综述：基于生物膜的沼气提质技术：整合微生物机制与工程性能的对比框架

《Separation and Purification Technology》：Biofilm-based biogas upgrading technologies: A comparative framework integrating microbial mechanisms and engineering performance

　　

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  虽然 MBBR 和 FBBR 代表了近期最具可扩展性的选项，但 MBfR 受到关键膜相关障碍的限制。
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  MBBR、FBBR、MBfR 和 BTF 技术为可持续的生物沼气升级提供了可扩展、稳健的替代方案。
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  基于生物膜的微生物群落高效催化通过生物甲烷化将 CO₂ 转化为 CH₄。
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  基于生物膜的技术提高了沼气升级系统中的甲烷产率和稳定性。
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  生物膜改善了气液传质和对运行波动的韧性。
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  先进的反应器设计将生物甲烷生产与可再生能源和化学品结合起来。

引言

厌氧消化（AD）是一种成熟的工程生物过程，通过水解、产酸、产乙酸和产甲烷的互养级联，将复杂有机物生物化学转化为沼气，主要成分是甲烷（CH₄）和二氧化碳（CO₂）的混合物 [1], [2]。专门的微生物群落在温度、pH 值和停留时间的受控条件下执行每一步。AD 系统的效率主要取决于这些微生物群体之间的协同作用以及反应器构型。随着人们对可持续能源解决方案的兴趣增加，AD 在废物 - 能源技术中发挥着重要作用，并在沼气处理和升级方面取得了创新 [2]。

虽然 AD 作为成熟的有机废物价值化技术脱颖而出，但利用途径的经济可行性严重依赖于将产生的沼气高效升级为生物甲烷。通过 AD 产生的原始沼气含有 50–70% CH₄、30–50% CO₂、微量硫化氢（H₂S）、氨（NH₃）、水蒸气和其他气体 [3], [4]。与 CH₄ 一起形成的 CO₂ 和 H₂S 显著降低了沼气的热值，并造成了各种运行挑战 [5]。CO₂ 降低了气体的体积能量含量，而 H₂S 具有腐蚀性和毒性，可能损坏下游设备。沼气升级一词在广义的过程集成意义中使用，但功能明确区分：CO₂ 生物甲烷化通过将 CO₂ 转化为 CH₄ 来提高 CH₄ 的比例；生物脱硫去除 H₂S；而选定的原位生物膜或生物电化学构型强化 AD，而不是直接执行相同的气体处理功能。这些结果在集成系统中是相关的，但需要不同的微生物、运行条件、性能终点和成熟度评估 [3]。

沼气升级技术通常可分为物理化学方法和生物方法 [6]。物理化学方法包括变压吸附（PSA）、水洗、化学吸收、膜分离和深冷蒸馏 [7]，虽然提供了高效的去除效率，但长期受到高强度能源需求、高化学品消耗和二次废物产生的限制，这削弱了过程的净减碳效益 [8]。由于所有这些局限性，人们对相对节能的生物沼气升级方法的兴趣日益增长 [9]。

基于生物膜的技术提供高微生物保留并创建结构化微环境，可以支持几种不同的功能 [2], [10]。基于生物膜的沼气升级系统有三种基本功能。第一种是 CO₂ 生物甲烷化，其中由 H₂ 驱动的系统，如非原位MBBR/FBBR、选定的 MBfR 和生物甲烷化 BTF，使用氢营养型产甲烷菌将 CO₂ 转化为 CH₄ [11]。第二种是生物 H₂S 去除，其中 BTF 和氧气或硝酸盐支持的膜生物膜系统等构型使用硫氧化细菌将 H₂S 氧化为元素硫或硫酸盐。第三种是 AD 强化，其中原位载体系统或 MEC-AD 构型通过生物质保留、互养相互作用或电极介导的电子转移来提高甲烷产量或过程稳定性 [12]。

在所有这三种功能中，生物膜特性会影响传质、微生物保留和对运行扰动的抵抗力 [13]，而放大仍受到特定构型挑战的限制，如生物膜过度生长、结垢或堵塞、气液传递限制和过程控制要求。

几篇综述文章讨论了沼气升级技术，总结了物理化学和生物方法 [10]。许多文章提供了最著名的沼气升级技术（如 PSA、水洗和膜分离）的概述，并通常侧重于过程效率和技术和经济评估 [11]。然而，关于基于生物膜的沼气升级的专门综述仍然相对有限。关于基于生物膜的沼气升级系统的研究分别讨论了技术发展、微生物群落或反应器构型 [10]。此外，MEC-AD 和新颖反应器设计等生物升级方法仅被浅显地讨论 [11]。因此，现有文献呈现出现状碎片化，其中生物膜发展的基础微生物学与实用的生物反应器工程指标脱节。大多数现有的综述未能批判性地评估生物膜厚度、基质特性和流体动力学如何相互作用以决定各种反应器设计中的气体转化效率。

