《Science of The Total Environment》：Greywater use in anaerobic digestion of cattle manure: Advancing biogas yield, energy efficiency, and digestate valorization for environmental sustainability in semi-arid regions
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为解决巴西半干旱地区水资源短缺、能源匮乏及环境污染问题，研究人员开展了牛粪与生活灰水厌氧共消化的研究。结果表明，灰水替代淡水可显著提升沼气产量（最高达1235.0 mL g VS?1）和沃伯指数（最高53.29 MJ m?3），并产出营养丰富的低植物毒性沼液。该研究为资源受限地区提供了集废水回用、能源生产和有机废物增值于一体的可持续技术路径。
在巴西广袤的半干旱地区，近2800万居民正面临着严峻的水资源短缺挑战，其中农村社区尤为脆弱——约75%的家庭缺乏适当的污水处理设施，约65%的人口依赖可能受污染的水井和泉水。与此同时，能源短缺问题同样突出，许多家庭依赖木柴和木炭作为主要能源，这不仅加剧了森林砍伐，还导致室内空气污染，引发呼吸系统疾病。在这一系列相互交织的挑战中，畜牧业作为该地区的重要经济支柱，产生了大量牛粪，这些有机废弃物若处理不当，将导致土壤和水体污染。而生活灰水（来自淋浴、洗涤等活动的相对清洁废水）作为一种潜在资源，却往往被直接排放或不当处理。
面对这一复杂局面，来自巴西伯南布哥联邦大学核能系生物质能源研究小组的研究团队开展了一项创新性研究，探索将灰水用于牛粪厌氧共消化的可行性，旨在为半干旱地区提供一种集废水回用、可再生能源生产和有机肥料生产于一体的综合解决方案。这项研究发表于《整体环境科学》（Science of The Total Environment），为资源受限地区的可持续发展提供了重要技术路径。
研究人员采用了一种贴近实际应用的研究设计——在缺乏预适应接种物的条件下，直接使用新鲜牛粪作为底物和自身接种物，模拟农村地区分散式沼气池的启动情况。他们在500毫升的台式生物反应器中，以1:1的固液比，系统评估了不同灰水稀释比例（25%、50%、75%和100% v/v）对沼气生产和沼液质量的影响。实验持续76天，在36±2°C的中温条件下进行，通过气相色谱分析沼气成分，并采用改进的Gompertz方程进行动力学建模。同时，对最终产生的沼液进行了全面的理化特性分析和植物毒性评估。
研究结果显示，灰水的加入显著改善了厌氧消化过程的性能。与对照组（仅牛粪）相比，所有灰水共消化处理的沼气产量均有显著提升。其中，100%灰水处理组的最大沼气产量达到1235.0±43.8 mL g VS?1，比对照组（951.9±55.7 mL g VS?1）提高了约30%。更重要的是，沼气质量也得到明显改善——25%灰水处理组的沃伯指数达到53.29±2.76 MJ m?3，远高于对照组的31.10±1.65 MJ m?3，表明其能源品质更优。
动力学分析进一步揭示了灰水共消化的优势：最大比沼气产率从对照组的60.9±6.3 mL g VS?1d?1提升至50%灰水处理组的109.3±12.3 mL g VS?1d?1；同时，滞后期从13.5±1.9天缩短至25%灰水处理组的9.2±1.7天，表明微生物活性得到增强。改进的Gompertz模型对实验数据表现出极佳的拟合度（R2=0.98-0.99，p<0.0001），验证了模型的可靠性。
3.1. 底物和流出物的表征
牛粪呈现出接近中性的pH值（7.00±0.30）、高总固体含量（15.400±0.490%）和高挥发性固体含量（12.400±0.140%），表明其富含有机物，适合作为厌氧消化的底物。灰水同样呈近中性pH（6.90±0.30），但有机负荷和固体含量显著较低，使其成为高固体浓度底物的理想稀释剂。元素分析显示灰水中含有钙、钾、镁等有益微生物活动的营养素，而潜在抑制性重金属浓度极低或未检出。
3.2. 厌氧消化系统的性能
所有灰水共消化比例的累计沼气产量均优于对照组（牛粪单独消化）。GW100处理（100%灰水作为稀释剂）表现出最快的初始沼气生成速度。GW25处理表现出卓越的整体性能，累计产量比对照组高出255.6%。沼气中的甲烷含量在灰水处理中也普遍高于对照组，GW25处理的甲烷纯度达到约75%（v/v）。
3.3. 共消化试验的动力学建模
改进的Gompertz模型揭示了灰水共消化对动力学参数的积极影响。最大沼气生产潜力（B?）从对照组的951.9±55.7 mL g SV?1显著增加至GW100处理的1235.0±43.8 mL g SV?1。最大比沼气产率（R）和滞后期（λ）也显示出改善，表明灰水的添加优化了微生物的代谢活性。
3.4. 沼液的表征
沼液的理化特性受灰水浓度影响显著。虽然pH值在所有处理中保持稳定，但电导率均超过2000 μS cm?1。随着灰水比例增加，化学需氧量（COD）和总有机碳（TOC）先增后降，而总固体（TS）和挥发性固体（VS）则随灰水浓度增加而降低。元素分析显示，灰水共消化提高了沼液中的氮、磷、钾等营养元素含量，同时重金属污染风险较低。
3.5. 沼液在发芽试验中的应用分析
使用生菜（Lactuca sativa）进行的植物毒性评估显示，适度稀释的沼液（10%）特别是GW50和GW100处理，发芽指数（GI）超过100%，表现出生物刺激效应。而未稀释的沼液（100%）则表现出植物毒性（GI在50%-80%之间），可能与高浓度的氨、重金属和酚类化合物有关。
研究的讨论部分强调，灰水共消化不仅解决了半干旱地区的水资源短缺问题，还实现了废物的资源化利用。产生的沼气可作为清洁烹饪燃料，替代传统生物质，减少室内空气污染和森林砍伐；而营养丰富的沼液则可作为有机肥料，减少对化学肥料的依赖，改善土壤健康。这一集成系统还有助于减少温室气体排放，促进气候行动。
经济可行性分析表明，该技术具有显著优势：沼液作为有机肥料可减少化肥成本130-210美元/公顷/季；灰水替代淡水可节省水费125-250美元/户/年；沼气替代液化石油气可节省180-480美元/户/年。综合效益达435-940美元/户/年，投资回收期仅为5-13个月，对低收入农村家庭尤为有利。
这项研究通过实证数据验证了灰水辅助牛粪厌氧共消化在半干旱地区的技术可行性和经济吸引力，为推进联合国可持续发展目标（SDG），特别是清洁能源（SDG7）、零饥饿（SDG2）、清洁饮水和卫生设施（SDG6）以及气候行动（SDG13）提供了切实可行的技术路径。研究结果特别强调了在不依赖外部接种物的情况下实现系统自主启动的可行性，这大大降低了技术推广的壁垒，对于缺乏基础设施的偏远农村地区具有重要的实践意义。
