屠宰场废弃物通过温度分阶段厌氧共消化实现绿氢与生物甲烷回收

《Biomass》：Green Hydrogen and Biomethane Recovery from Slaughterhouse Wastes Using Temperature-Phased Anaerobic Co-Digestion Juana Fernández-Rodríguez, Marta Mu?oz and Montserrat Perez

　　

全球人口快速增长加剧了能源需求和废弃物产生，屠宰场废弃物带来了显著的环境压力。研究人员指出，利用厌氧消化（Anaerobic Digestion, AD）技术将此类废弃物转化为可再生能源，是实现减污降碳和能源转型的可持续路径。本研究旨在评估屠宰场半液态组分（S）与液态组分（L）及其不同混合比例（25%、50%、75%）在温度分阶段厌氧共消化（Temperature-Phased Anaerobic Co-Digestion, TPAcD）系统中的生物降解特性。实验采用两阶段批式反应器，第一阶段为嗜热（55 ℃）产酸阶段，通过生化产氢潜力（Biochemical Hydrogen Potential, BHP）测试评估绿氢产量；第二阶段为嗜温（35 ℃）产甲烷阶段，通过生化产甲烷潜力（Biochemical Methane Potential, BMP）测试评估生物甲烷产量。研究发现，液态组分有利于绿氢回收，但因代谢途径竞争，总体产氢量有限。25%L:75%S配比显著优化了水解效率，可溶性化学需氧量（Soluble Chemical Oxygen Demand, CODs）提升了1280%，表明半液态组分是嗜热产酸阶段的有机储备库。在随后的产甲烷阶段，产酸预处理显著提高了甲烷产量，25%L:75%S配比获得协同甲烷产率495.46 mL CH4/g VS，比理论加和值提高13.8%。这表明通过优化底物配比可克服单一原料的限制，最大化序批式厌氧消化的能量回收。结果凸显了分阶段厌氧共消化在提升屠宰场废弃物资源化利用方面的潜力。

研究背景与意义

随着全球人口增长，化石能源消耗带来的资源枯竭、环境污染及气候变化问题日益严峻。屠宰场废弃物因含有高浓度有机物、脂肪、悬浮物及潜在污染物，若处理不当会造成严重环境风险。在此背景下，开发高效的废弃物能源化技术成为迫切需求。厌氧消化（AD）可将有机废弃物转化为富含甲烷的生物气，并实现营养循环与废物稳定化，但在处理成分复杂的屠宰场废弃物时效率受限。温度分阶段厌氧消化（TPAcD）通过在嗜热条件下强化水解酸化，再在嗜温条件下进行产甲烷，有望突破单一阶段的处理瓶颈。然而，针对屠宰场半液态与液态废弃物的混合比例优化研究仍较缺乏。因此，研究人员在《Biomass》发表本研究，探讨不同底物配比对TPAcD系统中水解、产氢及产甲烷性能的影响，以期为屠宰场废弃物的高效能源回收提供科学依据。

主要技术方法

研究样本来源于西班牙Jerez de la Frontera的Montesierra S.A.屠宰场，包括半液态组分（S）与液态组分（L）。实验设置五个混合比例（S:L分别为100:0、75:25、50:50、25:75、0:100），每个条件设三次重复，并设立接种物对照。第一阶段使用嗜热接种物（IT）在55 ℃下进行BHP测试，第二阶段使用嗜温接种物（IM）在35 ℃下进行BMP测试。理化分析涵盖pH、总化学需氧量（COD_t）、可溶性化学需氧量（COD_s）、总固体（TS）、挥发性固体（VS）、挥发性脂肪酸（VFA）、碱度、氨氮等指标，并利用气相色谱分析气体组成，荧光原位杂交（FISH）监测微生物群落变化。统计分析采用单因素方差分析（ANOVA）评估底物配比对系统性能的影响。

研究结果

3.1 接种物与底物混合物的特征

半液态组分有机负荷显著高于液态组分，但多以非溶解态存在；液态组分则更易生物降解。混合比例决定了系统的COD、TS、VS及VFA水平，并影响酸碱缓冲能力。

3.2 屠宰场废弃物共消化的生化产氢潜力（BHP）评估

在嗜热产酸阶段，酸性条件（pH 5.5–6.0）有效抑制产甲烷菌，促进水解酸化。液态组分表现出更高的COD_s增幅与氢气产量，最高达6.32 mL H₂/g VS；半液态组分虽产氢较低，但TS与VS去除率更高，显示其复杂有机物被转化为挥发性中间产物。VFA分析表明乙酸为主要产物，且产氢量与初始VFA浓度正相关。微生物分析发现，同型产乙酸菌与残留的嗜热产甲烷古菌消耗部分氢气，导致净产氢量有限。

3.3 序批式TPAcD中屠宰场废弃物共消化的生化产甲烷潜力（BMP）评估

在嗜温产甲烷阶段，pH稳定在7.4–7.6，适宜产甲烷菌活动。VFA被显著消耗，丙酸完全消失，伴随甲烷产量上升。半液态组分比例越高，甲烷产率越高，最高达521.76 mL CH₄/g VS。25%L:75%S配比显示协同效应，甲烷产率超过理论加和值13.8%。COD平衡分析表明，TPAcD实现了氢与甲烷的序批回收，提升了整体能量转化率。微生物群落以乙酸营养型产甲烷菌（如Methanosaeta、Methanosarcina）为主，氢营养型比例低，系统稳定性强。

3.4 TPAcD与传统单级AD的比较

TPAcD的甲烷产率比传统单级嗜温AD高出3–9倍，归因于分阶段优化微生物活性、强化水解与VFA积累，并减少中间产物的抑制作用。

讨论与结论翻译

研究表明，半液态与液态屠宰场废弃物的联合处理可发挥互补优势：前者提供高有机负荷，后者改善流动性和微生物接触。25%L:75%S配比在产氢与产甲烷之间取得最佳平衡，甲烷产率达495.46 mL CH₄/g VS₀，而75%L:25%S配比最大化绿氢回收（1.77 mL H₂/g VS₀）。尽管产氢量受微生物竞争限制，TPAcD在甲烷产量与工艺稳定性上均优于单级系统。嗜热预处理显著提升水解效率，为后续产甲烷提供可利用底物，同时减少抑制风险。该结果为屠宰场废弃物的能源化利用提供了可行方案，支持循环经济与可持续废弃物管理。