《Bioresource Technology Reports》：Sugarcane molasses and glycerol as alternative substrates to maintain year-round bioenergy production in vinasse anaerobic digestion
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甘蔗酒糟被指认为厌氧系统中高度适宜生物气生产的富含有机质底物；然而，其季节性供应阻碍了连续厌氧消化，常导致微生物活性降低，并在淡季之后需要长时间的反应器重启周期。为克服这一限制，研究评估了甘蔗糖蜜和精馏甘油作为替代底物，在三个运行阶段（榨季#1、淡季和榨季#2
甘蔗酒糟被指认为厌氧系统中高度适宜生物气生产的富含有机质底物；然而，其季节性供应阻碍了连续厌氧消化，常导致微生物活性降低，并在淡季之后需要长时间的反应器重启周期。为克服这一限制，研究评估了甘蔗糖蜜和精馏甘油作为替代底物，在三个运行阶段（榨季#1、淡季和榨季#2）的批次条件下维持反应器性能。酒糟在榨季#1期间支撑了稳定的甲烷生产，甲烷产量（MY）范围为210.16 ± 5.75至304.18 ± 3.40 NmL CH? g?1COD，而糖蜜在淡季实现了最高性能（MY为288.64 ± 2.41 NmL CH? g?1COD，COD去除率为96.74 ± 1.05%）。糖蜜与甘油的共消化（50:50，以COD计）同样维持了较高的产甲烷活性（252.91 ± 51.66 NmL CH? g?1COD），而单独降解甘油则受限于营养失衡和挥发性脂肪酸积累。榨季#2中MY下降，可能归因于淡季期间微生物群落结构的演替。能量评估表明，与停机情景（538.5 GWh）相比，以糖蜜（735.0 GWh）或共消化（722.9 GWh）进行淡季运行可使能源产量提高多达36%。总体而言，在有利的甘油定价条件下，共消化策略提供了一种灵活且潜在经济可行的途径，以在季节性波动中维持反应器活性并增强能源回收。
一、研究背景与问题提出
随着全球对可持续和可再生能源需求的持续增长，厌氧消化（AD）技术作为循环经济框架下的战略性选择日益受到重视。厌氧消化能够将农业工业废弃物转化为生物能源和高附加值产品，被认为是处理有机废弃物最有效的技术途径之一，主要通过将生物质转化为甲烷形式的清洁能源，在某些情况下还可产氢。甲烷升级为生物甲烷进一步凸显其作为可再生生物燃料的潜力，且在技术可行性方面始终被认为是沼氣能源回收的最高效路径。
甘蔗酒糟作为制糖工业的主要废水，其厌氧消化产甲烷已被证实是成熟的工程应用，能够在显著降低污染负荷的同时实现高效的生物能源回收。然而，甘蔗酒糟的厌氧消化面临一个关键瓶颈——甘蔗酒糟的季节性供应问题。在巴西中南部地区，甘蔗酒糟的可用期每年仅约八个月（4月至11月），淡季期间反应器进料中断，导致微生物长期处于饥饿状态。这种长期停机对厌氧系统中的微生物代谢构成重大挑战，尤其是对产甲烷菌群的影响最为显著，因为产甲烷菌群对环境条件变化极为敏感，其活性恢复往往需要漫长的反应器重启周期，严重制约了系统的运行效率。
为应对这一挑战，研究者探索了以替代底物在淡季维持反应器运行的多条技术路径。甘蔗糖蜜作为制糖工业的主要副产品，每吨甘蔗约产生40–60 kg，富含有机物和多种营养成分，约含50%可发酵糖，并含有蛋白质、维生素和微量元素，其单独厌氧消化已被证实具有较高的能源潜力。甘油作为生物柴油生产的主要副产品，每10 kg生物柴油约产生1 kg甘油，巴西市场目前无法完全吸收其过剩量，使其成为潜在的环境负担，通过厌氧消化实现其资源化利用具有广阔前景。然而，甘油在厌氧系统中存在营养含量低的固有挑战。厌氧共消化策略也被提出，可通过营养协同效应克服单一底物的营养限制，增强过程稳定性并提高甲烷产量。
尽管已有研究分别探讨了糖蜜和甘油作为替代底物的可行性，但缺乏在全年连续运行背景下对这些底物进行系统比较的研究，尤其是在面向高效厌氧系统时。基于此，本研究旨在评估在淡季采用甘蔗糖蜜和甘油替代甘蔗酒糟的可行性，以期通过维持活跃的厌氧菌群实现全年连续甲烷生产，从而提升能源回收效率。
