规模化农场有机废弃物厌氧消化中温-高温两级工艺提升沼气产量与消化液品质的研究

为解决有机农场废弃物处理难题及可再生能源需求，研究人员开展牛粪与酵母提取物共消化（co-digestion）结合中温-高温两级厌氧消化（AD）系统的研究。通过72 L连续搅拌反应器（CSTR）实验，发现高温后消化（thermophilic post-digestion）使甲烷产量提升1.77倍至421 L CH4 /kg VS，但需控制H2 S生成。该研究为农场废弃物资源化提供高效技术路径。

　　

在全球气候变暖与能源转型的背景下，如何处理每年数以亿吨计的农场有机废弃物，同时生产清洁能源，成为可持续发展的重要命题。欧盟《2030气候与能源框架》设定了55%的温室气体减排目标，而厌氧消化（Anaerobic Digestion, AD）技术因其"变废为宝"的双重效益备受关注——既能将牛粪等有机废弃物转化为甲烷（CH₄
）为主的沼气，又能产出富含氮磷的消化液（digestate）作为有机肥料。然而，传统单级AD系统存在甲烷产率低、消化周期长等问题，特别是处理高硫含量的酵母提取物等工业副产品时，产生的硫化氢（H₂
S）会腐蚀设备并抑制微生物活性。

针对这些挑战，比利时研究团队在《Waste Management Bulletin》发表研究，创新性地采用中温（38-42°C）与高温（51-54°C）两级连续搅拌反应器（Continuously Stirred Tank Reactor, CSTR）系统，对比评估了牛粪单独消化（mono-digestion）以及与酵母提取物共消化（co-digestion）的效能。研究通过72 L反应器的半连续实验，结合生化甲烷潜力（Biochemical Methane Potential, BMP）测试，监测了沼气产量、气体成分、挥发性脂肪酸（Volatile Fatty Acids, VFAs）波动及消化液农用品质等关键指标。

关键技术方法
研究采用两级CSTR系统，初级为中温反应器（28天水力停留时间HRT），次级为高温后消化器。通过BMP测试确定最佳原料配比（牛粪:酵母提取物=5:1），采用气相色谱分析CH₄
/CO₂
/H₂
S含量，ICP-OES检测重金属，并依据欧盟《肥料产品条例》（EU 2019/1009）评估消化液品质。

研究结果

1. 原料甲烷潜力分析
BMP测试显示酵母提取物单独消化的甲烷产率最高（294.6 L CH₄
/kg VS），但其H₂
S浓度达1119 ppm。共消化虽使甲烷含量降至59.8%（低于牛粪单独消化的62.9%），但H₂
S激增至2128 ppm，揭示硫还原菌群的协同作用。

2. 牛粪单级消化性能
中温阶段稳态甲烷产量为138 L CH₄
/kg VS，但VFA（如乙酸）波动显著（653-3308 mg/kg）。高温后消化额外回收100 L CH₄
/kg VS，两级系统总产率达238 L CH₄
/kg VS，证实高温阶段对难降解有机物的深度转化作用。

3. 共消化工艺优化
添加酵母提取物后，系统甲烷总产率跃升至421 L CH₄
/kg VS，但需每日投加15 mL FeCl₃
将H₂
S从7651 ppm降至2473 ppm。高温反应器因接受预消化物料，硫负荷降低，稳定性优于中温阶段。

4. 消化液品质与安全性
所有消化液均满足欧盟液体有机肥标准（PFC 1），NPK总量超12%。高温处理使大肠杆菌（E. coli）从原料的95,000 MPN/g降至未检出，沙门氏菌始终阴性。共消化液总氮（TN）达3.3%，但镉（Cd）等重金属未超标。

结论与意义
该研究证实中温-高温两级AD系统可提升甲烷产量77%，尤其适合处理高硫工业副产品。尽管共消化需配套H₂
S脱除工艺，但其产生的消化液兼具营养价值与卫生安全性，符合循环农业要求。这一成果为农场废弃物能源化提供了可放大的技术模板，同时响应了欧盟《绿色新政》对可再生能源与有机肥联产的战略需求。未来研究可探索低成本硫回收技术，进一步优化工艺经济性。