综述：食物废弃物：一种可持续的生物氢生产燃料来源

食品废弃物制氢研究综述：基于文献计量分析，系统总结了暗发酵、光发酵等主流技术机理及影响因素，提出发酵残渣资源化利用策略，并从生命周期评估与 techno-economic 分析验证其经济可行性，最后指出技术瓶颈与发展方向。

Jiayin Hao|Donghui Li|Kun Zhou|Zizheng Zhou|Shuming Liu|Zhiliang Cui

中国哈尔滨工业大学环境学院城市水资源与环境国家重点实验室，哈尔滨 150090

摘要

全球产生的食物垃圾（FW）对环境造成了影响，并带来了相关的经济成本。高效的能量转换和回收对于解决能源短缺和资源枯竭问题至关重要。生物质发酵是一种有前景的食物垃圾处理方法，可以持续生成生物氢气。因此，本研究首先通过应用文献计量学和VOSviewer©软件进行了文献调查，分析了过去20年关于从食物垃圾中生产氢气的研究进展和热点话题。系统介绍了食物垃圾的特性，随后全面概述了将食物垃圾转化为生物氢气的当前技术和常用发酵方法，包括厌氧发酵、光发酵、厌氧-光发酵和电发酵。本文还探讨了不同发酵方法的机制及其影响因素（如多种原材料、预处理方法、操作参数和微生物群落）。接着，介绍了对发酵残渣（FRs）的后续处理和进一步利用，以实现其可持续管理并提高氢气产量。此外，该综述还提供了生命周期评估和技术经济分析的详细评价，表明通过发酵生产氢气在经济上是可行的。最后，指出了这些方法面临的挑战和局限性，并提出了未来在实际应用中从食物垃圾生产平台化学品的研究方向。总体而言，本综述旨在对从食物垃圾中生产资源氢气的过程进行分类，并从绿色氢经济的角度选择更合适的食物垃圾处理方法。

引言

中国政府发布了在2030年前实现碳达峰的行动计划，明确提出了“促进农业和农村地区的碳减排和封存”以及“加快城乡建设的绿色低碳转型”，这对全球的高质量发展做出了庄严承诺。为了应对“碳达峰”和“碳中和”的国家战略，迫切需要建立低碳资源技术并促进废弃生物质的高价值利用。据估计，石油、煤炭和天然气等燃料资源分别将在35年、107年和37年内耗尽（Martins等人，2019年）。随着化石燃料枯竭、能源危机和全球变暖等问题的出现，对清洁和可持续能源的需求正在增长（Mahata等人，2021b，2023a）。因此，确保可再生和替代能源真正取代化石燃料是人类可持续发展的必要条件（Mahata等人，2023b）。风能、太阳能和潮汐能等可再生能源的无限性使它们具有吸引力，但其供应的不稳定性阻碍了它们成为主流能源（Rousseau等人，2020年）。相比之下，氢气具有高热值（142 kJ g⁻¹）且燃烧产物仅为水而非温室气体（Mahata等人，2021a）的优势。利用氢气可以减少由于多种生产途径以及相对普通的储存和运输方式带来的不稳定性等问题（Sen和Basak，2025年）。因此，迫切需要开发和实施一系列基于可再生资源或生物过程的替代方法来获取绿色氢气，从而进一步实现可持续发展，迈向“氢经济”（图1）。

蒸汽重整是目前大规模生产氢气的主流工艺，但这一过程会伴随二氧化碳排放（Hosseini和Wahid，2016年）。为了响应碳减排政策，需要开发环保的氢能源技术，以促进更绿色的生物氢进入商业市场（Yang等人，2024b）。目前，许多研究集中在从食物垃圾等废弃生物质中生产生物氢，以替代化石燃料，从而应对能源需求的快速增长并解决这些固体废弃物的处理问题（Habashy等人，2021年）。食物垃圾（FW）作为一种含有大量生物能量的固体废弃物，占人类活动产生的全球温室气体（GHG）排放量的6.7%（Slorach等人，2019年）。2020年，中国产生了1.25亿吨食物垃圾，其处理过程消耗了1670万吨新鲜水和3010万吨石油及化石燃料，并释放了3750万吨二氧化碳（Liu等人，2022年）。传统的处理方法（如填埋和焚烧）存在资源回收率低和严重环境污染的缺点，这也加速了食物垃圾资源化利用的发展（Zhao等人，2024年）。通过对过去20年从食物垃圾中生产氢气的研究趋势进行文献计量学分析，发现相关研究呈指数级增长。2024年发表的文章数量约为2010年的10倍。其中，通过发酵生产氢气的比例达到了71.85%，远高于其他两种常见方法（图2）。

