脈沖注入CO2調控廚余垃圾產酸路徑并提高甲烷產量

張夢雨，喬子豪，徐蘇云，羅麗雯，黃煥忠，呂 凡，劉洪波

（1.上海理工大學環境與建筑學院，上海 200093；2.香港浸會大學生物資源及農業研究所，香港特別行政區；3.同濟大學廢物處理與資源化研究所，上海 200092）

1 研究亮點

*脈沖注入CO2將廚余垃圾消化反應器的甲烷產量提高19.3%～27.1%；

*注入的CO2約有34.5%～59.0%被厭氧體系吸收和利用；

*CO2注入強化產乙酸和產乳酸路徑，削弱丙酸生成路徑，有利于甲烷轉化。

2 背景

在全球推進碳中和的時代背景下，有機固體廢物處理和資源化利用過程中減少碳排放的需求正逐漸受到人們的關注，基于微生物技術的CO2捕獲和利用被認為是最有前途的方法之一。厭氧產甲烷過程中普遍存在基質碳利用率低、CO2損失量高的問題，限制了底物的甲烷轉化率。近年來，人們提出以外源電子供給或內生還原力的方式將CO2轉化為CH4：①H2介導的CO2甲烷轉化；②微生物電解池產甲烷；③沼氣再循環CO2原位利用。厭氧消化系統中進行沼氣再循環或CO2注入已被證明可以實現CO2原位利用和沼氣產量升級，但厭氧體系中CO2的富集亦會影響厭氧消化多級代謝過程、調控機制復雜，目前對連續運行的厭氧反應器CO2注入調控策略尚未達成共識。因此本研究旨在優化CO2注入模式和注入量，探究CO2注入對厭氧代謝途徑和微生物群落分布的影響，為厭氧消化體系的CO2就地利用途徑提供可行性方案。

3 研究方法

廚余垃圾取自高校食堂，攪拌機破碎均質后使用。采用有效容積為1.9 L 的連續攪拌反應器（CSTR）開展實驗，水浴加熱保持反應溫度36°C，水力停留時間20 d，反應器完成啟動后的有機負荷（以VS 計）為3.3 kg/（L·d），CSTR 配備蠕動泵進行CO2注入和內循環操作。實驗考察了不同CO2脈沖注入量：①RC1，注入內循環3 h/停止21 h，1.32 L/（L·d）；②RC2，注入內循環3 h/停止45 h，0.66 L/（L·d）；并在相同CO2注入量1.32 L/（L·d）條件下對比脈沖注入和連續注入（1.7 mL/min）對產酸和產甲烷過程的影響。

4 主要研究結果

在CO2脈沖注入模式下，RC1 和RC2 的甲烷產率分別比對照組反應器提高19.3%和27.1%，注入的CO2分別被利用34.5% 和59.0%；當轉換為CO2連續注入模式時，反應器的甲烷產量比對照組增加12.41%，增加幅度小于脈沖注入模式。對消化液中間代謝產物的分析表明，CO2注入強化了乙酸和乳酸生成途徑，削弱丙酸生成途徑。微生物群落分析表明，在連續運行的厭氧消化體系間歇注入CO2，嗜氫型甲烷菌（如Methanoculleus等）相對豐度增加，并伴有一些產酸菌群和CO2同化菌群（Proteiniphilum、Syntropho monadaceae等）的富集，調控產酸路徑，因此有助于甲烷產量的提高。

5 結論與展望

本研究表明，在廚余垃圾厭氧消化體系注入CO2可激勵產酸途徑的轉移，通過產氫細菌（Clostridia等）、產乙酸菌（Proteiniphilum、Syntrophomonadaceae等）和產甲烷菌（Methanosarcina，Methanoculleus等）之間的協同，在不需要補充外源H2的條件下促進CO2同化。與連續注入模式相比，脈沖注入CO2的策略可以加速混合營養生物轉化動力學，實現更高的CO2轉化率和甲烷產量。這項工作提供了一種基于CO2富集調控來實現厭氧系統碳減排和沼氣提質增量的新方法，可支撐生物沼氣行業的低碳發展路徑。