二、研究设计与技术方法
研究人员设计了一套创新性的批次反应器运行方案，模拟了榨季（酒糟进料）、淡季（糖蜜和/或甘油进料）和榨季（酒糟进料）的连续时段。实验采用中温条件（30°C），以处理家禽屠宰场废水的上流式厌氧污泥床（UASB）反应器中的中温颗粒污泥作为接种物。实验设置了多种底物组合条件，包括100%糖蜜（100M）、100%甘油（100G）、50%糖蜜+50%甘油（50M-50G）、30%糖蜜+70%甘油（30M-70G）、70%糖蜜+30%甘油（70M-30G）、5%糖蜜+95%甘油（5M-95G）以及营养补充甘油（100G+），并设置无淡季运行（WOS）对照条件。研究采用修正Gompertz模型拟合累积甲烷产生曲线，采用含残余项的一级衰减模型拟合底物消耗数据，从双重动力学角度解析甲烷生产和底物消耗规律。同时，研究还从综合生物精炼厂规模进行了能源性能评估和初步经济性分析。
三、主要研究结果
3.1 榨季#1：酒糟支撑稳定甲烷生产
在榨季#1期间，以酒糟为底物的所有反应器均实现了稳定的甲烷生产，甲烷产量（MY）范围为210.16 ± 5.75至304.18 ± 3.40 NmL CH? g?1COD，验证了酒糟作为高效产甲烷底物的适用性，并为后续淡季替代底物的评估建立了性能基线。
3.2 淡季：糖蜜表现最佳，共消化维持高效产甲烷活性
在淡季期间，100%糖蜜（100M）条件实现了最高的甲烷产量，MY达288.64 ± 2.41 NmL CH? g?1COD，COD去除率达96.74 ± 1.05%，表明糖蜜可作为淡季期间维持反应器高效运行的优质替代底物。50%糖蜜+50%甘油共消化（50M-50G）同样维持了较高的产甲烷活性，MY为252.91 ± 51.66 NmL CH? g?1COD，证实了共消化策略在维持厌氧菌群活性方面的有效性。相比之下，单独以甘油为底物（100G）的降解过程受到营养失衡和挥发性脂肪酸（VFA）积累的限制，产甲烷性能显著受限。5M-95G条件（5%糖蜜+95%甘油）表明，即使仅添加少量糖蜜作为营养源，也能在一定程度上缓解甘油单独消化的营养限制问题。
3.3 榨季#2：微生物群落演替导致性能下降
在恢复酒糟进料的榨季#2期间，所有条件下的甲烷产量均较榨季#1有所下降。研究人员推测，这一现象可能归因于淡季期间微生物群落结构的演替，即淡季替代底物的运行改变了菌群组成，使得重新适应酒糟底物需要一定的时间，从而影响了甲烷生产效率。
3.4 能源评估：替代底物显著提升全年能源产出
能源评估结果表明，与停机情景（538.5 GWh）相比，淡季采用糖蜜运行（735.0 GWh）或共消化运行（722.9 GWh）可使能源产量提高多达36%。这一结果表明，采用替代底物维持淡季运行不仅避免了反应器停机重启带来的微生物活性损失，还能显著提升全年的能源回收总量。
四、讨论与结论
讨论部分指出，共消化策略通过营养协同效应有效克服了单一底物的局限性，特别是缓解了甘油单独消化时营养不足和VFA积累的问题。糖蜜作为营养丰富的底物，与甘油共消化时能够提供产甲烷菌群所需的必要营养元素，从而维持较高的产甲烷活性。研究还强调了控制有机负荷在维持高效产甲烷性能中的关键作用。从经济角度分析，在有利的甘油定价条件下，共消化策略提供了一种灵活且潜在经济可行的途径，能够在季节性波动中维持反应器活性并增强能源回收。
研究结论指出，甘蔗糖蜜和甘油可作为淡季期间替代酒糟的有效底物，以维持厌氧反应器的全年连续运行。其中，糖蜜单独运行和糖蜜-甘油共消化（50:50，以COD计）表现尤为突出，不仅保持了较高的产甲烷活性，还使全年能源产量提升高达36%。该研究为甘蔗生物精炼厂在季节性原料供应波动下实现稳定生物能源生产提供了坚实的技术基础，对于推动厌氧消化技术在循环经济框架下的实际应用具有重要的工程指导意义。该论文发表于《Bioresource Technology Reports》。
