《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Anaerobic co-digestion of fish waste and food waste: Synergistic improvement on biogas production
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该研究评估了鱼废水和食品废物的厌氧共消化可行性及最佳混合比例，发现60:40比例下累计产气量达213.89 NmL/g VS，较单独处理提升25.35%-26.57%，同时缓解氨抑制和pH波动问题，并揭示了微生物群落及酶活性变化机制。
林嘉怡|张海阳|张佳敏|May Bin-Jumah|Mostafa R. Abukhadra|何珊|Matt Jellicoe|潘敏|徐秋香|Wong Jonathan W.C.
广东省东莞市东莞工业大学生态环境工程研究中心，523808
摘要
本研究评估了鱼废料（FIW）和食物废料（FW）的厌氧共消化过程，以确定共消化的可行性及关键参数——混合比例。结果表明，当FIW与FW的比例为80:20、60:40、40:60时，累积沼气产量显著提高，其中60:40的比例最为理想。在该比例下，累积沼气产量达到213.89 NmL/g VSadded，比单独使用FIW或FW的组别（分别为170.64 NmL/g VSadded和168.99 NmL/g VSadded30 mg/L）导致的抑制现象，还防止了由于FW消化过程中pH值急剧下降而引起的系统pH值不稳定（< pH 6.8），从而更有利于沼气生产。酶活性测试显示，FIW:FW=60:40组中的辅酶F420活性约为单独处理FIW组的1.55倍，约为单独处理FW组的1.61倍。微生物分析表明，与单独处理FIW或FW相比，该比例下水解微生物、短链脂肪酸（SCFAs）产生菌以及产甲烷菌的数量均有所增加。这些发现为加强鱼产品加工厂中的FIW和FW处理及能源回收提供了有效策略。
引言
鱼产品是全球人类饮食中重要的蛋白质来源。目前，全球超过75%的蛋白质来自鱼类消费，这促进了鱼产品加工产业的快速发展[1]。仅在中国，就有超过9,000家鱼产品加工厂[2]。鱼产品加工过程中会产生大量鱼废料（FIW），主要包括鱼头、鱼骨、鱼皮、内脏和鱼尾[3]。据统计，2014年全球渔业产量超过9,340万吨[4]，其中超过70%的鱼产品在上市前经过了进一步加工，产生了大量FIW（约占20%至80%）[5]。如果FIW处理不当（直接排放到陆地或水环境中），会对生态系统造成负面影响，从而导致严重的环境问题[6]。鉴于FIW富含蛋白质、脂肪、矿物质、维生素和微量元素等营养成分，并且具有较高的资源回收潜力[7]，因此对其进行处理并同时回收资源或能源受到了广泛关注。
厌氧消化（AD）被广泛用于FIW的回收[6]。在此过程中可以产生沼气，这种可再生能源可用于鱼产品加工厂的发电或供暖[8]。与其他可能造成环境污染的FIW处理方法（如填埋和堆肥）相比，AD能够有效降解FIW中的有机物，减少其体积和质量，从而节省处理成本[9]。例如，有研究表明，当FIW的甲烷含量为73%、挥发性固体（VS）降解率超过80%时，AD产生的沼气产量较高[10]。Okoro等人[11]分析了将FIW升级并回收用于生物产品生产的技术和经济可行性，发现AD不仅可以回收沼气，还能获得可作为生物肥料前体的消化物，具有较高的资源回收价值。
与此同时，鱼产品加工厂的运营需要大量工人，每天会产生大量食物废料（FW）[12]。据报道，中国每年产生的FW量达到了6,000万吨[13]。FW是一种有机且可生物降解的材料，主要由脂肪、蛋白质和碳水化合物（包括淀粉、纤维素等）组成[14]。如果FW处理不当，会造成严重的环境污染[13]，因此对其的有效处理和处置受到了越来越多的关注[15]。传统的处理方法（如焚烧、填埋和作为动物饲料）在可持续性、环境影响和成本效益方面存在不足，因为FW具有高水分含量、低热值和结构稳定性差的特点[16]。相比之下，AD能够适应这些特点，并且是一种有效的FW处理方法，具有多重环境效益[15]。例如，Braguglia等人[17]发现，AD处理FW不仅可以回收沼气能量，还能显著减少废物体积并降低温室气体排放。此外，在AD过程中，嗜热条件能有效灭活病原体，从而降低环境风险[15]。因此，无论是从技术角度还是实际工程角度来看，都在鱼产品加工厂中对FIW和FW进行厌氧共消化（AcoD）处理是非常必要的。
