脉冲注入CO2调控厨余垃圾产酸路径并提高甲烷产量

张梦雨，乔子豪，徐苏云，罗丽雯，黄焕忠，吕 凡，刘洪波

（1.上海理工大学环境与建筑学院，上海 200093；2.香港浸会大学生物资源及农业研究所，香港特别行政区；3.同济大学废物处理与资源化研究所，上海 200092）

1 研究亮点

*脉冲注入CO2将厨余垃圾消化反应器的甲烷产量提高19.3%～27.1%；

*注入的CO2约有34.5%～59.0%被厌氧体系吸收和利用；

*CO2注入强化产乙酸和产乳酸路径，削弱丙酸生成路径，有利于甲烷转化。

2 背景

在全球推进碳中和的时代背景下，有机固体废物处理和资源化利用过程中减少碳排放的需求正逐渐受到人们的关注，基于微生物技术的CO2捕获和利用被认为是最有前途的方法之一。厌氧产甲烷过程中普遍存在基质碳利用率低、CO2损失量高的问题，限制了底物的甲烷转化率。近年来，人们提出以外源电子供给或内生还原力的方式将CO2转化为CH4：①H2介导的CO2甲烷转化；②微生物电解池产甲烷；③沼气再循环CO2原位利用。厌氧消化系统中进行沼气再循环或CO2注入已被证明可以实现CO2原位利用和沼气产量升级，但厌氧体系中CO2的富集亦会影响厌氧消化多级代谢过程、调控机制复杂，目前对连续运行的厌氧反应器CO2注入调控策略尚未达成共识。因此本研究旨在优化CO2注入模式和注入量，探究CO2注入对厌氧代谢途径和微生物群落分布的影响，为厌氧消化体系的CO2就地利用途径提供可行性方案。

3 研究方法

厨余垃圾取自高校食堂，搅拌机破碎均质后使用。采用有效容积为1.9 L 的连续搅拌反应器（CSTR）开展实验，水浴加热保持反应温度36°C，水力停留时间20 d，反应器完成启动后的有机负荷（以VS 计）为3.3 kg/（L·d），CSTR 配备蠕动泵进行CO2注入和内循环操作。实验考察了不同CO2脉冲注入量：①RC1，注入内循环3 h/停止21 h，1.32 L/（L·d）；②RC2，注入内循环3 h/停止45 h，0.66 L/（L·d）；并在相同CO2注入量1.32 L/（L·d）条件下对比脉冲注入和连续注入（1.7 mL/min）对产酸和产甲烷过程的影响。

4 主要研究结果

在CO2脉冲注入模式下，RC1 和RC2 的甲烷产率分别比对照组反应器提高19.3%和27.1%，注入的CO2分别被利用34.5% 和59.0%；当转换为CO2连续注入模式时，反应器的甲烷产量比对照组增加12.41%，增加幅度小于脉冲注入模式。对消化液中间代谢产物的分析表明，CO2注入强化了乙酸和乳酸生成途径，削弱丙酸生成途径。微生物群落分析表明，在连续运行的厌氧消化体系间歇注入CO2，嗜氢型甲烷菌（如Methanoculleus等）相对丰度增加，并伴有一些产酸菌群和CO2同化菌群（Proteiniphilum、Syntropho monadaceae等）的富集，调控产酸路径，因此有助于甲烷产量的提高。

5 结论与展望

本研究表明，在厨余垃圾厌氧消化体系注入CO2可激励产酸途径的转移，通过产氢细菌（Clostridia等）、产乙酸菌（Proteiniphilum、Syntrophomonadaceae等）和产甲烷菌（Methanosarcina，Methanoculleus等）之间的协同，在不需要补充外源H2的条件下促进CO2同化。与连续注入模式相比，脉冲注入CO2的策略可以加速混合营养生物转化动力学，实现更高的CO2转化率和甲烷产量。这项工作提供了一种基于CO2富集调控来实现厌氧系统碳减排和沼气提质增量的新方法，可支撑生物沼气行业的低碳发展路径。