单级生物氢烷生产过程的优化与技术经济评估：低投入高转化运行策略

《Fermentation》：Process Optimization and Techno-Economic Evaluation of Single-Stage Biohythane Production from Green Waste: Low-Input and High-Conversion Operation

　　

单级暗发酵（single-stage dark fermentation）是将木质纤维素类绿色废弃物转化为生物氢烷（biohythane，即生物氢H2与生物甲烷CH4的混合气体）的一种有前景的途径，但最大化氢气选择性的条件可能会增加投入成本，且其经济后果尚不明确。本研究考察了底物微生物比（food-to-microorganism ratio, F/M）、pH值、搅拌以及氢氧化钠预处理对生物氢烷产率的影响，并在校园、区域和城市三个尺度下评估了相应的工艺经济学。最具H2选择性的条件（F/M 0.5，pH 6.0，无搅拌）产生了50.3 mL H2/g挥发性固体（volatile solids, VS）和245.9 mL CH4/g VS；而带有搅拌和NaOH预处理的碱性运行条件将生物降解度提高至理论最大值的81.1%，但将H2抑制到接近零水平。技术经济分析表明，在两种独立的资本成本估算方法下，酸性、非搅拌条件在区域尺度实现了最高的净现值（net present value, NPV = 1960万美元和1070万美元；内部收益率internal rate of return, IRR = 55%）：其甲烷收入增益（+29万美元/年）被高出约三倍的更高成本（+96.6万美元/年）所抵消。这一排序在多个尺度以及考虑H2纯化和税收激励情景下均保持稳定。因此，一种低投入策略通过保留甲烷收入同时避免搅拌和预处理成本，实现了更优的回报，在此框架下H2更适合被视为协同收益而非主要目标，这挑战了在规模敏感的技术经济评估框架内最大化总沼气产量在经济上更优的假设。

一、研究背景与研究目的

木质纤维素类田间作物残余物是全球最大的可再生生物质资源之一，年产量超过50亿吨，主要生产国包括中国、印度、巴西、美国及欧盟。除田间作物残余外，城市与校园绿色废弃物（如草屑、园林修剪物和公园维护残渣）是另一类相关的有机废物流，其全年持续产生且必须处理，因而可作为低成本甚至负成本的原料，同时解决机构与市政的废物管理问题。生物氢烷是由H₂、CH₄和CO₂组成的混合气流，可通过厌氧微生物过程从有机废物中回收。采用单级（而非两级）生产可避免建造第二个反应器，但这一节省伴随着内在矛盾：单级发酵将两类不同微生物群置于同一罐中——产H₂的产酸菌（主要是梭菌属Clostridium spp.）最适pH为5.5–6.5，而产CH₄的产甲烷菌则需要近中性至弱碱性的pH（约6.8–8.3）。因此，单级系统无法同时完全满足两者需求，所选运行条件是H₂与CH₄生产之间的折衷。三项运行条件决定了折衷的落点：底物微生物比（F/M）、pH值以及较少被研究的搅拌因素。尽管H₂单价远高于CH₄，但推动发酵向更多H₂方向进行意味着牺牲部分CH₄体积并支付用于实现该目标的额外成本（更低pH、搅拌、化学预处理）。现有关于生物氢烷的技术经济研究大多聚焦于两阶段系统或仅评估单一气体产品，尚未有研究在单级系统中系统性地探讨为提高H₂选择性而增加的额外成本是否被额外的H₂收益和环境效益所证明。本研究旨在填补这一空白，寻找经济上可行的运行条件。

二、研究方法

研究人员采用了以下关键技术方法：首先，收集山东大学（青岛校区）校园例行修剪后的混合绿色废弃物作为基质，经空气干燥、粉碎至约1–2 mm粒径后于4°C储存备用；接种物取自青岛某工业UASB反应器的厌氧颗粒污泥。实验分为两个独立批次：第一阶段（Stage 1）在碱性pH 7.5条件下测试搅拌（90 rpm）与0.1 M NaOH预处理对F/M比为0.5、1.0、1.5时的联合效应；第二阶段（Stage 2）在静态（0 rpm）条件下，于四个酸性pH值（4.5、5.0、5.5、6.0）下系统表征F/M比（0.5、1.0、1.5、2.0、3.0）与pH的交互响应。沼气体积通过压力数据记录仪连续监测，气体组成由气相色谱-热导检测器（GC-TCD）测定。研究人员采用Modified Gompertz方程拟合累积产气动力学曲线，并使用Buswell-Boyle化学计量方程计算理论甲烷潜力。技术经济评估（TEA）在Microsoft Excel中构建了三尺度模型（校园~1360吨/年、区域50,000吨/年、城市~582,570吨/年），采用六分之十法则和Lang因子法两种独立方法估算资本成本（TCI），运营支出（OPEX）包括NaOH试剂成本、热损失、搅拌能耗、人工、维护及管理费用等，收入组合包括H₂销售、CH₄销售和处理费。

