《Journal of Environmental Management》：Hydrochar improves the dewaterability of digestate from anaerobic co-digestion of food waste and waste activated sludge: A neglected benefit
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本研究探究水炭对食品废弃物与剩余污泥厌氧共消化体系中消化液脱水性能的影响及机制。结果表明，添加10 g/L水炭可使过滤阻力比降低62.0%，毛细吸水时间减少24.0%，其机理涉及水炭降低胞外聚合物（EPS）中蛋白质含量，改变EPS疏水性，并通过富集蛋白水解微生物增强EPS疏水性，进而改善脱水性能。实验还验证添加FeCl3时高剂量水炭对后续脱水仍有效。
徐秋香|张海阳|董琪琪|李东毅|梁家琳|潘敏|张佳敏|黄Jonathan W.C.
中国广东省东莞市东莞理工学院生态环境工程研究中心，523808
摘要
尽管人们已经投入了大量努力来深入理解水炭在食品废弃物和污泥厌氧共消化过程中对提高沼气产量的作用，但很少有研究探讨它对消化物脱水性能的影响。本研究调查了不同剂量水炭（0、2、5和10克/升）对食品废弃物和污泥厌氧共消化过程中消化物脱水性能及其物理化学特性的影响，以及其作用机制。实验结果表明，添加水炭显著提高了消化物的脱水性能，具体表现为过滤阻力降低了62.0%–65.6%，毛细吸力时间减少了6.9%–24.0%。机制研究表明，10克/升的水炭降低了蛋白质含量，并增强了细胞外聚合物中类酪氨酸和类色氨酸蛋白质的去除效果。傅里叶变换红外光谱分析表明，添加水炭不仅增强了细胞外聚合物中亲水性官能团的去除，还降低了α-螺旋与（β-折叠+无规卷曲）的比例，从而提高了消化物的疏水性，进而改善了其脱水性能。进一步的微生物研究表明，10克/升的水炭丰富了能够水解蛋白质的微生物，这可能有助于降低细胞外聚合物的含量和蛋白质的二级结构强度。进一步的脱水测试表明，即使在添加了调节剂FeCl3的情况下，高剂量的水炭仍对后续消化物的脱水有积极影响。这些发现不仅增加了水炭在食品废弃物和污泥厌氧共消化中的应用前景，也为水炭对消化物后续脱水过程的潜在益处提供了新的见解。
引言
由于人口和经济的持续增长，全球食品废弃物（FW）和污泥（WAS）的产生量呈现出显著上升趋势，占城市固体废弃物的30–40%（Chen等人，2020年；Ong等人，2018年）。据预测，到2025年，全球食品废弃物和污泥的产量将超过3.23亿吨（Du等人，2021年；Luo等人，2020年；Yao等人，2018年）。在废物管理领域，处理食品废弃物和污泥已成为一个全球性挑战，因为其量巨大、处理成本高昂且存在潜在的环境风险。目前应用的厌氧共消化（co-AD）技术被广泛认为是稳定废弃物、实现能源回收和病原体灭活的低成本有效方法（Du等人，2021年；Naran等人，2016年）。然而，食品废弃物和污泥的厌氧共消化在从实验室向工业应用的过渡过程中仍面临诸多挑战，包括沼气产量低于预期、系统缓冲能力弱以及性能波动较大（Chen等人，2020年）。为了高效稳定地回收沼气，人们已经研究了许多调节策略。
除了上述沼气回收的挑战外，厌氧消化过程中产生的消化物的处理和处置也是该技术应用中的难题，主要原因是处理成本较高。例如，仅在中国，每年的消化物产量就超过2亿吨，且随着厌氧消化技术的广泛应用，其产量还将继续增加（Jin等人，2016年）。传统的消化物处理方法主要是填埋和焚烧。然而，填埋会加剧有限土地资源的压力（Dutta等人，2021年），而焚烧则存在能量转换效率低和能耗高的问题（Wang和Lee，2021年）。鉴于消化物富含惰性有机物、未消化的底物和微生物代谢产物，建立其资源利用途径至关重要。更重要的是，大多数处理方案采用线性模式，即先进行厌氧消化，再单独处理消化物，这不仅与社会倡导的循环利用理念相悖，也忽视了厌氧消化调节与消化物处理之间的潜在联系（Zbair等人，2024年）。在这种背景下，通过创新处理方式和理念来实现双重目标——提高沼气产量以增强能源回收，并解决消化物处置问题——对于推进有机固体废物的厌氧消化处理具有重大意义。
