涡流层装置预处理底物不同投喂间隔对暗发酵生物制氢的影响研究

为解决暗发酵(DF)技术产氢效率不足的瓶颈问题，研究人员通过涡流层装置(VLA)预处理底物，系统探究了不同投喂速率(1-3 d?1)对生物制氢性能的影响。结果表明，8小时间隔投喂(3 d?1)可使产氢量(HY)提升至618±225 mL/g VS，产氢速率(HPR)达14.8±5.4 L/(L d)，且微生物群落中Thermoanaerobacterium占比超80%，为DF工艺的工业化优化提供了关键技术参数。

　　

在全球城市化进程加速的背景下，每年约15亿吨的食物废弃物(FW)成为严峻的环境挑战。俄罗斯每年产生1700万吨FW，其中94%直接填埋，导致9300万吨CO₂当量的碳足迹。暗发酵(DF)技术因其高效转化有机废弃物为清洁氢能的潜力备受关注，但现有工艺的产氢效率(HY)仍难以满足工业化需求。

针对这一难题，研究人员开展了一项创新性研究，通过涡流层装置(VLA)预处理模拟食品废弃物（K-65牛饲料），系统考察了不同底物投喂间隔(8/16/24小时)对DF工艺的影响。研究保持有机负荷率(OLR)24 g VS/(L d)和水力停留时间(HRT)1天不变，发现最短投喂间隔(8小时)可显著提升工艺稳定性：产氢浓度达54.8±4.4%，溶解铁含量51.5±38.9 mg/L，且产氢微生物Thermoanaerobacterium占比超80%。该成果发表于《International Journal of Hydrogen Energy》，为DF工艺的规模化应用提供了关键参数优化方案。

关键技术方法
研究采用涡流层装置(VLA)进行底物机械-化学协同预处理，通过控制磁场强度(40 mT)和铁粉添加量(2 g/L)实现纤维素解聚。实验设置三组连续流搅拌槽反应器(CSTR)，分别以1/1.5/3 d^?1投喂频率运行，采用气相色谱监测H₂含量，高通量测序分析微生物群落结构。

研究结果

1. 底物与接种物
   采用模拟液体有机废弃物的厌氧反应器出水作为接种物，VLA预处理使底物挥发性固体(VS)含量标准化至24 g/L，水含量97.4%，接近真实FW组成。

2. 产氢动力学
   8小时投喂组呈现最稳定产氢曲线，HPR波动范围缩小至0.4-0.8 L/(L h)，而24小时组出现剧烈波动(0.1-1.2 L/(L h))，证实高频投喂可缓解底物抑制效应。

3. 微生物群落
   Thermoanaerobacterium的相对丰度与投喂频率呈正相关，在3 d^?1组占比达83.7%，其铁还原特性与VLA释放的Fe²⁺形成协同效应。

结论与意义
该研究首次证实VLA预处理结合高频底物投喂(3 d^?1)可使DF工艺的HY提升40%，HPR提高2.3倍。这种优化策略通过维持稳定的底物-微生物相互作用，避免了传统批式投喂导致的代谢震荡。特别值得注意的是，溶解铁浓度与产氢性能的正相关性，为后续开发铁基添加剂提供了理论依据。研究成果对实现FW资源化与清洁能源生产的双重目标具有重要实践价值，其技术参数可直接指导中试规模反应器设计。