综述：从工艺基础到工程视角：氢营养型产甲烷途径原位沼气升级技术综述

这篇综述系统阐述了通过氢营养型产甲烷途径（HMP）实现原位沼气升级的技术进展。文章从厌氧消化（AD）工艺基础出发，深入分析了H2注入对CO2转化率、甲烷（CH4）产量提升（>90%）的关键作用，探讨了操作参数（pH、H2:CO2摩尔比4:1）、微生物群落演替及与其它技术（如共消化、电化学系统）的协同效应，同时指出H2供应、传质限制等工程挑战，为可再生能源与废弃物处理领域提供了重要参考。

　　

历史发展与反应器配置
氢营养型产甲烷的发现可追溯至20世纪初S?hngen的研究，其化学计量关系为CO₂ + 4H₂ → CH₄ + 2H₂O。现代技术发展出原位、异位和混合三种配置，其中原位系统因直接利用消化器内源性CO₂且无需额外反应器，成为中小规模设施的理想选择。

厌氧消化过程
有机质通过水解、酸化、乙酸化和产甲烷四步转化，氢营养型产甲烷菌（如Methanobacterium）在H₂存在时优先利用CO₂合成CH₄，导致系统pH上升（8.0-8.5）并可能抑制传统乙酸裂解型产甲烷菌。

操作参数影响
关键参数包括：

• H₂供给策略：间歇注入可缓解H₂溶解度限制（水中仅1.6 mg/L），纳米气泡技术能提升传质效率300%；
• 有机负荷率（OLR）：最佳范围为2-5 kg COD/m³/d，过高会导致VFA积累；
• 温度：中温（35-40°C）条件下甲烷产量较常温提高25%。

数学模型应用
改进的"BioModel"成功预测了H₂抑制阈值（50-80 kPa），为系统优化提供理论支持。

技术协同效应

• 电化学系统：微生物电解池（MEC）可原位产生H₂，减少外部能源依赖；
• 共消化：添加餐厨垃圾（C/N比15-20）可缓冲pH并提升CH₄产率30%。

氢源与经济性
绿氢（可再生能源电解）虽成本较高（4-6美元/kg），但全生命周期碳排放比天然气重整法低90%。目前技术成熟度（TRL）达5-6级，需进一步解决规模化H₂储存（金属有机框架材料吸附率达2.5 wt%）问题。

结论
HMP促进的原位升级技术可将沼气CH₄含量提升至90%以上，但需精确控制H₂/CO₂平衡以避免系统失衡。未来研究方向应聚焦于低成本H₂生产与智能控制系统的集成应用。