最近，一些研究人员提出利用消化物通过热解碳化（HTC）技术制备水炭（HC），作为调节剂来改善厌氧消化过程，从而同时实现消化物减量并提高沼气产量，符合循环经济的理念（Kumar等人，2021年）。例如，Xu等人（2020年）研究了从消化物制备的水炭对污水污泥和猪粪厌氧消化过程的影响，发现4.0克/升的水炭使甲烷产量比对照组提高了49%。Zhou等人（Yan等人，2023年）的研究也观察到了类似的效果，他们发现添加了FeCl3的消化物制备的水炭能够通过促进Syntrophaceticus和Methanoculleus的共生作用来提高沼气产量。这种利用消化物制备水炭的模型为厌氧消化系统提供了一种废物控制-废物利用的技术途径，具有技术和环境双重效益（Cavali等人，2022年）。
在过去十年中，水炭介导的厌氧消化得到了广泛研究，在提高沼气产量、优化消化系统及其对潜在抑制物质（如个人护理产品（PPCPs）、微塑料和氨）的影响方面取得了显著进展（Xu等人，2023年；Wei等人，2022年）。然而，水炭存在下消化物的脱水问题尚未受到足够关注，而这确实值得关注，因为消化物处理占总运营成本的30–50%。目前，粘稠消化物的处理面临高水分含量和低脱水性能的问题（Ferrentino等人，2016年；Lü等人，2015年）。实际上，将水炭加入消化系统会显著影响消化物的性质，尤其是细胞外聚合物（EPS），而EPS与消化物的脱水性能密切相关（Wang等人，2017年；Liu等人，2021年）。此外，大量文献表明，厌氧消化的调节会影消化物的脱水性能。例如，酸性和碱性预处理会恶化消化物的脱水性能，而添加铁则有助于改善脱水效果（Shrestha等人，2020年；Apul等人，2010年）。因此，使用水炭调节厌氧消化的新方法可能对消化物的脱水性能产生影响。然而，仅有一项研究报道了水炭对脱水的影响，发现水炭可以缩短消化物的毛细吸力时间（CST）（Xu等人，2022年）。水炭对消化物脱水性能的作用及其影响机制尚不清楚，这阻碍了我们对水炭在厌氧消化系统中作用的全面深入理解。因此，为了更好地推动水炭在厌氧消化中的工程应用，充分揭示水炭在消化物脱水中的作用具有重要的理论和工程意义。
为了解决上述问题，本研究重点探讨了水炭对消化物脱水性能的影响，并深入阐明了食品废弃物和污泥厌氧共消化过程中的作用机制。首先，系统评估并比较了有无水炭时消化物脱水性能和沼气产量的变化。随后，研究了消化物中EPS的物理化学性质及微生物群落的变化。最后，进一步评估了添加传统絮凝剂（FeCl3）对消化物脱水性能的影响。总体而言，本研究结果填补了水炭介导的厌氧消化技术在水处理方面的研究空白，丰富了人们对水炭在厌氧消化中作用的理论认识，并为进一步调节水炭介导的消化物处理提供了理论基础。
共消化过程中使用的底物、接种物和水炭
本研究中，共消化过程中使用的底物和接种物分别为食品废弃物（FW）和污泥（WAS）与厌氧消化污泥（ADS）的混合物。它们的主要特性在补充信息中详细说明（表S1）。其中，食品废弃物是根据我们的初步实验方法人工制备的，主要包括25%的大米、25%的卷心菜、15%的猪肉和35%的面包（Xu等人，2022年）。污泥和厌氧消化污泥分别来自松山湖北污水处理厂的二次沉淀池和厌氧消化池。
水炭对沼气产量的影响
从图1A可以看出，各组的沼气累积产量曲线趋势相似。所有组在初期都表现出快速的沼气生成，随后逐渐增加并趋于稳定。经过16天的消化后，对照组的最大沼气产量为186.32 ± 9.25毫升/克干物质（VS），而添加了2、5和10克/升水炭的实验组的最大产量分别为189.28 ± 19.21、189.30 ± 6.41和185.13 ± 5.28毫升/克干物质（VS）。
结论
本研究首次全面探讨了水炭在食品废弃物和污泥厌氧共消化过程中对消化物脱水性能的影响，揭示了水炭在提高消化物脱水性能方面的积极作用。主要结论包括：
●添加水炭可改善消化物的脱水性能，其中10克/升的水炭效果最佳，与对照组相比，过滤阻力（SRF）降低了62.0%，毛细吸力时间（CST）降低了24.0%。
●添加10克/升的水炭有利于促进能够水解蛋白质的微生物的富集
作者贡献声明
徐秋香：撰写——审稿与编辑、方法论、数据管理、概念构思。张海阳：撰写——初稿、方法论、数据分析。董琪琪：撰写——审稿与编辑。李东毅：撰写——审稿与编辑。梁家琳：撰写——审稿与编辑。潘敏：撰写——审稿与编辑。张佳敏：撰写——审稿与编辑。黄Jonathan W.C.：撰写——审稿与编辑。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
