脈沖注入CO2調(diào)控廚余垃圾產(chǎn)酸路徑并提高甲烷產(chǎn)量

張夢(mèng)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(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093；2.香港浸會(huì)大學(xué)生物資源及農(nóng)業(yè)研究所，香港特別行政區(qū)；3.同濟(jì)大學(xué)廢物處理與資源化研究所，上海 200092）

1 研究亮點(diǎn)

*脈沖注入CO2將廚余垃圾消化反應(yīng)器的甲烷產(chǎn)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(qiáng)化產(chǎn)乙酸和產(chǎn)乳酸路徑，削弱丙酸生成路徑，有利于甲烷轉(zhuǎn)化。

2 背景

在全球推進(jìn)碳中和的時(shí)代背景下，有機(jī)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(guān)注，基于微生物技術(shù)的CO2捕獲和利用被認(rèn)為是最有前途的方法之一。厭氧產(chǎn)甲烷過程中普遍存在基質(zhì)碳利用率低、CO2損失量高的問題，限制了底物的甲烷轉(zhuǎn)化率。近年來，人們提出以外源電子供給或內(nèi)生還原力的方式將CO2轉(zhuǎn)化為CH4：①H2介導(dǎo)的CO2甲烷轉(zhuǎn)化；②微生物電解池產(chǎn)甲烷；③沼氣再循環(huán)CO2原位利用。厭氧消化系統(tǒng)中進(jìn)行沼氣再循環(huán)或CO2注入已被證明可以實(shí)現(xiàn)CO2原位利用和沼氣產(chǎn)量升級(jí)，但厭氧體系中CO2的富集亦會(huì)影響厭氧消化多級(jí)代謝過程、調(diào)控機(jī)制復(fù)雜，目前對(duì)連續(xù)運(yùn)行的厭氧反應(yīng)器CO2注入調(diào)控策略尚未達(dá)成共識(shí)。因此本研究旨在優(yōu)化CO2注入模式和注入量，探究CO2注入對(duì)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(jī)破碎均質(zhì)后使用。采用有效容積為1.9 L 的連續(xù)攪拌反應(yīng)器（CSTR）開展實(shí)驗(yàn)，水浴加熱保持反應(yīng)溫度36°C，水力停留時(shí)間20 d，反應(yīng)器完成啟動(dòng)后的有機(jī)負(fù)荷（以VS 計(jì)）為3.3 kg/（L·d），CSTR 配備蠕動(dòng)泵進(jìn)行CO2注入和內(nèi)循環(huán)操作。實(shí)驗(yàn)考察了不同CO2脈沖注入量：①RC1，注入內(nèi)循環(huán)3 h/停止21 h，1.32 L/（L·d）；②RC2，注入內(nèi)循環(huán)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(duì)比脈沖注入和連續(xù)注入（1.7 mL/min）對(duì)產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷過程的影響。

4 主要研究結(jié)果

在CO2脈沖注入模式下，RC1 和RC2 的甲烷產(chǎn)率分別比對(duì)照組反應(yīng)器提高19.3%和27.1%，注入的CO2分別被利用34.5% 和59.0%；當(dāng)轉(zhuǎn)換為CO2連續(xù)注入模式時(shí)，反應(yīng)器的甲烷產(chǎn)量比對(duì)照組增加12.41%，增加幅度小于脈沖注入模式。對(duì)消化液中間代謝產(chǎn)物的分析表明，CO2注入強(qiáng)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(xù)運(yùn)行的厭氧消化體系間歇注入CO2，嗜氫型甲烷菌（如Methanoculleus等）相對(duì)豐度增加，并伴有一些產(chǎn)酸菌群和CO2同化菌群（Proteiniphilum、Syntropho monadaceae等）的富集，調(diào)控產(chǎn)酸路徑，因此有助于甲烷產(chǎn)量的提高。

5 結(jié)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(lì)產(chǎn)酸途徑的轉(zhuǎn)移，通過產(chǎn)氫細(xì)菌（Clostridia等）、產(chǎn)乙酸菌（Proteiniphilum、Syntrophomonadaceae等）和產(chǎn)甲烷菌（Methanosarcina，Methanoculleus等）之間的協(xié)同，在不需要補(bǔ)充外源H2的條件下促進(jìn)CO2同化。與連續(xù)注入模式相比，脈沖注入CO2的策略可以加速混合營養(yǎng)生物轉(zhuǎn)化動(dòng)力學(xué)，實(shí)現(xiàn)更高的CO2轉(zhuǎn)化率和甲烷產(chǎn)量。這項(xiàng)工作提供了一種基于CO2富集調(diào)控來實(shí)現(xiàn)厭氧系統(tǒng)碳減排和沼氣提質(zhì)增量的新方法，可支撐生物沼氣行業(yè)的低碳發(fā)展路徑。