响应面法优化餐厨垃圾中高温酸化工艺提升两相厌氧消化效能研究

本研究针对餐厨垃圾单相厌氧消化系统中挥发性脂肪酸(VFAs)过度积累抑制产甲烷的难题，采用响应面法(RSM)系统优化中高温(41.67°C)酸化阶段的温度、F/M比、有机负荷(OL)、pH和HRT等关键参数。通过建立以丁酸发酵为主导的定向发酵模式，实现丁酸和乙酸浓度达19324.7 mg·L?1(占VFAs总量89%)，同时抑制丙酸积累，为两相厌氧消化系统提供了参数优化理论框架。

　　

随着中国城市化进程加速，餐厨垃圾年产量已突破1.4亿吨，其高含水率(70-90%)和易腐特性导致传统填埋和焚烧处理易引发二次污染。尽管厌氧消化技术能实现能源回收(甲烷产率0.440-0.480 m³/kg VS)，但餐厨垃圾高碳氮比(C/N)使得水解酸化阶段产生的挥发性脂肪酸(VFAs)和乙醇快速积累，造成系统pH骤降，严重抑制产甲烷菌活性。现有研究多聚焦单因素调控，缺乏对温度、有机负荷等多参数协同作用的系统研究。北京化工大学的研究团队在《Biochemical Engineering Journal》发表论文，创新性地采用响应面法(RSM)优化中高温条件下餐厨垃圾酸化工艺参数，通过建立丁酸-乙酸主导的发酵模式，显著提升两相厌氧消化系统稳定性。

研究采用批次实验设计，以北京高校食堂餐厨垃圾和北京顺义区沼气电站厌氧污泥为原料，通过中心复合设计(CCD)建立五因素（温度35-55°C、F/M比1-5、OL 20-80 g VS·L^?1、pH 5-9、HRT 2-10天）响应模型。利用气相色谱监测VFAs组分，结合方差分析(ANOVA)确定参数交互作用。

Effect of initial pH on acid production
研究发现初始pH=9时，丁酸浓度较pH=5提升2.3倍，证实碱性环境更利于梭菌属(Clostridium)等丁酸产生菌的富集。温度52.5°C时，pH动态监测显示系统缓冲能力显著增强。

Optimal conditions validation
通过RSM模型推导出最佳参数组合：温度41.67°C、F/M=2、pH=9、HRT 3.35天、OL 80 g VS·L^?1。验证实验显示该条件下丁酸和乙酸占总VFAs的89%，丙酸占比降至6%以下，成功实现发酵路径定向调控。

Temperature comparison
对比实验表明，中高温(40-45°C)较超高温(>55°C)使产酸菌存活率提高37%，系统稳定性指数(ISI)达0.92，证实该温度区间能平衡微生物活性和代谢效率。

该研究首次建立餐厨垃圾酸化多参数优化模型，揭示温度-pH-OL三者的非线性交互效应：高温(>50°C)需配合高OL(>60 g VS·L^?1)才能维持酸化效率，而HRT缩短至3天时需同步提升F/M比至2.5以上。通过抑制丙酸途径(甲基丙二酰-CoA通路)，使丁酸/丙酸比从常规体系的4:1提升至14:1，为后续产甲烷阶段提供优质底物。研究成果对实现餐厨垃圾能源化处理的工业化应用具有重要指导价值，特别为高负荷条件下两相厌氧消化系统的抗酸败调控提供了新思路。