于韦斯屈莱应用科学大学研究：生物质气反应器试点试验中是否需要添加氢气
在原位生物甲烷化过程中，通过向发酵过程中添加氢气，可以有目的地调控微生物群落，以产生甲烷含量更高的生物质气，从而提高...
在原位生物甲烷化过程中，通过向发酵过程中添加氢气，可以有目的地调控微生物群落，以产生甲烷含量更高的生物质气，从而提高气体的能量密度并降低后续净化成本。
氢气在生物厌氧消化过程中会自然产生，作为分解产物之一，它与二氧化碳共同构成了甲烷化过程的重要组成部分。氢气的含量会限制或促进厌氧消化过程中的甲烷产量。在常规的生物气生产过程中，平均产生50–70%的甲烷和30–50%的二氧化碳。此外，生物气中还含有少量其他化合物，例如硫化氢（Kylmäläinen, 2015, s. 17）。在原位生物甲烷化过程中，向生物厌氧消化池中引入外部氢气，即进行加氢处理，使厌氧消化过程中的产甲烷菌能够利用二氧化碳和氢气生成比常规厌氧消化过程更具商业价值的甲烷。生物甲烷化的总反应相当于萨巴蒂尔反应，但该反应是通过微生物介导完成的。通过向该过程提供额外的氢气，可以将厌氧消化过程中产生的未反应的二氧化碳通过微生物转化为甲烷，从而实现资源化利用。这样可以降低二氧化碳排放，并且含甲烷量更高的生物燃气可以替代化石燃料。这对生物燃气生产商具有增加收入的作用（Lappalainen, 2023; Voelklein, 2019; Yörüklü, 2025）。
当生物原位甲烷化所需的额外氢气以绿色方式生产时，原位甲烷化的环境友好性价值将进一步提升。生物气生产商可以在自己的工厂内生产氢气，也可以利用其他地方生产并储存的绿氢。此外，还可以连接异位甲烷化工艺，用于生物燃料的进一步加工。效率、附加价值和气候影响是推动生物原位甲烷化研究以及技术解决方案开发工作持续推进的重要因素。在受控条件下取得的实验室结果令人鼓舞，但由于缺乏实际可行且安全的工艺技术、微生物对额外负荷的适应能力不足以及工厂条件下的工艺平衡不稳定性，这些成果向小型或大型工厂反应器的转化进程受到了阻碍（Lahtela, 2026; Lappalainen, 2023; Reinikka, 2026; Voelklein, 2019; Yörüklü, 2025）。
自2021年起，于韦斯屈莱应用科学大学开展了各种试点规模的加氢厌氧消化实验。湿法厌氧消化一直是HABA项目、农场甲烷化项目和gH2Addva项目的首选方法。此外，2025年春季在gH2Addva项目中实施了加氢干法厌氧消化实验。其核心理念是监测甲烷化过程、产气量、产气成分以及氢气对厌氧消化过程运行的影响，并为原位甲烷化面临的挑战寻找合理的工程解决方案。整体系统本质上包括利用各种传感器监测厌氧消化过程，以及对传感器和反应器进行远程监控和操作。从一开始，目标就是为现有的生物气反应器提供一套安全、简单、经济、易于集成且能够进行更精确过程监测的氢气供应设备系统。
是否需要注入氢气？答案是肯定的。 虽然具有潜力，但氢气注入可能还不是一种适用于每个农场的质量保证方法，要实现这一目标仍需要长期的开发工作。本文将深入探讨已实施的原位甲烷化试验的测试结果和经验。
氢气注入
氢气注入在三项不同的试验中进行了测试：1. 微喷雾法，2. 纳米气泡法（湿式），3. 纳米气泡法（干式）。在这些试验中，氢气通过两种不同的技术和三种不同的方式注入反应器。表1汇总了这些试点试验的主要参数。第一阶段试验（图1）基于HABA项目（Lappalainen等，2023）的甲烷化经验。在这些试验中，氢气自由流过形成微米级气泡的烧结体。实验表明，在氢气注入过程中，大量氢气释放到产气中，即氢气以原样穿过发酵床进入产气。相对于注入的氢气，转化率为9–22%。注入的氢气越多，释放到产气中的原样氢气就越多。基于这些实验结果，在“农场甲烷化”项目中（Jämsén, 2024）修改了气体注入方式，从而可以从HABA项目的注入量中技术性地计算出氢气注入量。氢气注入在反应器启动时就开始了，使微生物菌群在整个实验期间都暴露在额外氢气中。启动后，氢气流量稳定在约10 ml/min。
第二个试验阶段（图2）基于在独立的气泡单元中，使用基于液体射流空化原理的EOD Europe纳米气泡发生器对氢气进行纳米气泡化处理，该单元是在gH2Addva项目中建造的。这一试验阶段紧随第一个试验阶段之后实施。从技术上讲，无法将气泡化的液体射流注入到仅厌氧发酵过程的初始阶段。与微喷雾试验相比，氢气注入量减半（100升/年 → 50升/年）。
第三个实验阶段（图3）在干发酵反应器中进行。纳米曝气装置连接到干发酵反应器的渗滤罐，该装置是发酵过程液体循环的一部分。在实验之前，根据湿发酵实验对纳米曝气装置进行了进一步开发。这使得氢气进料更加精确（表2），从而能够在曝气过程中将氢气量调节至所需水平。曝气在工作日每天进行一次。