厌氧发酵（AF）是指微生物在低氧条件下通过代谢活动分解有机物并产生高附加值产品的过程（Zhang等人，2023a，2025年）。这种方法有助于发展低碳经济和替代清洁能源，同时实现有机固体废弃物的高效处理（Zhang等人，2024年）。以往的综述主要集中在生物氢生产的研究和常见发酵方法上；然而，将文献计量学与以食物垃圾为底物的可持续发酵氢生产研究相结合的综述尚未进行过全面总结。本文首先进行了文献计量学调查，分析了过去20年从食物垃圾中生产生物氢的研究进展和发展趋势。系统总结了当前从食物垃圾中生产氢气的方法，有助于为城市固体废物回收和高效氢气生产提供准确的调控策略。还回顾了不同发酵技术的机制和影响因素，以及发酵残渣的后续处理和进一步利用。然后，通过生命周期评估和技术经济分析对整个过程进行了分析，并指出了食物垃圾发酵生产氢气在实际应用中面临的挑战和前景。总体而言，本综述旨在梳理从食物垃圾中生产资源氢气的过程，并从绿色氢经济的角度选择更合适的食物垃圾处理方法。

小节片段

文献计量学分析

文献计量学的概念由Alan Pritchard于1969年提出，用于预测某一领域的发展趋势（Agyekum等人，2025年；Roig-Tierno等人，2017年）。它可以帮助研究人员提取基本信息和研究进展，进一步推动研究和开发（Sillero等人，2022年）。2025年10月进行了文献检索，使用了Science Citation Index Extension（SCI-E）-Clarivate Analytics的ISI - Web of Science©核心数据库中的科学产出数据。

食物垃圾的特性

常见的食物垃圾主要包括家庭和餐馆废弃物、啤酒厂废弃物以及乳制品废弃物，这些废弃物具有高水分含量、丰富的有机物质以及显著的成分差异。食物垃圾的成分因烹饪方法、季节变化、消费模式和地理位置的不同而有所差异（Mei等人，2024年）。底物的成分差异是决定生物氢生产效率的核心因素。

常用于食物垃圾的发酵方法

在从食物垃圾生产氢气的过程中，常用的发酵方法包括厌氧发酵、光发酵、厌氧-光发酵和电发酵（图6），其中厌氧发酵在过去20年中应用最为广泛。

通过发酵残渣（FRs）的深度利用

通过厌氧发酵技术从食物垃圾中生产氢气受到了许多学者的关注，这是目前从废弃生物质中回收能源最有前景的方法之一。大多数食物垃圾通过厌氧发酵处理，同时会产生大量发酵残渣（FRs）。据估计，处理1吨食物垃圾大约会产生0.57–1.34吨的发酵残渣（Li等人，2022b）。这些残渣具有致病性，脱水性能较差，且处理成本较高。

生命周期评估和技术经济分析

在全球范围内处理食物垃圾对于提高食品安全和减少环境污染至关重要。然而，目前尚不清楚这是否有利于经济发展和能源建设，以及哪些步骤需要进一步优化和调整。因此，在将食物垃圾作为厌氧发酵的底物以获取绿色、无污染的氢能源之前，对整个过程进行评估并提出建议是非常重要的。生命周期评估（LCA）是一种系统的方法

挑战、未来展望和结论性意见

本综述总结了食物垃圾的来源、特性、常用发酵技术和潜在机制，并优化了其残渣的利用。氢气生产的上游过程已经得到了充分研究，而下游利用、终端用户需求和部署瓶颈在整个过程中也至关重要。随着能源需求的持续增长，从食物垃圾中提取的生物氢作为一种可再生和低碳能源

CRediT作者贡献声明

Jiayin Hao：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、方法论、调查。Donghui Li：撰写 – 审稿与编辑、调查。Kun Zhou：撰写 – 审稿与编辑、调查。Zizheng Zhou：撰写 – 审稿与编辑、方法论。Shuming Liu：撰写 – 审稿与编辑、调查。Zhiliang Cui：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、监督、方法论、调查、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。