论文标题：Dark Fermentation and Anaerobic Digestion for H₂ and CH₄ Production, from Food Waste Leachates

论文链接：https://doi.org/10.3390/methane4020011

期刊名：Methane

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/methane

1. 研究背景

餐厨垃圾是全球城市固体有机废弃物的主要组成部分。据联合国粮农组织（FAO）统计，食物浪费源于零售、餐饮服务及消费环节的决策与行为。餐厨垃圾经填埋、焚烧等传统处置方式，不仅占用大量土地资源，还会释放甲烷等温室气体，造成二次污染。

餐厨垃圾渗滤液是在餐厨垃圾收集、转运及预处理过程中产生的高浓度有机废水，其化学需氧量高、生物可降解性强，若不加处理直接排放，将对水体环境构成严重威胁。将餐厨垃圾渗滤液作为底物，通过生物转化途径生产氢气和甲烷，是实现废弃物资源化利用与清洁能源生产的有效策略。

在两阶段厌氧消化工艺中，暗发酵（Dark Fermentation，DF）可先将有机底物转化为生物氢，残余有机质随后进入厌氧消化阶段（Anaerobic Digestion，AD）进一步转化为生物甲烷。这一串联配置能够充分发挥两类微生物代谢路径的协同效应，实现能量回收率的最大化。然而，暗发酵阶段的氢气产率普遍较低，成为制约整体工艺经济性的关键瓶颈。本研究旨在系统评估不同接种物-底物比率下，两阶段工艺对餐厨垃圾渗滤液的转化效率及气体产物特性。

2. 研究方法

2.1. 底物与接种物

底物为源自果蔬废弃物的餐厨垃圾渗滤液。接种物采自运行稳定的中温厌氧消化池，以保证微生物群落的代谢活性。研究设置两种接种物-底物比率（Inoculum-to-Substrate Ratio, ISR）：ISR = 0.3 和ISR = 0.5。

2.2. 反应器配置

图1所示，暗发酵阶段在连续搅拌釜式反应器中进行，反应器总体积1.5 L，有效工作体积1.0 L。水力停留时间为3天。渗滤液经暗发酵反应器处理后的出料，作为第二阶段厌氧消化的进料底物。两阶段反应器均在中温条件下运行，温度控制在35 ± 1 °C。

图1. 台式生物反应器：（a）DF反应器，容积1升；（b）AD反应器，容积2.5升；（c）用于生物氢潜力（BioHydrogen Potential，BHP）和生物甲烷潜力（BioMethane Potential，BMP）工艺的AMPTSII装置（水浴、CO2吸收阱、气体流量测量装置）。

2.3 检测与分析

气体产量通过湿式气体流量计连续计量，气体组分采用气相色谱法测定。生物氢和生物甲烷的产量以每克添加挥发性固体的标准毫升数表示。同时监测pH、挥发性脂肪酸浓度、碱度及化学需氧量去除效率等工艺参数。所有分析均设三次重复。

3. 研究结果

3.1. 暗发酵阶段的氢气产量

暗发酵阶段的氢气产率相对较低：在ISR = 0.3条件下，氢气产率为8.2 NmL H₂/g VSadded；在ISR = 0.5条件下，氢气产率为6.1 NmL H₂/g VSadded。氢气产率偏低的主要原因可归结为以下几点：

挥发性固体（Volatile Solids，VS）的生物降解率有限：两种ISR条件下的VS降解率分别为21.9%和23.6%，表明渗滤液中可被产氢微生物直接利用的有机质比例不高。

pH未受调控：餐厨垃圾渗滤液初始pH为3.25。随着进料持续输入，暗发酵反应器内pH进一步下降，偏离暗发酵过程的最佳pH范围（4.5–6.0）。文献报道在ISR = 0.14且pH受控的条件下，氢气产率可达90 NmL H?/g VSadded，约为本研究最高值的11倍。低pH通常伴随着挥发性脂肪酸的积累，而后者对产氢微生物的代谢活性具有抑制作用。

底物特性：渗滤液中可发酵碳水化合物的比例低于新鲜餐厨垃圾，而碳水化合物含量是决定暗发酵产氢效率的核心因素之一。

3.2. 厌氧消化阶段的甲烷产量

与暗发酵阶段形成鲜明对照，厌氧消化阶段展现出更高的产甲烷效率。如图2所示，在ISR = 0.3条件下，甲烷产率为275.2 NmL CH₄/g VS_added；在ISR = 0.5条件下，甲烷产率为277.5 NmL CH₄/g VS_added。

