《Environmental Research》：Microwave Assisted Anaerobic Digestion of Waste-Activated Sludge: Integrating Multi-Scale Characterisation and Energy Assessment for Enhanced Biogas Recovery
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微波预处理与常规热预处理对废活性污泥厌氧消化性能的影响研究。通过多尺度表征技术（EEM、FTIR、SEM及组学分析）和全规模能量评估，发现中等强度微波处理（600W）使甲烷产量提升69.1%，优于常规热处理（57.9%）和高强度微波（62.8%），同时实现净能源增益。微波通过破坏污泥微结构、促进有机物溶解及调控微生物群落提升消化效率，其非热效应在温和条件下更具经济可行性。
李玉轩|何长军|Luiza C. Campos|程世坤|李子富|胡玉坤
伦敦大学学院土木、环境与地理信息工程系，英国伦敦WC1E 6BT
摘要
厌氧消化（AD）是一种从废活性污泥（WAS）中回收能量的有前景的技术，但其效率仍受到生物降解性差和底物可利用性有限的限制。预处理工艺可以增强污泥的分解并提高甲烷产量，但其能源效率及大规模应用的可行性仍不确定。本研究通过综合实验和分析方法系统地研究了微波预处理（MP）和传统预处理（CP）对污泥特性和AD性能的影响。两种预处理方法均显著提高了甲烷产量，其中中等强度微波处理（MP600）的改善效果最明显（69.1%），高于传统预处理（57.9%）和高强度微波处理（MP1000，62.8%）。利用荧光激发-发射矩阵（EEM）光谱结合平行因子分析（PARAFAC）和自组织映射（SOM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）以及多组学分析进行的多尺度表征表明，微波预处理有效破坏了污泥的微观结构，促进了有机化合物的溶解，并诱导了有利于水解和产甲烷的微生物群落变化。全尺度能量评估进一步证实了该工艺的可行性，显示所有预处理方法均实现了净能量收益。MP600的净能量收益最高（13.97 kJ/gVS），超过了传统预处理（13.22 kJ/gVS）和高强度微波处理（13.30 kJ/gVS）。这些结果表明，低功率微波预处理在提高甲烷回收率和能源效率之间提供了最理想的平衡，代表了一种技术和经济上可行的可持续污泥管理和生物能源生成策略。
引言
废活性污泥（WAS）是污水处理厂（WWTPs）的主要副产品，对经济和环境造成了重大负担，其处理和处置成本约占污水处理厂总运营支出的50%（Zan等人，2021年）。厌氧消化（AD）常用于处理WAS，因为它能够减少污泥体积并产生可再生的生物气体（Roopnarain等人，2021年）。然而，AD过程的效率仍然有限，主要是因为WAS中含有难以被微生物降解的复杂有机结构（Nie等人，2021年）。因此，提高厌氧消化的效率是实现可持续废物管理目标的关键研究方向。
水解阶段被认为是AD过程中的限速步骤，因为它涉及将复杂的有机物质分解为更简单、更易生物降解的形式。为了解决这一限制，人们探索了多种预处理技术，包括热处理（Scherzinger和Kaltschmitt，2021年）、化学处理（Cazaudehore等人，2022年）、机械处理（Wang等人，2021年）和生物处理（Basinas等人，2025年），以加速水解从而提高整体生物气体产量。其中，微波预处理（MP）作为一种有吸引力的替代方案，因其快速加热特性、针对性的能量传递以及改善WAS生物降解性的潜力而受到关注（Li等人，2024a）。
先前的研究表明，微波预处理可以有效提高生物气体产量。Liu等人（2020年）报告称，在污水污泥和食物废物的联合厌氧消化过程中，微波预处理使甲烷产量比未经处理的对照组提高了约20%。Yue等人（2021年）发现，微波预处理主要通过热效应促进了脂质混合、固体溶解和大分子分解，从而提高了甲烷产量和生成速率。Kor-Bicakci等人（2019年）指出，微波预处理增强了复杂污泥结构的分解，使消化器能够在更高的负荷率和更小的体积下有效运行，同时不降低有机物的去除效率。然而，大多数关于微波预处理的好处主要归因于热效应，而微波特有的非热效应（如分子旋转增强、选择性能量吸收或细胞膜通透性改变）的存在和相关性仍存在争议且尚未得到充分研究（Bozkurt和Apul，2020年；Liu等人，2022年，2019年；Zhang等人，2019年）。
