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厌氧消化猪粪时，通过分步整合食品废料共消化（SM:FW=90:10）、粉末活性炭（25mg/g VS）补充和低电压刺激（0.4V），显著提升产甲烷效率。实验表明单独策略均有效，组合应用产甲烷率（618±9mL CH4/L·d）和产率（206±3mL CH4/g COD）分别提高80%和81%。微生物分析揭示策略应用导致群落结构分步变化，证实协同作用可有效缓解低降解性、营养失衡及中间代谢瓶颈，提升过程稳定性。
金泰勋（Tae-Hoon Kim）| 郑允珠（Yun-Ju Jeon）| 金恩硕（Eun-Sol Kim）| 尹叶明（Yeo-Myeong Yun）
韩国清州忠北国立大学环境工程系，1 Chungdae-ro, Seowon-Gu, Cheongju 28644
摘要
猪粪（SM）的厌氧消化（AD）受到生物降解性低、营养失衡以及发酵中间产物转化效率低等限制。本研究评估了逐步整合食物废弃物（FW）协同消化（SM:FW = 90:10，基于COD）、粉末活性炭（PAC，25 mg/g VS）添加以及低电压刺激（LVS，0.4 V）来提高SM产甲烷量的方法。批次实验表明，这三种策略均能提高甲烷产量，且效果各异。随后在连续操作条件下分别及组合评估了这些策略的效果。逐步整合这些策略后，甲烷产量显著提升。完全整合的系统（FW协同消化 + PAC + LVS）实现了最大的增效，甲烷产率和产量分别增加了约80%和81%（618 ± 9 mL CH?/L/天和206 ± 3 mL CH?/g COD添加量）。微生物分析显示，社区结构随策略应用发生了逐步变化：FW协同消化丰富了水解和发酵菌群（如Actinomyces和Bacteroides），而PAC添加和LVS则促进了多功能产甲烷菌（如Methanosarcina和Methanobacterium）的增殖，表明中间产物转化与甲烷生成之间的耦合得到增强。这些发现为如何通过逐步整合互补策略来解决SM消化中的多个瓶颈问题并提高甲烷回收率提供了见解。
引言
气候变化因化石燃料产业产生的温室气体排放而加速，从而增加了对可再生能源的需求（Bilgili等人，2024年）。二氧化碳（CO?）约占温室气体总排放量的80%，其积累与全球温度上升和更广泛的环境变化有关（Ahmad等人，2025年）。厌氧消化（AD）作为一种可行的技术，通过产生沼气作为可再生能源来帮助减少温室气体排放（Uddin和Wright，2023年）。除了能源回收外，AD还能通过有机废弃物的资源化利用促进环境保护（Cucina，2023年），这与包括联合国可持续发展目标（SDGs）在内的全球可持续性框架一致（Archana等人，2024年；Piadeh等人，2024年）。
在有机废弃物中，猪粪（SM）是最丰富且能量最高的底物之一，具有巨大的沼气生产潜力。然而，SM的AD面临多个限制，影响其稳定运行。其较低的碳氮比（C/N）和纤维质有机物导致消化效率低，而高蛋白含量则会导致过量氨释放和过程抑制（Rivera等人，2022年；Hickmann等人，2024年）。
此外，发酵中间产物的转化效率低下以及电子转移途径的不平衡会限制下游的甲烷生成，尤其是在压力条件下。针对这些限制，先前研究探索了多种策略，包括与富碳底物的协同消化、无机和生物添加剂的利用以及微生物电化学技术（Yu等人，2019年；Lourinho等人，2020年）。食物废弃物（FW）的协同消化已被广泛用于弥补营养失衡，并提供易于生物降解的底物，从而缓解SM因生物降解性低和C/N失衡带来的限制。例如，当SM与FW协同消化时，甲烷产量据报道可增加40–60%（Dennehy等人，2016年）。