屠宰场污泥与废水超嗜热酸化共消化产氢：Box–Behnken响应面优化与动力学建模

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Hyperthermophilic Acidogenic Co-Digestion of Slaughterhouse Sludge and Effluent for Biohydrogen Production: Response Surface Optimization and Kinetic Modeling

　　

研究人员对屠宰场污泥与屠宰场废水进行超嗜热共消化研究。采用Box–Behnken设计（Box–Behnken Design, BBD）筛选pH和温度以促进氢气生产。在边界条件下，最高氢气产率达到25.4 mL H₂/g VS。修正Gompertz（Modified Gompertz）和Cone模型良好拟合暗发酵动力学。净能量比（Net Energy Ratio, NER）分析评估了该过程的能量可行性。

该文作者为 Juana Fernández-Rodríguez、Leonor Sillero 和 Montserrat Perez。研究背景方面，屠宰场操作产生大量固体和液体残余物，包括溶气气浮污泥、血液、胃内容物和工艺废水，其蛋白质占干物质35–68%，脂质占18–22%。若处理不当，会造成有机过载、病原扩散、恶臭以及土壤和水污染风险；同时，其高有机质含量具有尚未充分利用的能量潜力。欧洲绿色协议和循环经济行动计划要求安全管理和资源回收。厌氧消化（Anaerobic Digestion, AD）已有进展，但氢气生产优化仍存在实验空白，底物比例、pH和温度等关键操作参数影响显著。pH 5.5–6.5有利于酸化，嗜热条件50–60°C加速水解和产氢，而超嗜热70°C可增强水解，尤其对屠宰场废物等复杂底物，水解常为限速步骤。65–70°C可重构微生物群落，选择水解和酸化微生物，提高热稳定水解酶活性22–49%，抑制乙酸裂解产甲烷，使碳和能量转向挥发性脂肪酸（Volatile Fatty Acids, VFA）和H₂。共消化最优比例高度依赖底物，需系统优化。因此，本研究评估屠宰场污泥（Slaughterhouse Sludge, SS）和屠宰场废水（Slaughterhouse Effluent, SE）的酸化共消化制生物氢，温度扩展至超嗜热，识别有利于H₂和VFA而非甲烷的操作区域。假设是蛋白质和脂质丰富的屠宰场物流比碳水化合物丰富的市政和食物废物更受益于超嗜热水解。

主要关键技术方法概括：样品来自西班牙Jerez de la Frontera的Montesierra S.L.，包括SS和SE；接种物来自以屠宰场废水运行、水力停留时间20 d的稳定反应器，并在35、52.5和70°C实验室3 L反应器中驯化72 h。生化产氢潜力（Biochemical Biohydrogen Potential, BHP）测试在250 mL血清瓶中进行，工作体积120 mL，接种物50% v/v，底物50% v/v，N₂净化，21 d，85 rpm，设置35、52.5和70°C。采用Box–Behnken设计（BBD）考察初始pH、温度和SS比例三因素，15 runs并含3个中心点及3个空白。测定pH、总固体、VS、总化学需氧量（Total Chemical Oxygen Demand, TCOD）、可溶化学需氧量、VFA、NH₄⁺-N、C:N及沼气体积和组成。用荧光原位杂交（Fluorescence In Situ Hybridization, FISH）在域水平定量Eubacteria和Archaea。拟合一级、Cone和修正Gompertz动力学模型；计算能量输出、能量输入和净能量比（NER）。

