《Bioresource Technology》：Operational dual bicarbonate stabilization enables chemical-free high-rate vinasse second-stage methanogenesis with energy and cost benefits
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双稳定策略通过发酵产碱与回流协同作用，实现高有机负荷（25 g-COD·L?1·d?1）下化学添加剂零补充的甲烷高效转化，系统能量潜力达140.8 GWh，年化学成本降低约110万美元。
安德烈·多·瓦莱·博尔赫斯（André do Vale Borges）|卢卡斯·塔德乌·富埃斯（Lucas Tadeu Fuess）|埃利斯·瓦塔纳贝·诺盖拉（Elis Watanabe Nogueira）|莱昂纳多·马蒂亚斯·德·奥利维拉·菲尔霍（Leonardo Matias de Oliveira Filho）|雷南·科吉·罗杰里（Renan Coghi Rogeri）|朱莉娅·门德斯（Julia Mendes）|玛西娅·海伦娜·里萨托·扎马里奥利·达米亚诺维奇（Márcia Helena Rissato Zamariolli Damianovic）
生物过程实验室（LPB），圣卡洛斯工程学院（EESC），圣保罗大学（USP），若昂·达格诺内大道（Av. Jo?o Dagnone），1100号，圣安杰利娜（Santa Angelina），圣卡洛斯（S?o Carlos），圣保罗13563-120，巴西
摘要
第二阶段的厌氧消化对于最大化从甘蔗渣中回收能量至关重要，然而稳定的高产甲烷过程通常需要大量的碱度输入，这会增加运营成本并降低净能量产出。本研究证明，通过结合发酵产生的碳酸氢盐和废水循环的双重稳定策略，可以将碱度需求转移到上游，从而缓解这些限制。两个中温结构化床反应器在高达25 g-CODt L?1 d?1的负荷下运行，以分离碳酸氢盐携带（R1）和循环辅助的碱度保持（R2）的效果。这种携带缓冲的甲烷生成方法支持基于乙酸的转化途径，维持pH值稳定，并能够在通常需要外部NaHCO3的负荷条件下实现无化学品操作。对三种甘蔗渣到沼气转化配置的系统级比较表明，单相消化受到硫酸盐还原菌与甲烷菌竞争的影响，且产生的沼气中甲烷含量较低（64.3% CH4）；而嗜热黑暗发酵虽然改善了硫酸盐的还原，但由于底物分流和热能需求增加，净能量产出降低。相比之下，携带缓冲的配置实现了最高的甲烷比例（84.5%）和最大的总能量潜力（140.8 GWh）。六种情景下的运营成本分析表明，碱度的经济性受到缓冲供应位置的影响，而不仅仅是NaHCO3总剂量。通过将硫化反应限制在发酵阶段并避免在甲烷生成阶段补充碱度，基于初步运营成本评估，携带缓冲的设计每年可减少约110万美元的化学成本。这些发现表明，携带缓冲的甲烷生成是一种有前景的实验室规模策略，尽管在工业应用之前仍需进行中试验证和更广泛的技术经济评估。
引言
厌氧消化（AD）是生物精炼厂管理甘蔗渣最有效且环境友好的方法（Carpanez等人，2022年）。通过将可生物降解的有机物转化为富含甲烷的沼气，AD降低了甘蔗渣的污染物负荷，并支持甘蔗产业的循环经济目标（Ferraz等人，2022年），同时产生适合施肥的富营养物消化物（Balakrishnan，2024年）。然而，甘蔗渣中通常存在的1–3 g L?1硫酸盐限制了单阶段AD系统中的甲烷生成（Lens等人，2001年）。硫酸盐还原菌（SRB）与甲烷菌竞争乙酸、氢气和丙酸，将电子转移到硫化物上（Kiyuna等人，2017年），这增加了H2S的形成，提高了腐蚀风险，并加剧了气体提纯的需求（Mu?oz等人，2015年）。
调节相分离AD系统中的硫转化已成为缓解这些挑战的一种有前景的策略。控制发酵阶段的pH值可以促进上游的硫酸盐还原，减少下游反应器中SRB与甲烷菌的竞争（Fuess等人，2019年）。嗜热研究表明，在55°C下进行甘蔗渣发酵可以促进丁酸主导的转化途径，并产生中等水平的氢气（20–30%）（Fuess等人，2023a；Fuess等人，2024a；Rogeri等人，2023年；Piffer等人，2021年）。这些嗜热条件通常能增强水解作用，提高反应速率，并允许更高的有机负荷能力，这是高温操作的优势。尽管这些条件可能有利于产氢型甲烷生成，但H2的积累增加了安全风险，使脱硫复杂化，并需要热能输入，这给工业应用带来了挑战。这些限制使得中温替代方案更具吸引力（图1）。