在纳米气泡化过程中，通过测量气泡化过程中氢气的释放量来控制氢气含量。当达到废液饱和点时停止气泡化。这一过程使用便携式生物气分析仪进行监测。通过在独立单元中进行纳米气泡化，氢气危险因素、气泡化温度和环境均可控。
氢气在生物厌氧消化过程中会自然产生，作为分解产物之一，它与二氧化碳共同构成了甲烷化过程的重要组成部分。氢气的含量会限制或促进厌氧消化过程中的甲烷产量。在常规的生物气生产过程中，平均产生50–70%的甲烷和30–50%的二氧化碳。此外，生物气中还含有少量其他化合物，例如硫化氢（Kylmäläinen, 2015, s. 17）。在原位生物甲烷化过程中，向生物厌氧消化池中引入外部氢气，即进行加氢处理，使厌氧消化过程中的产甲烷菌能够利用二氧化碳和氢气生成比常规厌氧消化过程更具商业价值的甲烷。生物甲烷化的总反应相当于萨巴蒂尔反应，但该反应是通过微生物介导完成的。通过向该过程提供额外的氢气，可以将厌氧消化过程中产生的未反应的二氧化碳通过微生物转化为甲烷，从而实现资源化利用。这样可以降低二氧化碳排放，并且含甲烷量更高的生物燃气可以替代化石燃料。这对生物燃气生产商具有增加收入的作用（Lappalainen, 2023; Voelklein, 2019; Yörüklü, 2025）。
当生物原位甲烷化所需的额外氢气以绿色方式生产时，原位甲烷化的环境友好性价值将进一步提升。生物气生产商可以在自己的工厂内生产氢气，也可以利用其他地方生产并储存的绿氢。此外，还可以连接异位甲烷化工艺，用于生物燃料的进一步加工。效率、附加价值和气候影响是推动生物原位甲烷化研究以及技术解决方案开发工作持续推进的重要因素。在受控条件下取得的实验室结果令人鼓舞，但由于缺乏实际可行且安全的工艺技术、微生物对额外负荷的适应能力不足以及工厂条件下的工艺平衡不稳定性，这些成果向小型或大型工厂反应器的转化进程受到了阻碍（Lahtela, 2026; Lappalainen, 2023; Reinikka, 2026; Voelklein, 2019; Yörüklü, 2025）。
自2021年起，于韦斯屈莱应用科学大学开展了各种试点规模的加氢厌氧消化实验。湿法厌氧消化一直是HABA项目、农场甲烷化项目和gH2Addva项目的首选方法。此外，2025年春季在gH2Addva项目中实施了加氢干法厌氧消化实验。其核心理念是监测甲烷化过程、产气量、产气成分以及氢气对厌氧消化过程运行的影响，并为原位甲烷化面临的挑战寻找合理的工程解决方案。整体系统本质上包括利用各种传感器监测厌氧消化过程，以及对传感器和反应器进行远程监控和操作。从一开始，目标就是为现有的生物气反应器提供一套安全、简单、经济、易于集成且能够进行更精确过程监测的氢气供应设备系统。
是否需要注入氢气？答案是肯定的。 虽然具有潜力，但氢气注入可能还不是一种适用于每个农场的质量保证方法，要实现这一目标仍需要长期的开发工作。本文将深入探讨已实施的原位甲烷化试验的测试结果和经验。
氢气注入
氢气注入在三项不同的试验中进行了测试：1. 微喷雾法，2. 纳米气泡法（湿式），3. 纳米气泡法（干式）。在这些试验中，氢气通过两种不同的技术和三种不同的方式注入反应器。表1汇总了这些试点试验的主要参数。第一阶段试验（图1）基于HABA项目（Lappalainen等，2023）的甲烷化经验。在这些试验中，氢气自由流过形成微米级气泡的烧结体。实验表明，在氢气注入过程中，大量氢气释放到产气中，即氢气以原样穿过发酵床进入产气。相对于注入的氢气，转化率为9–22%。注入的氢气越多，释放到产气中的原样氢气就越多。基于这些实验结果，在“农场甲烷化”项目中（Jämsén, 2024）修改了气体注入方式，从而可以从HABA项目的注入量中技术性地计算出氢气注入量。氢气注入在反应器启动时就开始了，使微生物菌群在整个实验期间都暴露在额外氢气中。启动后，氢气流量稳定在约10 ml/min。
第二个试验阶段（图2）基于在独立的气泡单元中，使用基于液体射流空化原理的EOD Europe纳米气泡发生器对氢气进行纳米气泡化处理，该单元是在gH2Addva项目中建造的。这一试验阶段紧随第一个试验阶段之后实施。从技术上讲，无法将气泡化的液体射流注入到仅厌氧发酵过程的初始阶段。与微喷雾试验相比，氢气注入量减半（100升/年 → 50升/年）。
第三个实验阶段（图3）在干发酵反应器中进行。纳米曝气装置连接到干发酵反应器的渗滤罐，该装置是发酵过程液体循环的一部分。在实验之前，根据湿发酵实验对纳米曝气装置进行了进一步开发。这使得氢气进料更加精确（表2），从而能够在曝气过程中将氢气量调节至所需水平。曝气在工作日每天进行一次。
在纳米气泡化过程中，通过测量气泡化过程中氢气的释放量来控制氢气含量。当达到废液饱和点时停止气泡化。这一过程使用便携式生物气分析仪进行监测。通过在独立单元中进行纳米气泡化，氢气危险因素、气泡化温度和环境均可控。
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