研究结果如下。3.1 BHP试验结果概述：AcoD经DoE优化，VS去除率为1.70–26.29%，最高为Run 13（26.29%，52.5°C，50% SS），其次Run 11（18.41%，70°C，0% SS）、Run 3（17.86%，70°C，50% SS）和Run 12（17.24%，52.5°C，100% SS）。最高H₂体积101.66 mL出现在Run 3（初始pH 6、70°C、50% SS），低pH或100% SS时产氢很低。最高产率25.40 mL H₂/g VS，最低0.07 mL H₂/g VS；理论上限约为SS 50、SE 58、50% SS 52 mL H₂/g VS。70°C下VFA积累为9.3–10.9 g L^?1，说明相当部分有机物转向酸化产物。3.2 COD去除：初始pH对COD去除影响最大，与SS高蛋白（67.6%干物质）有关；SS比例二次项次之，温度、pH×温度、pH²也显著；T²和pH×SS比例不显著。COD去除主要受初始pH控制，底物负荷项和温度为次要贡献。3.3 总VFA生产：温度标准化效应最大，是VFA生成主导因素；pH影响次之；温度二次项和pH二次项显著。温度提供生化反应动力学能量，pH影响酸化菌。3.4 H₂产率因子效应：SS和SE的VS相差一个数量级，50% SS时污泥贡献约96% VS，故SS比例主要作为有机负荷变量。中间最优反映负荷阈值，超过后氨、VFA和长链脂肪酸（Long-Chain Fatty Acids, LCFA）等抑制性中间产物积累。全模型R²=0.871但总体不显著，pH、温度和pH×温度交互显著；简化四模型总体显著但R²_pred=0.040，仅用于排序。最高产率出现在70°C、初始pH 6.0；SS比例主要呈二次效应，约30% SS附近趋优，但最高实测在50% SS。3.5 优化：模型仅作趋势筛选，最高实测产率区域为初始pH 6、70°C、中间SS比例，Run 3为25.4 mL H₂/g VS，与城市有机废物和食物废物暗发酵范围相当。pH和温度最优位于设计空间上边界，无内部最大值。酸性是70°C下产甲烷受抑和酸积累的结果，温度与酸化更似顺序作用。3.6 微生物分析：FISH显示中温条件Eubacteria约74%、Archaea约26%；嗜热和超嗜热下Archaea降至15–18%，Eubacteria升至83–85%。70°C下VFA为9.3–10.9 g L^?1，低于中低温的1.4–6.1 g L^?1，且仅超嗜热组自酸化。最高产率与Eubacteria优势、较高K_h和较高R_m相关。3.7 动力学分析：选取产率最高的Run 1、3、12、13、15。一级模型不能拟合Run 1和12；Cone和修正Gompertz均拟合全部五个，修正Gompertz最佳，R²为0.970–0.994，差异百分比低。λ范围为0–152 h，R_m为0.068–0.369 mL h^?1。最长滞后期对应pH 4和100% SS，最高R_m在Run 3。3.8 能量平衡与环境意义：所有批次试验仅以氢计的能量平衡均不利；Run 3的NER为0.044，假设70%热交换时为0.146。50% SS、70°C时绝对氢回收最高为0.98 kJ g^?1 VS；仅废水运行比能较高但底物VS少。该结果不宜视为过程可行性，连续规模可通过缩短HRT、减小反应器体积和热集成改善，且VFA可下游利用。环境上，该路线可替代化石氢并减少甲烷释放。

讨论部分总结：研究强调pH×温度协同是最高产率的关键，温度而非初始pH主导产物选择；SS比例主要是有机负荷变量；抑制性中间产物延长滞后期；修正Gompertz动力学、域水平FISH和能量平衡共同支持超嗜热酸化共消化作为多产品生物精炼的第一阶段。结论翻译如下：本研究以Box–Behnken设计为探索工具，筛选了屠宰场污泥与废水在延伸至超嗜热范围的酸化共消化产氢。最高测得产率25.4 mL H₂/g VS（初始pH 6.0、70°C、50% SS v/v），处于市政和食物废物暗发酵报道范围内，表明蛋白质和脂质丰富的屠宰场物流在超嗜热水解下可达到相当产率。底物氮丰富（C:N约4:1）使初始pH选择对限制游离氨抑制尤为重要。温度而非初始pH是决定产物选择的主导因素：70°C下VFA积累至9.3–10.9 g L^?1，Eubacteria占微生物群83–85%，与产甲烷受抑和水解酸化代谢优势一致。修正Gompertz模型给出代表性运行的最佳动力学描述。响应面分析作为趋势筛选工具，识别pH×温度交互是驱动最高产率的协同效应。仅以氢计的能量平衡在批次规模不利，这是单批加热稀释水介质所致，而非过程本身；热集成可显著改善。该过程宜定位为多产品生物精炼中的酸化第一阶段，共产VFA是有价值平台化学品流。未来工作应关注带热集成的连续运行、下游VFA增值，以及在一体化生物精炼构型中评估多种来源底物。