最近的研究开始改变这种嗜热范式。Sánchez等人（2021年）证明，中温条件（30–40°C）有利于甘蔗渣中的乙酸型发酵。Borges等人（2025a）表明，接种了厌氧颗粒污泥的中温反应器选择了与硫化生成相关的不完全氧化途径，产生了富含乙酸的发酵甘蔗渣（3–6 g-HAc L?1），并含有2–3 g-CaCO3 L?1的碳酸氢盐碱度。这种碳酸氢盐来源于硫化生成过程中有机底物的部分氧化，其中CO2与乙酸一起释放，在接近中性的中温条件下迅速平衡为HCO3?。与嗜热丁酸主导的发酵不同，这种富含乙酸的产物有利于下游的甲烷生成，因为乙酸裂解途径在能量上更有优势，不易积累挥发性有机酸，并且释放的H2较少（Thauer等人，2008年；Szuhaj等人，2023年），从而简化了后续的气体提纯（Borges等人，2025b；Borges等人，2025c）。原则上，这样的废水可以在不补充外部碱度的情况下维持高产甲烷生成，尽管这一假设尚未在高有机负荷率（OLR）下得到验证。
除了能量优势外，SRB对硫酸盐的不完全氧化还会生成碳酸氢盐，这可以提高高产甲烷反应器的稳定性。通常情况下，以甘蔗渣为原料的甲烷生成装置在OLR为10 g-COD L?1 d?1时需要0.2–0.5 g-NaHCO3 g?1t的碱度输入（Bueno等人，2024年；Fuess等人，2023b；Fuess等人，2017a；Ramos等人，2021年；Ferraz等人，2016年）。如果发酵产生的碳酸氢盐能够满足这一需求，其经济影响将是巨大的。然而，此前没有研究评估过单独或与内部循环结合的发酵产生的碳酸氢盐是否能够在工业应用相关的OLR下维持无化学品的甲烷生成。因此，缓冲转移、循环和高OLR耐受性的协同作用程度仍然是一个未解之谜。
本研究通过一种新的操作概念——携带缓冲的甲烷生成，评估了富含乙酸、硫酸盐含量低的发酵甘蔗渣是否能在高达25 g-COD L?1 d?1的OLR下维持高产甲烷生成。这种双重碳酸氢盐稳定策略包括：(i) 通过硫化生成驱动的硫酸盐还原，在上游同时添加和生物生成碳酸氢盐；(ii) 内部循环在甲烷生成反应器内重新分配和保持这种碱度。两个中温厌氧结构化床反应器（AnSTBRs）并行运行，以分离发酵产生的碳酸氢盐的效果（R1），并探讨内部废水循环（R2）是否有助于维持pH值稳定。逐步增加的OLR和压力响应实验阐明了碳酸氢盐携带和乙酸裂解途径在实现无化学品、高产甲烷生成中的作用。由于生物系统中的碳酸氢盐同时被消耗、产生和重新分配，因此循环对CO2溶解或无机碳平衡的影响在这里被视为探索性的而非确定性的。研究结果展示了缓冲转移和有针对性的循环如何重塑富含硫的甘蔗渣的碱度管理，并为甘蔗生物精炼厂中的大幅降低运营成本和更高效的甘蔗渣到沼气转化提供了途径。
中温条件下发酵甘蔗渣的特性
甘蔗渣样本来自Usina Granelli（位于圣保罗的Charqueada）在2025/2026收获季节运营的一个附属酿酒厂。原始甘蔗渣首先在中温条件（30°C）下在AnSTBR中发酵，以产生用于本研究的硫酸盐含量低的甘蔗渣。原始和发酵甘蔗渣的详细物理化学特性在补充数据中提供。所有样本都储存在20 L塑料容器中，并在-20°C下冷冻直至使用。
有机物去除和代谢物趋势
两个反应器在整个负荷序列中都保持了高且稳定的有机物去除率，尽管它们的代谢反应表现出不同的缓冲和传质行为。总COD去除效率在所有阶段都很高，R1为82.5%至77.1%，R2为81.2%至73.5%，OLR为7.6–25 g-COD L?1 d?1（图2a–b）。这些值处于高产两相甘蔗渣消化器报告的上限范围内（55–85%）（Fuess等人，2023b；Ramos等人，2021年）
结论
本研究表明，当碱度生成策略性地转移到发酵阶段时，即使在极端有机负荷率下，从甘蔗渣中生产高产甲烷也是可行的。在携带缓冲策略下，过程稳定性源于持续的乙酸转化、活跃硫化生成过程中的发酵驱动的碱度生成以及通过废水循环连续更新的无机碳，而不是通过外部NaHCO3的补充
CRediT作者贡献声明
安德烈·多·瓦莱·博尔赫斯（André do Vale Borges）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，软件，方法学，研究，概念化。卢卡斯·塔德乌·富埃斯（Lucas Tadeu Fuess）：撰写 – 原稿，验证，方法学，数据管理，概念化。埃利斯·瓦塔纳贝·诺盖拉（Elis Watanabe Nogueira）：撰写 – 原稿，验证，软件，方法学。莱昂纳多·马蒂亚斯·德·奥利维拉·菲尔霍（Leonardo Matias de Oliveira Filho）：撰写 – 原稿，验证，方法学。雷南·科吉·罗杰里（Renan Coghi Rogeri）：撰写 – 原稿，验证，方法学。朱莉娅·门德斯（Julia Mendes）：
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本工作得到了圣保罗研究基金会（FAPESP，资助编号2021/15245-5、2022/07127-5和2022/10615-1）的财政支持。作者衷心感谢圣保罗州甘蔗厂的管理人员和工作人员提供用于本研究的甘蔗渣样本。
