甘油废弃物与酒糟废水共消化产氢烷联产：性能优化及基于ADM-1的动力学模型构建

本研究针对生物柴油副产物甘油废弃物(GW)碳氮比失衡和酒糟废水(DW)处理难题，创新性地采用两阶段厌氧共消化(AcoD)技术，通过优化GW与ABE-DW混合比例(50:50%VS)，实现最高生物氢潜能(BHP)147 mL-H2/g-VS和生物甲烷潜能(BMP)650 mL-CH4/g-VS。连续实验中CSTR-UASB系统在55°C下分别获得83.6 mL-H2/g-VS和440 mL-CH4/g-VS的产率，总能源回收达105.6 kWh/m3。研究还开发了改进型ADM-1模型，为工业放大提供理论支撑。

　　

随着全球生物柴油产量激增，其副产物甘油废弃物(GW)的年产量已突破766万吨，但高碳低氮(C/N比>950)的特性严重制约其能源化利用。与此同时，乙醇发酵行业产生的酒糟废水(DW)富含氮元素却面临处理难题。传统单基质厌氧消化存在底物抑制、营养失衡等瓶颈，如何实现两类废弃物的协同转化成为可再生能源领域的重要课题。

Prince of Songkla University (泰国宋卡王子大学)的研究团队创新性地提出"甘油废弃物-酒糟废水共消化产氢烷联产"技术路线。通过系统评估不同混合比例下GW与ABE-DW的协同效应，发现50:50配比在55°C条件下展现最佳性能，批式实验获得147 mL-H₂/g-VS和650 mL-CH₄/g-VS的产能。在连续流实验中，采用CSTR(连续搅拌釜反应器)产氢和UASB(上流式厌氧污泥床)产甲烷的串联系统，当水力停留时间(HRT)分别优化为4天和18天时，系统总能源转化效率达到15.8 kJ/g-VS，相关成果发表在《Carbon Resources Conversion》期刊。

研究采用多尺度技术方法：通过BHP/BMP批式实验筛选最佳混合比例；采用GC-TCD/FID分析气体组分和挥发性脂肪酸(VFA)；建立改进型ADM-1模型，新增甘油降解路径方程；利用GPS-X 8.5软件进行动力学模拟。实验所用GW来自该校生物柴油中试工厂，DW分别采集自商业乙醇厂和实验室ABE发酵系统。

【生物氢烷潜能优化】
通过7组不同比例(0:100至100:00)的批式实验，发现50:50混合时协同效应系数(SE)达1.29。此时系统C/N比调整至99，氢产量较单基质提升4倍，甲烷产量提高17%。代谢产物分析显示，该比例下乙酸(2.28 g/L)和丁酸(1.77 g/L)成为优势产物，而抑制性物质丙酸浓度控制在0.43 g/L以下。

【连续系统性能】
在OLR(有机负荷率)15 g-VS/L·d条件下，CSTR反应器实现1.26 L-H₂/L·d的产率。UASB阶段将HRT从21天缩短至18天后，甲烷产率提升39%。值得注意的是，系统对COD去除率高达92.6%，证实其兼具能源回收与污染治理双重优势。

【ADM-1模型改进】
新增甘油降解动力学方程(式4-8)，引入抑制项K_i,gly反映高浓度甘油的影响。模型校准后Nash效率系数(NE)达0.99，成功预测乳酸代谢途径中33%乙酸和67%氢气的分流比例。连续流验证显示，最大比底物降解速率k_m,su从批式的38 d^-1提升至47 d^-1。

该研究通过"废弃物配对-工艺优化-模型构建"三位一体的研究策略，不仅证实GW-DW共消化的技术可行性，更建立了可推广的动力学模型。特别值得注意的是，研究团队发现ABE-DW与商业乙醇DW在产氢性能上具有互换性，这为实际工程应用提供了操作弹性。改进的ADM-1模型能准确预测两阶段系统的VFA分布规律，为后续反应器放大设计提供关键参数。从环保角度看，该技术每立方米废水可产生相当于105.6 kWh的清洁能源，同时实现碳氮污染物的协同去除，为生物炼制行业的循环经济发展提供了示范案例。