要明确这些微波特有效应是否以及如何促进污泥转化，需要对其物理化学、结构和生物响应进行综合评估。先前的研究表明，微波预处理可以促进细胞外聚合物物质（EPS）的释放（Yu等人，2024年），破坏微生物细胞壁（Li等人，2019年），改变污泥絮体的空间构象（Vialkova等人，2021年），并修改有机物组成（Yang等人，2020年）。最近的研究进一步表明，微波预处理可能重塑微生物群落，丰富支持增强厌氧消化的发酵和共生菌群（Fang等人，2020年；Y. Li等人，2025a；Zhang等人，2019年）。然而，在目标温度相同的情况下，区分微波特有的效应与增强的热效应和加热速率效应仍然是一个主要挑战。
基于此背景，本研究系统地比较了不同强度的传统热处理和微波预处理对废活性污泥厌氧消化的影响。使用荧光激发-发射矩阵（EEM）光谱、傅里叶变换红外（FTIR）光谱、扫描电子显微镜（SEM）和多组学分析等互补技术对预处理后的污泥样本及其在后续厌氧消化过程中的变化进行了表征。通过将这些分析与甲烷产量和能量平衡评估相结合，本研究旨在探讨微波预处理强度如何影响污泥分解、微生物选择和AD性能，并在更广泛的热效应和工艺尺度相互作用背景下仔细分析可能的微波特有效应。研究结果为优化预处理策略以改善污泥管理和生物能源回收提供了机制性见解。
实验设置和样品特性
作为底物的原始WAS来自中国甘肃省金昌市的一家采用厌氧/缺氧/好氧工艺运行的市政污水处理厂。污泥在沉淀和离心后进行采样。接种物来自实验室规模的中温厌氧消化反应器。底物和接种物的主要分析特性见表S1。污泥样本用聚丙烯塑料容器运输到实验室。
结果与讨论
本研究采用多种互补的分析技术，不是作为独立的终点，而是作为机制性工具来探讨微波预处理如何改变污泥结构、组成和微生物生态，从而直接影响AD性能。虽然微波预处理与热处理具有共同的热效应，但它引入了独特的能量沉积特性、快速体积加热、局部温度梯度以及增强的细胞和EPS效应。
微生物群落动态
在厌氧消化前后，从门水平研究了污泥的微生物群落结构，以评估CP和MP预处理的影响（如图6a所示）。在原始污泥中，群落主要由Proteobacteria（33.2%）、Bacteroidota（16.5%）和Acidobacteriota（12.4%）组成，这些菌门通常与好氧或兼性条件下的活性污泥系统相关。
能耗评估
进行了能耗评估，以评估该预处理AD系统在工业规模上的整体可行性。分析基于批次实验获得的甲烷产量，并将其外推到工作体积为1,500 m3的全尺寸消化器，假设反应器性能相同、VS负荷恒定且AD反应器壁的热损失可以忽略不计。进水VS浓度为48.13 kg/m3（来自实验）。
结论
本研究系统地表明，微波预处理对AD性能的影响具有强度依赖性，中等强度的微波输入（600 W）在提高废活性污泥的甲烷产量方面效果最佳。与传统热处理（57.9%）和高强度微波辐照（62.8%）相比，MP600使甲烷产量提高了约69.1%。这些结果证实了微波预处理的有效性。
作者贡献声明
李玉轩：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、方法学、研究、数据分析、概念化。何长军：撰写 – 审稿与编辑、资源获取、数据管理。Luiza C. Campos：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源获取、项目管理。程世坤：撰写 – 审稿与编辑。李子富：撰写 – 审稿与编辑。胡玉坤：撰写 – 审稿与编辑、监督、软件使用、资源获取、项目管理。
未引用的参考文献
Amir等人，2010年；Chan和Wang，2018年；Jiang等人，2022年；Kowalski等人，2018年；Liu等人，2020a年；Zhu等人，2012年。
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