然而，目前无论是在实验室还是大规模应用中，FW的厌氧消化都面临着由于高生物降解性导致的快速酸化问题，这会导致短链脂肪酸（SCFAs）积累和pH值下降，从而影响产甲烷菌的活性[18]。此外，FW富含蛋白质，在AD过程中可能会产生过量氨[19]。大量文献表明，产甲烷菌对氨非常敏感，当氨浓度超过30 mg/L时，会对产甲烷菌的活性产生显著抑制作用[20]。上述FW和FIW在消化过程中对产甲烷菌的负面影响可能导致沼气产量降低，干扰消化系统的稳定性，甚至导致反应器故障[21]。Chairattanawat[22]报告称，当FIW的比例突然增加超过5%（体积比）时，主要使用混合污泥和FW作为原料的厌氧消化器会受到抑制。虽然实验用的底物（混合污泥、FIW和FW）与原始研究材料（仅FIW或FW）有所不同，但共消化带来的风险进一步加剧了我们对FW和FIW共消化效果的担忧，即它们分别单独消化时产生的某些潜在负面影响是否仍然存在，或者是否会因共消化过程中底物浓度的稀释而得到缓解或消除。这将直接影响FW和FIW共消化的可行性，也会影响资源回收效果和系统运行稳定性。因此，有必要在不同FIW与FW比例下进行AcoD处理。
为了解决这些问题，本研究旨在探索不同FIW与FW比例（例如100:0（仅FIW）、80:20、60:40、40:60、20:80、0:100（仅FW）下AcoD的处理效果。首先，评估并比较了不同比例FIW和FW对沼气产量的影响。然后，使用两个动力学模型估算了沼气产量的动力学参数。接着，测量了共消化过程中可溶性有机物、pH值、ORP、NH4+-N和游离氨（FA）的变化，以分析基本特性。为了更深入地了解不同底物比例对AcoD的影响，最后研究了与产甲烷菌活性相关的辅酶F420以及微生物群落。这些发现不仅有助于确定FIW和FW共消化的可行性，还为选择合适的底物比例提供了理论支持和技术指导。
部分内容摘要
原料和接种物的来源
本实验使用的消化原料是FW和FIW的混合物。FW的成分按比例混合（即35%面包、25%大米、25%卷心菜和15%煮熟的猪肉）[23]；FIW的成分则是通过将鱼皮、鱼尾、鱼鳞和鱼鳍研磨成均匀的糊状物并在-20°C下保存以备后续使用[24]。所使用的接种物来自松山湖污水处理厂的消化污泥。
不同比例下FIW和FW的共消化
在FIW和FW的厌氧共消化过程中，所有实验组在不同混合比例下的累积沼气产量呈现出一致的趋势（图1）。整个过程分为三个阶段：初始的滞后阶段，随后是指数增长阶段，最终达到沼气产量峰值。值得注意的是，与单一底物系统相比，FIW和FW的共消化显著增强了沼气生成。
结论
研究表明，适当的FIW和FW混合比例可以提高沼气产量。当FIW与FW的比例为60:40时，沼气产量达到最佳值，从单独使用FIW组的170.64 ± 9.36 NmL/g VSadded和单独使用FW组的168.99 ± 15.44 NmL/g VSadded增加到213.89 ± 7.02 NmL/g VSadded
作者贡献声明
May Bin-Jumah：撰写、审稿与编辑。Mostafa R. Abukhadra：撰写、审稿与编辑。Shan He：撰写、审稿与编辑、监督、概念构思。Matt Jellicoe：撰写、审稿与编辑。Min Pan：撰写、审稿与编辑。Qiuxiang Xu：撰写、审稿与编辑、资金获取、数据分析、概念构思。Wong Jonathan W. C.：撰写、审稿与编辑、资金获取。Jiayi Lin：撰写初稿、实验研究、数据分析、数据整理。
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的研究结果。
致谢
本研究得到了广东省引进创新与创业团队计划（2023ZT10L0600）、广东省科学技术协会青年科技人才支持计划（SKXRC2025425）、广东省普通高校重点领域专项（2025ZDZX4067）以及Princess Nourah bint Abdulrahman大学研究支持计划（PNURSP2025R737）的支持和资助。
