AI視頻 | 從生物“垃圾”到元素“礦山”

▲科學(xué)家提出生物質(zhì)廢棄物全元素極限利用新范式（視頻由AI生成）

畜禽糞便、農(nóng)作物秸稈只是“垃圾”或單純的“燃料”嗎？在科學(xué)家眼中，它們是一座元素“礦山”。

近日，中國科學(xué)院成都生物研究所研究團隊提出生物質(zhì)廢棄物全元素極限利用新范式，試圖打破傳統(tǒng)利用方式效率低下的僵局，通過原料元素挖掘、過程精準(zhǔn)轉(zhuǎn)化和終端元素循環(huán)利用，充分激活廢棄物中元素資源潛力，發(fā)揮其最大價值。

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生物質(zhì)不僅是能源

長期以來，生物質(zhì)廢棄物的處理陷入了“重能源、輕營養(yǎng)、忽微量”的誤區(qū)。

簡單來說，就是大家往往只盯著生物質(zhì)廢棄物能不能產(chǎn)生燃?xì)饣螂娏Γ瑓s忽視了其中寶貴的營養(yǎng)元素（氮、磷、鉀、硫）和微量元素（鐵、鎂、鋅等）。

這種“單打一”的轉(zhuǎn)化方式，導(dǎo)致大量資源流失。此前的研究顯示，生物質(zhì)廢棄物本質(zhì)上是一個復(fù)雜的元素矩陣。如果只取其一，便是典型的舍本逐末，與“買櫝還珠”的謬誤無異。

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三大招數(shù)：

解鎖全元素極限利用

為了把這些流失的資源“抓”回來，科研團隊提出三大核心途徑：

首先，原料元素潛力深挖。生物質(zhì)廢棄物的綜合利用需注重其元素組成。碳元素可以轉(zhuǎn)化為生物炭，這就像建立了一個“碳銀行”，把碳穩(wěn)定地封存在地下，既能改良土壤，又能實現(xiàn)負(fù)碳排放。有數(shù)據(jù)顯示，我國每年產(chǎn)生的畜禽糞便中，含氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素總量達3500萬噸，可達全國化肥年用量的一半以上，營養(yǎng)元素的資源化利用價值亟待重點關(guān)注。此外，鐵、錳、鋅含量雖少，但它們是微生物干活的“興奮劑”，作為厭氧消化中關(guān)鍵酶的輔因子，能夠有效穩(wěn)定微生物活性、抑制揮發(fā)性脂肪酸積累，從而大幅提升微生物代謝產(chǎn)生甲烷的效率。

其次，生物質(zhì)元素高保留。高效利用生物質(zhì)廢棄物，關(guān)鍵在于轉(zhuǎn)化工藝中元素的最大保留。傳統(tǒng)的好氧堆肥會因氣體排放造成嚴(yán)重的碳、氮流失。相比之下，水熱腐殖化技術(shù)提供了一種極具潛力的“元素保留”途徑，可避免碳的氣體流失，實現(xiàn)近100%的碳保留，同時高效地將營養(yǎng)元素和微量元素鎖定在腐植酸肥中。在土壤修復(fù)應(yīng)用中，人工腐殖質(zhì)兼具碳封存功能與強化生物刺激素效應(yīng)。

此外，副產(chǎn)物也要變廢為寶。轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物是造成元素?fù)p失的關(guān)鍵。將副產(chǎn)物有效循環(huán)利用，構(gòu)建整合利用體系，將推動生物質(zhì)中元素的極限利用。以生物質(zhì)厭氧消化為例，將生產(chǎn)的甲烷用于供能的同時，可將沼氣提純回收的硫單質(zhì)和富含營養(yǎng)元素的沼液轉(zhuǎn)化為高附加值的單細(xì)胞蛋白。沼渣則可轉(zhuǎn)化為高價值的人工腐植酸，并通過整合回收的硫單質(zhì)生產(chǎn)富硫肥料。“榨干吃盡”的模式，可助力實現(xiàn)生物質(zhì)廢棄物元素的極限利用。

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用好+管好

▲未來生物工廠示意圖

要實現(xiàn)生物質(zhì)廢棄物從“單打一”的能源轉(zhuǎn)化向“全元素極限利用”的范式轉(zhuǎn)變，不僅需要生物技術(shù)、化學(xué)催化與人工智能的“跨界混搭”，更需要管理模式的革新。

研究團隊強調(diào)，未來需要建立精準(zhǔn)的“元素導(dǎo)航”系統(tǒng)，根據(jù)產(chǎn)業(yè)需求，因地制宜地制定生物質(zhì)中元素利用策略。

這一系統(tǒng)性、精準(zhǔn)化的資源管理思路，對提升生物質(zhì)廢棄物資源利用效率具有重要意義，有助于推動綠色可持續(xù)發(fā)展。

來源：中國科學(xué)院成都生物研究所

責(zé)任編輯：梁春雨