《Fermentation》：Enhancing Biogas Production and Methane Yields Through Microbial Electrolysis Cell-Assisted Anaerobic Digestion in a Fed Batch Reactor
Rudolphus Antonius Timmers,
Enrique Pérez Zapatero,
Fernán Berride García,
Miriam Barrazón Pe?a,
Miguel ángel Sánchez-Gatón and
Dolores Hidalgo
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本研究探索了将微生物电解池(MEC)与厌氧消化(AD)技术整合，以克服传统AD系统中挥发性脂肪酸(VFA)累积、产甲烷效率不高等局限。通过在序批式反应器中评估不同电极材料（石墨板 vs. 石墨毡）和外加电压（0.5 V和0.7 V）的影响，发现MEC-AD系统性能显著优于传统AD，其中石墨毡电极在0.5 V条件下使沼气产量最高提升162%（239 ± 3 mL/gVS·d），且内阻（19 Ω/m2）远低于石墨板，pH也更稳定。该系统通过电产甲烷和直接种间电子转移(DIET)等机制提升效率，为推进循环生物经济和碳中和目标提供了有前景的策略。
2. 材料与方法
2.1. MEC-AD反应器的构建与设置
实验旨在研究将AD与MEC结合以提升废物处理过程中的沼气产量和能量效率。厌氧消化反应器采用聚氯乙烯(PVC)容器制成，具有化学耐受性和在厌氧条件下的耐久性。反应器内径10.3 cm，高12.9 cm，总容积1074 cm3。使用两种电极：尺寸相同的石墨板（10.0 cm × 8.0 cm × 0.2 cm）和石墨毡。电极通过钛线连接到外接端子上。带有钛集电器的石墨板电极电阻为0.7 ± 0.3 Ω，石墨毡电极电阻为0.4 ± 0.2 Ω。阴极和阳极通过电阻为10 Ω的铜线连接。
2.2. 操作参数与实验设计
半连续实验持续约100天，在34 ± 1°C恒温室内进行。实验分为两个阶段：第30-64天为第一阶段，第65-100天为第二阶段。关键目标是使生物质适应MEC-AD条件，并评估在开路电压(OCV)和不同外加电压（0.5 V, 0.7 V）下电极的存在对气体产量、组成和系统稳定性（pH、挥发性固体(VS)）的影响。
2.3. 石墨板电极实验
反应器以半连续模式运行，反应器内液体体积为900 mL。在适应阶段和第一阶段，有机负荷率(OLR)设定为1 g葡萄糖/L/天，水力停留时间(HRT)约为20天。在第二阶段，OLR增加到2 g葡萄糖/L/天，HRT减少到10天，以评估反应器在压力条件下的稳健性。
2.4. 石墨毡电极实验
实验中反应器内液体体积减少到800 mL以容纳更大的电极体积。在适应阶段和第一阶段，OLR同样设定为1 g葡萄糖/L/天，HRT为20天。与石墨板实验不同，在第二阶段，OLR维持在1 g葡萄糖/L/天，以评估长期运行稳定性而非压力响应。
2.5. 电源与电势测量
使用直流(DC)电源控制施加到MEC的电压。阳极和阴极电势使用银/氯化银(Ag/AgCl)参比电极测量。
2.6. 接种物
使用西班牙巴利亚多利德市污水处理厂的厌氧污泥作为MEC-AD系统的接种物。
2.7. 沼气产量与成分
沼气（主要为CH4、CO2、H2）产量是MEC-AD系统的关键性能指标。气体成分使用配备热导检测器的气相色谱仪进行分析。
2.8. 气体产量测量
总沼气产量通过测量气体收集过程中置换水的质量来确定，这是一种基于阿基米德原理的方法。
2.9. pH与电极电势
使用pH传感器每日监测反应器的pH。使用万用表每日监测系统的电学特性，包括电池、阴极和阳极电势，以及外部电阻上的电势。
2.10. 营养补充
每日添加营养液和磷酸盐缓冲液(P-buffer)以支持微生物生长并维持稳定的反应器条件。
2.11. 内阻计算
过电势(VO)的计算公式为：VO= Vcell+ Vres- (Van- Vcath)，其中Vcell是测量的电池电势(mV)，Vres是外部电阻上测量的电势(mV)，Van是阳极电势(mV)，Vcath是阴极电势(mV)。系统中的电流(I)根据外部电阻上的电压降通过欧姆定律计算：I = Vres/ R，其中R是外部电阻（10 Ω）。装置的内阻(Rint)通过过电势除以电流计算：Rint= VO/ I。为了分析不同的电极，内阻除以电极的表面积。对于石墨板，表面积为0.008 m2；对于石墨毡，基于其质量（1.0 g）和假定比表面积（0.5 m2/g），表面积为0.5 m2。
3. 结果
3.1. MEC-AD系统中增强的沼气产量
累计产气量结果如图2所示。
