碳毡强化暗发酵体系提升乳清废水制氢效率与底物转化的机理研究

为解决暗发酵(DF)生物制氢产率低的问题，Priya Dharshini Palanivel团队创新性地将碳毡(CF)作为生物电极引入乳清废水(WW)处理体系。研究通过响应面法(RSM)优化参数，证实中等尺寸碳毡(CF-M)使产氢量提升3倍至385.7±19 mL，化学需氧量(COD)去除率达65%，并揭示其通过丁酸代谢路径增强电子传递系统活性(ETSA)的机制，为复杂有机废水资源化提供了可持续解决方案。

　　

在全球能源转型与碳中和背景下，氢能作为清洁能源载体备受关注。然而传统暗发酵(Dark Fermentation, DF)技术面临产氢效率低、底物转化不彻底等瓶颈，尤其对于高有机负荷的乳清废水(Whey Wastewater, WW)处理更具挑战——全球每年产生1.8亿吨乳清废水，近半数未经处理直接排放，其COD浓度高达20,000±50 mg/L，既是环境负担又是潜在资源。

针对这一难题，来自印度理工学院的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表创新研究。他们首次将碳毡(Carbon Felt, CF)这种具有三维网状结构的高导电材料引入DF体系，通过多尺度实验与模型优化，成功实现乳清废水高效制氢与同步净化。

研究采用响应面法(RSM)结合中心复合设计(CCD)，系统优化了温度、pH和进水COD浓度等关键参数。实验选用印度蒂鲁吉拉伯利地区乳品厂的WW为底物，对比不同尺寸碳毡(CF-S/M/L)的强化效果，通过代谢产物分析、电子传递系统活性(ETSA)检测及胞外聚合物(EPS)定量等手段，深入解析CF的作用机制。

RSM模型验证
通过17组实验建立的二次模型具有高度显著性(p<0.0001)，确定最佳条件为pH 6.5、35°C和10 g/L COD负荷。模型预测与实验误差仅1.8%，证实其可靠性。

碳毡尺寸效应
CF-M组展现出最优性能：

• 产氢量达1542.8±77 mL/L，是对照组的3倍
• COD去除率提升至65%，显著高于CF-S(58%)和CF-L(60%)
• 代谢分析显示丁酸占比72.3%，确认丁酸型代谢主导

生物电化学机制
CF-M组表现出独特的生物电化学特性：

• ETSA活性达394.08±19.7 μg/mg·h，促进电子转移
• EPS中蛋白质(1172.6±58.6 μg/mL)和多糖(198.5±9.9 μg/mL)含量最高，增强微生物膜稳定性
• 扫描电镜显示CF-M表面形成致密生物膜结构

讨论与意义
该研究突破性地证实：

1. 碳毡的介孔结构(0.5-1.2 μm)为微生物提供理想附着位点，其导电网络加速电子转移，解决了传统DF中电子传递效率低的问题；
2. 中等尺寸CF-M平衡了比表面积与传质效率，避免CF-L的传质限制和CF-S的附着位点不足；
3. 首次建立WW处理-制氢耦合系统的完整参数优化模型，为工业化放大提供理论支撑。

这项由印度科技部(DST)资助的研究，不仅为乳品业废水处理开辟了新路径，更推动了生物制氢技术从实验室走向实际应用。其创新性地将BES技术理念引入DF体系，未来可拓展至其他高有机废水处理领域，对实现联合国可持续发展目标(SDGs)中的清洁能源与负责任生产目标具有双重意义。