本综述旨在提供全面评估，强调基于生物膜的沼气升级系统中生物膜微生物学与化学工程原理之间的关键交叉点。本综述涵盖了由 MBBR、FBBR、MBfR、BTF 和 MEC-AD 组成的生物膜反应器构型，重点关注传质限制、支撑材料选择、生物质控制和微生物群落结构以及运行条件。此外，还进行了跨三个功能类别的系统比较：MBBR、FBBR、BTF 和 MBfR 用于 CO₂ 生物甲烷化，BTF 和 MBfR 用于 H₂S 脱硫，以及 MEC-AD 用于 AD 强化。综述还强调了该领域的最新进展、挑战和未来展望。通过整合基础微生物学和应用工程学的当前知识，本工作旨在弥合现有文献中的差距，为生物升级平台的商业化放大提供路线图。

章节摘要

生物膜反应器的历史背景

多年来，生物膜反应器已从简单模型演变为更复杂的系统，纳入了先进的材料和操作策略以提高效率。专门关注流化床生物膜反应器建模的第一批研究始于 1980 年 [12]，该领域的研究兴趣显著增长。图 1 展示了近年来日益重要的生物膜反应器研究。图 1a 是由

生物膜在沼气升级中的机制

使用生物膜进行沼气升级通常涉及生物反应器装置，其中沼气通过或越过覆盖生物膜的表面。随着沼气的流动，生物膜内的微生物与气体组分积极相互作用，特别是 CO₂ 和 H₂S。在生物膜内，气体和中间体的浓度因消耗和扩散而随深度变化。在生物膜表面，面向气相部分的 H₂ 和 CO₂ 浓度最高。在生物膜内，

移动床和固定床生物膜反应器

在 MBBR 中，生物膜生长在反应器内悬浮的移动载体上。这些载体具有高表面积 - 体积比，由塑料材料制成，为生物膜生长提供了巨大的表面积。使用虹吸管或机械搅拌等混合机制使载体在反应器中保持移动，确保生物膜与底物之间的接触。这种运动确保了高效的传质并防止生物膜脱落 [37]。在 FBBR 中，生物膜

总体评估

基于生物膜的沼气升级技术的比较揭示了在效率、适用性和可扩展性方面的明显优点和局限性。基于生物膜的沼气升级技术跨三个功能类别进行比较：MBBR、FBBR、BTF 和 MBfR 用于 CO₂ 生物甲烷化，BTF 和 MBfR 用于 H₂S 脱硫，以及 MEC-AD 用于 AD 强化。

就效率而言，对于 CO₂ 生物甲烷化，MBfR 通常显示更高的 CH₄ 含量（78–100%）[8]，

局限性和未来展望

尽管在开发基于生物膜的沼气升级技术方面取得了重大进展，但仍存在几个局限性，特别是考虑到全规模和中试应用 [96]。虽然实验室和中试规模的研究已显示出令人鼓舞的结果，但将生物膜反应器放大用于全规模沼气厂面临着技术和操作挑战。这些包括维持最佳生物膜厚度以避免传质限制，防止固定床中的堵塞

结论

直到现在，基于生物膜的沼气升级技术统一的性能层级一直缺失于文献中，本综述通过系统的跨技术比较直接解决了这一差距。基于生物膜的沼气升级技术为传统升级方法提供了一种有前景且可持续的替代方案，尽管其技术成熟度在不同构型间差异很大。它们能够同时将 CO₂ 转化为 CH₄，并且在 BTF 的情况下

稿件准备过程中生成式 AI 和 AI 辅助技术的声明

在准备本工作期间，作者使用了 ChatGPT 来准备图形摘要。在使用该工具/服务后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对已发表文章的内容承担全部责任。

未引用参考文献

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利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文报道的工作。

致谢

作者感谢伊斯坦布尔科技大学（土耳其）和哈拉兹米大学（伊朗）的支持。

Bahriye Eryildiz-Yesir|Filiz Daskiran|Amr Mustafa Abdelrahman|Mustafa Evren Ersahin|Hale Ozgun|Vahid Vatanpour|Ismail Koyuncu