暗发酵策略优化以增强不同农业废弃物产生物氢的性能

《Renewable Energy》：Optimizing specific dark fermentation strategies for enhanced bio-hydrogen production from different agricultural wastes

　　

将暗发酵过程整合至现有厌氧消化厂中并形成两相工艺，可实现从农业残渣中顺序回收生物氢与生物甲烷。研究人员评估了牛粪、玉米残渣与大豆残渣在3–10天水力停留时间(HRT)下的半连续暗发酵，涵盖共发酵与消化液回流策略。牛粪在所测条件下无法维持稳定产氢，无检出氢气且迅速转向产甲烷。玉米残渣(CR)仅出现瞬时产氢峰，随后因pH下降、营养限制及产甲烷竞争导致工艺失稳。大豆残渣在HRT 3 d下维持稳定产氢，达4.7 NmLH2/gVS。最优性能由大豆/CR共发酵取得，产氢12.4 NmLH2/gVS、产气67.8 NmLgas/gVS、VFA 0.32 gCODVFA/gVS。VFA生成呈强底物依赖性，单底物中CR于HRT 7 d产VFA最高。产甲烷潜力测试显示发酵出流保留可观残能，发酵后CR较未处理底物甲烷回收提升至多34%。结果表明底物筛选与营养平衡是实施农业残渣两相厌氧消化的关键。

研究背景与立项依据：欧洲及意大利农业残渣（如牛粪CM、玉米残渣CR、大豆渣SR）产量巨大，多为木质纤维素结构，常规单级厌氧消化(AD)中水解与酸化未最大化。将暗发酵(DF)作为产氢首段接入现有AD厂构成两相厌氧消化(TSAD)，可顺序回收生物氢与下游生物甲烷，并借助Biohythane（含2%–30% H₂的甲烷混合气）注入燃气管网以实现部分脱碳。然而木质纤维素类难降解底物的连续DF数据稀缺，且真实农场底物含原生产甲烷菌、C/N失衡、氮缺乏或氨抑制并存，亟需底物特异性策略验证。研究人员在《Renewable Energy》报道了针对真实农业残渣的半连续DF系统评估，填补该空白。

主要技术方法概述：研究采用意大利Isola della Scala某999 kW AD厂提供的CM、CR、SR及2 mm筛分消化液接种物（未热处理抑甲烷菌以贴近工程实际）。核心方法含四类：其一是半连续DF测试，于1 L玻璃反应器0.8 L工作体积、38℃中温、每日开盖venting控氢分压、pH 5.5–6.5，按HRT 3–10 d切换单底物/共发酵/86%消化液回流；其二是宏基因组分析，对CM、CR、CR^°（回流）、SR、SR*（共发酵）五组HRT 3 d出流做16S rRNA测序；其三是产甲烷潜力(BMP)测试，以0.25 VS比接种、38℃约50 d评残基甲烷；其四是IRSA-CNR标准物化分析（TS、VS、COD、TKN、TAN、C/N）与离子色谱/微气相色谱测VFA与气体。

研究结果

3.1 底物与接种物表征：CM与SR因尿素及高蛋白致C/N低（氨抑制风险3.0–8.0 gN/L），CR因木质纤维素C/N高而缺氮；三者C/N互补，理想共发酵区间15–35。

3.2 半连续测试

3.2.1 产气：CM各HRT（3/7/10 d）及CM（20%CM+80%CR VS）均无持续H₂，迅速产CH₄，归因木质素半纤难降解、低C/N氨抑、牛源产甲烷菌定植；CR单底物HRT 3/5/7 d仅首周期现18.5%/8.1%/16.1% H₂峰，后转甲烷，因氮/Fe/Ni缺、VFA积致pH<5.5、丙酸竞争NADH；CR加86%消化液回流延至2周期H₂峰19.5%仍转甲烷（TAN 0.66 gN/L非氨抑）。SR于HRT 3 d稳出H₂约10%（峰31%），无CH₄，SHP 4.7 NmLH₂/gVS；SR（50% VS SR+50% CR）H₂峰36.4%，SHP 12.4 NmLH₂/gVS、SGP 67.8 NmLgas/gVS，C/N 5.3利于酸化。

3.2.2 VFA生成：CM产VFA最低（0.10–0.12 gCODVFA/gVS），乙酸丁酸为主；CR随HRT升VFA 0.28→0.40 gCODVFA/gVS，含丙酸（2.44–3.36 g/L）抑氢、戊己酸示链延长；回流CR VFA 0.27 gCODVFA/gVS；SR单底物0.27、SR*达0.32 gCODVFA/gVS，乙酸丁酸主导、丙酸受抑。

3.3 宏基因组分析：对五组HRT 3 d出流做菌群解析（见补充材料），印证底物与HRT对酸菌/产甲烷菌筛选作用。

3.4 BMP测试：发酵后CM甲烷较鲜样升4.1%–18.7%；CR仅HRT 5 d（+4.7%）、7 d（+34.1%）高于鲜CR，证明DF出流残生物可降解性供下游产甲烷。

3.5 氢安全考量：H₂燃限4%–77%、层燃速3.25 m/s远剧于CH₄，TSAD改造须按ATEX做通风探测与爆炸分区。

讨论与结论翻译：本研究凸显以两相厌氧消化处理农业残渣时，底物特性决定产物走向——CM促甲烷，CR仅瞬氢，SR/CR共发酵借营养平衡稳氢。实施TSAD须依底物定制而非通用DF。发酵出流残甲烷潜力支持DF+产甲烷级联。局限为真实底物变异、未抑甲烷菌、实验室尺度HRT窄；后续需长期稳性、回流比优化及中试。结论原文意译：研究强调两相厌氧消化用于农业残渣管理的机会，真实残渣不可互换为DF底物；底物筛选与营养平衡是工程化关键，发酵出流残能支持现有AD厂级联产氢甲烷。

（全文约1520汉字）