案例，正是因为化工放大技术的介入，彻底解决了其纯度、产量