尽管有这些改进，但单独使用协同消化仍无法完全解决发酵中间产物积累和下游转化的问题，尤其是在连续操作条件下。导电材料（如生物炭和粉末活性炭（PAC）已被研究用于促进种间电子转移（DIET），改善电子流动并加速甲烷生成（Kim等人，2023年）。特别是PAC，据报道能增强共生相互作用并稳定中间产物的转化，而不改变底物输入，从而支持下游代谢效率。DIET是一种替代的电子转移机制，它将有机酸共生氧化过程中产生的电子直接传递给产甲烷古菌，无需依赖H?或甲酸等可扩散的中间产物（Rotaru等人，2014年）。低电压刺激（LVS，<1 V）也被证明是一种有前景的策略，因为它能降低氧化还原障碍，增强丙酸和丁酸等中间有机酸的降解，并促进氢营养型甲烷生成（Sun等人，2020年；Kim等人，2025年）。尽管这些方法具有显著优势，但它们大多是在独立条件下或有限条件下研究的，其在连续AD操作下的综合和交互效应尚不完全清楚。
每种策略针对SM AD中的不同过程限制：FW协同消化主要解决底物可用性和营养失衡问题，PAC添加通过增强共生相互作用来支持发酵中间产物的下游转化，而LVS则与甲烷生成相关的氧化还原条件变化有关。然而，现有研究大多分别评估了这些方法，它们在连续操作下的综合或顺序效应仍不够明确。通过逐步和综合的方式评估这些策略，可以区分它们的单独贡献和综合交互作用，而不仅仅是单一技术的优化。
因此，本研究评估了FW协同消化、PAC添加和LVS在SM AD中的单独、双重及同时应用效果。进行了批次实验以表征每种策略的反应模式。随后，在间歇供料连续搅拌罐反应器中进行长期运行，验证了它们在连续条件下的综合性能。监测了包括甲烷产量、COD去除率和有机酸动态在内的工艺参数，并通过微生物群落分析提供了对观察到的性能响应的机制性解释。这种综合评估阐明了逐步应用互补策略如何缓解SM AD中的多个瓶颈问题，并提高整体甲烷回收率和过程稳定性。
部分摘录
底物和种子污泥的制备
SM来自韩国清州的一个牲畜废水处理厂，作为本研究的主要底物。FW来自韩国清州忠北国立大学的食堂。为确保均匀性，使用商用搅拌机混合FW后再使用。SM和FW均储存在密封容器中，温度保持在4°C，以抑制微生物活动并保持其原始特性直至实验。
单一技术条件下的甲烷生成动力学
在所有测试条件下，累积甲烷生成曲线都能很好地用修正后的Gompertz模型描述，决定系数超过0.98，证实了动力学拟合的可靠性。与仅使用SM相比，所有三种单一技术条件下的甲烷生成量均有所增加；然而，改进的程度和动力学特征在不同策略之间存在显著差异（图2a，表1）。
结论
本研究考察了FW协同消化、PAC添加和LVS对SM AD的单独和联合效应。甲烷生成量根据所采用的策略不同而有所差异，联合应用在长期反应器运行中实现了最高的甲烷回收率。FW协同消化对甲烷生成的促进作用超出了单独添加共底物的预期效果，而PAC添加则在不改变其他条件的情况下提高了甲烷转化效率。
CRediT作者贡献声明
金恩硕（Eun-Sol Kim）： 数据整理。
金泰勋（Tae-Hoon Kim）： 文稿撰写——初稿编写、验证、实验研究。
郑允珠（Yun-Ju Jeon）： 文稿撰写——审阅与编辑、方法学设计。
尹叶明（Yeo-Myeong Yun）： 文稿撰写——审阅与编辑、监督。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了韩国农村发展行政部的农业科学技术发展合作研究计划（项目编号PJ017005）、韩国环境部（MOE）的废物转化为能源-人力资源开发项目（YL-WE-23-001）以及韩国国家研究基金会（NRF）资助的全球基础研究实验室（BRL）计划的支持，后者由韩国科学技术信息通信部（MINISTERY OF SCIENCE AND ICT）提供资金。
