间歇性氢气吹扫强化生物甲烷化工艺的效能评估与CO2 资源化应用研究

本研究针对传统沼气升级过程中CO2 分离效率低、H2 供应失衡导致系统不稳定的问题，创新性地采用间歇脉冲H2 注入策略，在35°C中温CSTR（连续搅拌釜反应器）中实现82.71%的CH4 产气纯度与74.53%的CO2 利用率，证实该方法可有效抑制VFA（挥发性脂肪酸）积累并维持pH稳定，为生物沼气升级与碳捕获技术提供新思路。

　　

随着全球对可再生能源需求的增长，生物沼气（Biogas）作为生物质能源的重要形式，其升级提纯技术成为研究热点。传统物理化学法如变压吸附（PSA）虽能分离沼气中的CO₂
，但存在能耗高、成本昂贵等问题。更棘手的是，直接向厌氧消化系统通入过量H₂
易引发挥发性脂肪酸（VFA）积累和pH失衡，导致微生物群落崩溃。如何实现CO₂
的高效生物转化，同时避免H₂
抑制效应，成为横亘在科研人员面前的难题。

挪威Drammen污水处理厂的研究团队在《Next Energy》发表论文，通过设计间歇性H₂
吹扫策略，在中温条件下（35°C）利用连续搅拌釜反应器（CSTR）实现了CO₂
向CH₄
的高效转化。研究发现，分阶段注入H₂
（初始H₂
:CO₂
=3:1，后续按4:1补充）可使CH₄
含量提升至82.71%，且VFA浓度稳定在5.10 mg/L，pH维持在7.53，显著优于传统连续供氢模式。这一成果不仅为沼气升级提供了新方案，更拓展了氢能终端利用与碳捕获（CCU）的技术路径。

研究采用三项关键技术：1）接种物预适应——从污水处理厂消化污泥中筛选氢营养型产甲烷菌，在H₂
-CO₂
环境中驯化两周；2）脉冲式气体注入——基于气相色谱（GC）监测的残余CO₂
动态调节H₂
补给量；3）多参数联检——通过压力监测、VFA谱分析（Trace 1300 GC）和pH追踪评估系统稳定性。

氢营养型产甲烷气体组分
反应器压力曲线显示，H₂
消耗始于第1天，第3天达平衡。最终产物气中CH₄
占比82.71±1.37%，CO₂
转化率随时间递减，验证了分阶段供氢对代谢路径的优化作用。

CH₄
产率与CO₂
转化效率
累计产CH₄
0.78 mmol，达理论H₂
转化潜力的80.21%。值得注意的是，背景CO₂
（来自接种物）贡献了总可用碳源的35.7%，说明实际工程中需考虑有机底物的碳释放影响。

消化混合物VFA谱
初始接种物含9.20 mg/L VFA（以乙酸为主），实验期间未检测到乙酸积累，但出现反常的庚酸（C7）峰，推测可能与反向β-氧化链延长反应有关。pH稳定在7.53-8.13，为氢营养型产甲烷菌（如甲烷八叠球菌目）创造理想环境。

间歇性H₂
吹扫技术前景
相比连续供氢，脉冲策略通过维持较低H₂
分压，有效规避了同型乙酸菌的竞争性抑制。该技术若与AI驱动的传感器联用，可进一步优化工业级反应器的H₂
投配精度。

这项研究突破性地证明，间歇性H₂
供给不仅能提升CO₂
生物甲烷化效率，还可规避系统酸化风险。其价值在于：1）为现有沼气厂提供低成本升级改造方案；2）将工业排放的CO₂
转化为可再生天然气（RNG）；3）为氢经济中的"绿氢"消纳开辟新场景。未来研究可探索脉冲周期与反应器构型的协同优化，推动该技术从实验室走向规模化应用。