三、研究结果

3.1 基质特征与理论沼气潜力

基质元素分析显示，经验分子式为CH_1.801O_0.431N_0.034S_0.009，由此计算出理论甲烷潜力（BMP）为628.5 mL CH₄/g VS，理论总沼气潜力（BGP）为1043.3 mL/g VS，理论生物氢潜力（BHP）为841.2 mL H₂/g VS。最佳Stage 2条件达到的理论最大值的百分比为：BGP 28.4%、BMP 39.1%、BHP 6.0%。

3.2 碱性pH与F/M比对H₂/CH₄产率的高转化运行

在Stage 1的固定碱性pH（7.5）与搅拌（90 rpm）条件下，生物降解度显著提高，但H₂降至接近零水平。NaOH预处理进一步增加了CH₄产率，在F/M 0.5时最为显著（从49.04增至293.32 mL CH₄/g VS，提升约6倍）。在Stage 2中，最高比H₂产率（52.46 mL H₂/g VS）出现在F/M 0.5、pH 5.5；最高总沼气产率（296.17 mL/g VS）出现在F/M 0.5、pH 6.0。在所有四个pH值下，原始总沼气产出在F/M 1.0–1.5处达到峰值，随后在F/M 2.0和3.0处下降，符合有机超载抑制微生物群落的模式。

3.3 不同条件下的生物氢烷动力学分析

Modified Gompertz方程拟合结果显示整体拟合效果极佳（R2 = 0.977–0.999）。滞后期（λ）通常随给定pH下的F/M比增加而延长。最大产气速率（R_m）在F/M 1.5、pH 5.5时最高（3.10 mL/h），在F/M 3.0时普遍下降。

3.4 多尺度技术经济表现与敏感性分析

研究人员选择了四种代表性实验条件进行对比：A（Stage 2，F/M 0.5，pH 6.0，H₂选择性）、B（Stage 1，F/M 0.5，碱性+NaOH+90 rpm）、C（Stage 2，F/M 1.5，pH 6.0）和D（Stage 1，F/M 1.5，碱性+NaOH+90 rpm）。结果表明，条件A在区域和城市尺度以及两种CAPEX方法下均获得最高NPV，尽管其产生的总沼气量不到条件B的一半。所有条件在校园尺度均为NPV负值。敏感性分析显示，对于条件A，CH₄价格和折现率是最具影响力的参数，H₂价格影响相对较小。多维雷达比较显示条件A在H₂产率和NPV两项指标上领先。H₂纯化成本敏感性分析使条件A的NPV降低13.7%（区域尺度）和6.2%（城市尺度），但未改变其经济排序。中国环保项目税收优惠情景使三个NPV正值的条件改善13.9–15.5%，进一步强化了中心经济排序。

四、讨论与结论

研究人员指出，本研究中最佳的CH₄产率（245.9 mL CH₄/g VS）超过了文献报道的草与牛粪及污泥共消化的最优值。低F/M有利于比H₂产率的发现与Ghimire等人的研究结果高度吻合。NaOH预处理的作用主要体现在脱木素/水解助剂功能而非pH调节。酸性、H₂选择性窗口与碱性、高转化窗口代表了真正的选择性-转化权衡。技术经济结果表明，对于本研究的基质和价格结构，低投入运行策略（无搅拌、无NaOH）在净现值基础上优于高投入、高转化策略，尽管后者总沼气产量更高。这一经济排序在三个独立维度上均表现稳健：跨尺度、敏感性分析以及两种扩展情景。校园尺度无经济可行条件的发现本身具有信息价值，表明单校园规模的绿色废弃物产生量低于独立商业化生产的最小有效规模。研究局限性包括：Stage 2条件未经生物学重复，各F/M×pH组合为单批次测量值；报告的气体产率未扣除接种物空白对照校正。

研究结论：本研究评估了F/M比、pH和搅拌对校园绿色废弃物单级暗发酵的耦合效应，并将结果整合到校园、区域和城市尺度的技术经济评估中。低投入条件（F/M=0.5，pH 6.0，无搅拌或NaOH预处理）获得了最高的比H₂产率（52.5 mL H₂/g VS）和总沼气产率（296.2 mL/g VS）。相比之下，NaOH预处理、碱性pH和搅拌的组合将生物降解度提高到理论最大值的81.1%，但几乎完全消除了H₂生产。2×2比较显示，所有情景在校园尺度均不经济，但在区域和城市尺度，低投入、H₂选择性条件获得了最高的净现值，其经济优势主要归因于避免了电力和化学品成本，这些节约超过了高投入条件下更高沼气产量带来的额外收入。甲烷仍是主要收入来源，而H₂主要作为有价值的副产品而非主要经济驱动力。这一发现表明，投资于转化最大化的措施并不自动是经济上合理的选择，更简单、更低投入的单级过程可能是更优的选择，这挑战了更高沼气转化总是更好设计目标的常见假设。