图2.每VS_added累积的生物甲烷产量

在有机物去除方面，VS降解率在AD阶段达到66%，化学需氧量去除效率在ISR = 0.3和ISR = 0.5条件下分别达到50.8%和60.1%。这表明第二阶段能有效转化暗发酵阶段残余的溶解性有机物，实现系统整体能源回收率的最大化。

值得注意的是，虽然ISR = 0.3和ISR = 0.5在暗发酵氢气产量上有一定差异，但在厌氧消化阶段两者累计甲烷产量几乎持平（ISR = 0.3条件下累计产甲烷6,769 NmL，ISR = 0.5条件下为6,715 NmL），两种ISR在甲烷产量上无显著差异。

4. 讨论与结论

4.1. 核心发现

本研究通过系统实验评估了餐厨垃圾渗滤液两阶段生物转化工艺，揭示了两类代谢路径对底物特性的差异化响应：

• 暗发酵阶段的氢气产量（约8 NmL H₂/g VS_added）显著低于文献报道的最优值（90 NmL H₂/g VS_added）。这一差异主要源于：（1）ISR未处于最优范围；（2）反应器设计未实现对pH的有效调控；（3）渗滤液自身的碳水化合物含量低于新鲜餐厨垃圾。

• 厌氧消化阶段的甲烷产量（约275 NmL CH₄/g VS_added）明显高于文献中部分两阶段研究报道的480–551 NmL CH₄/g VS_added区间，表明本研究所采用的串联CSTR配置在甲烷转化环节具有技术优势，足以稳定地将暗发酵阶段剩余的溶解性有机物转化为高纯度生物甲烷。

• 暗发酵阶段的产氢过程在启动后24小时内基本完成，此后氢气产率显著下降。

• 两阶段均产出高质量生物气：暗发酵阶段生物氢含量最高可达40%，厌氧消化阶段生物甲烷含量最高超过80%。

4.2. 工艺优化建议与未来方向

当前研究显示，在暗发酵阶段对pH实施主动控制并优化ISR取值，是提升氢气产率的优先策略。与文献报道的最优ISR = 0.14相比，本研究采用的ISR = 0.3和0.5并非暗发酵产氢的最优选择，进一步研究应优先聚焦于ISR最优区间的系统筛选。

后续研究可从以下几个方向深入展开：第一，探索两阶段工艺在不同底物类型下的适用性及有机物负荷削减效率；第二，系统优化pH、温度、酸浓度及底物-生物质平衡等关键操作参数；第三，开展更大规模的中试研究，评估该工艺在实际工程场景中的技术经济可行性

4.3. 研究的应用价值

串联CSTR反应器配置为处理餐厨垃圾渗滤液这类复杂多组分底物提供了兼具实用性与高效性的技术路径。该配置允许在两个阶段分别优化操作条件，从而实现对生物氢与生物甲烷两种气体产物的协同强化。在循环经济和碳中和目标的驱动下，这一“暗发酵—厌氧消化”两级厌氧工艺为餐厨垃圾渗滤液的高值化利用提供了一个兼具技术创新性与工程可行性的解决方案。

Methane期刊介绍

https://www.mdpi.com/journal/methane

主编：Prof. Dr. Patrick Da Costa, Institut d’Alembert, Sorbonne Université, CNRS UMR7190, 2 pl de la Gare de Ceinture, 78210 St Cyr L’Ecole, France

期刊专注于甲烷及其相关领域的创新研究。期刊涵盖甲烷的生产、储存、转化、利用及环境影响等多个方向，涉及能源科学、环境工程、化学催化、微生物学等交叉学科，旨在为全球学者提供高质量的学术交流平台。本期刊涵盖与甲烷相关的所有研究主题，重点关注但不限于以下领域：甲烷勘探与开采技术，甲烷的化学与物理特性，甲烷及其衍生物的应用，甲烷排放与控制，甲烷代谢过程，天然气水合物（可燃冰），氢能技术，氢燃料开发。期刊于2026年被Scopus收录