在石墨板电极实验中，第一阶段（第30-64天），与没有电极的AD对照组（177 ± 16 mL/g/d）相比，施加0.5 V电势的MEC-AD系统使沼气产量增加了44.6%（平均产气率256 ± 3 mL/g/d）。在第二阶段（第65-100天），当OLR增加、HRT减少时，所有系统的产气量均显著下降，但施加0.5 V电势的系统仍保持了最高的产气率（98 ± 10 mL/g/d）。在石墨毡电极实验中，第一阶段，施加0.5 V电势的MEC-AD系统比AD对照组产气量增加了162.1%（239 ± 3 mL/g/d）。第二阶段，在维持OLR和HRT不变的条件下，0.5 V条件下的产气率（208 ± 4 mL/g/d）比OCV条件下高出29.2%。总体而言，施加0.5 V和0.7 V电势与文献报道的30-200%的增产范围一致，并且始终高于OCV条件，表明电活性条件显著提高了产气效率。
3.2. MEC-AD系统中增强的甲烷含量
沼气中甲烷（CH4）含量的结果如图3所示。
在石墨板电极实验中，第一阶段所有条件下甲烷含量都较高（82-84%），无显著差异。第二阶段，所有条件下甲烷含量均下降，但施加电势的系统（0.5 V: 76 ± 11%；0.7 V: 69 ± 12%）比OCV系统（66 ± 17%）高出最多15%。在石墨毡电极实验中，甲烷含量普遍低于石墨板实验。第一阶段，施加0.5 V和0.7 V电势的系统甲烷含量约为70%，而AD对照组虽然平均含量更高但变异性大。第二阶段，施加0.5 V和0.7 V电势的系统甲烷含量略有增加（约75%），且变异性低，而OCV系统的甲烷含量则下降至61 ± 12%。结果表明，施加0.5 V和0.7 V电势有助于在变化的操作条件下保持相对稳定的沼气甲烷含量，突出了施加电势在MEC-AD系统中改善沼气质量的潜在稳定作用。
3.3. MEC-AD系统中增强的pH稳定性
不同实验条件下的pH变化如图4所示。
在石墨板电极实验中，第一阶段所有系统pH保持稳定（约6.7）。第二阶段，所有系统平均pH均下降，其中AD对照组下降最严重（至5.2 ± 0.3），表明严重酸化。施加0.5 V电势的系统pH下降略缓（6.2 ± 0.3）。在石墨毡电极实验中，第一阶段pH也保持稳定（施加电势系统约7.0）。第二阶段，施加电势的系统pH下降轻微（0.5 V: 6.8 ± 0.1；0.7 V: 6.9 ± 0.1），而OCV系统pH显著下降（至6.1 ± 0.4），AD对照组则严重酸化（至4.8 ± 1.1）。结果表明，施加电势（0.5 V和0.7 V）在两种电极系统中都稳定了pH水平，减轻了酸化，这对于高负荷操作条件下的系统性能和稳定性至关重要。
3.4. MEC-AD系统中增强的总固体(TS)与挥发性固体(VS)稳定性
石墨板实验中TS和VS的变化如图5所示。
在石墨板实验中，第一阶段，AD对照组的TS和VS浓度最高。第二阶段，AD对照组表现出最低的VS浓度，表明固体降解显著。相比之下，施加电势的系统在两个阶段都保持了相对稳定的TS和VS浓度。石墨毡实验中TS和VS的变化如图6所示。
在石墨毡实验中，第一阶段，AD对照组同样显示出最高的TS和VS浓度。第二阶段，在非电活性条件（OCV和AD对照组）下观察到VS浓度显著下降，而在电活性条件下下降幅度较小。这些发现表明，在整个实验过程中，施加电势的系统（0.5 V和0.7 V）的TS和VS浓度比AD对照组更稳定，突显了它们在MEC-AD系统中增强系统性能和稳定性的潜力。
3.5. MEC-AD系统中的阴极和阳极电势
MEC-AD反应器在无外加电势时的阴极和阳极电势在-500至-400 mV (vs. Ag/AgCl)之间。阴极电势如图7所示。
在石墨板电极实验中，第一阶段的阴极电势显著更负（0.7 V: -902 ± 51 mV；0.5 V: -780 ± 106 mV）。第二阶段，阴极电势负值减小（绝对值变小）。在石墨毡电极实验中，阴极电势负值较小（第一阶段0.7 V: -645 ± 62 mV；0.5 V: -503 ± 161 mV），但第二阶段持续变得更负。阳极电势如图8所示。
石墨板电极的阳极电势更负（第一阶段0.7 V: -264 ± 67 mV；0.5 V: -339 ± 49 mV），而石墨毡电极的阳极电势更高（更正值）（第一阶段0.7 V: -3 ± 74 mV；0.5 V: -84 ± 49 mV）。第二阶段，所有系统的阳极电势普遍升高（负值减小）。这些结果强调了电极材料和施加电势对MEC-AD系统中电极性能的关键影响。
4. 讨论与结论
该研究系统评估了电极结构（石墨板 vs. 石墨毡）和施加电压对MEC-AD系统性能的影响。结果表明，MEC-AD系统在沼气产量、甲烷含量、pH稳定性以及固体浓度稳定性方面均显著优于传统AD系统。石墨毡电极因其更大的比表面积，在促进微生物附着、降低内阻（19 Ω/m2vs. 石墨板的1120 Ω/m2）和维持更优的pH（6.8-7.0）方面表现更佳，从而实现了更高的沼气产量（最高提升162%）。施加0.5 V的外加电压通常表现出最佳的产气性能。该系统性能的提升机制涉及电产甲烷、阴极产氢以及直接种间电子转移(DIET)的促进，这些过程加速了中间产物（如丙酸、丁酸）的转化，缓解了挥发性脂肪酸(VFA)积累，从而稳定了pH并防止了系统崩溃。研究揭示了电极材料和结构通过影响内阻和电化学行为，进而决定系统效率和稳定性的内在关联，为优化电极选择、改进MEC-AD系统的可扩展性和能源效率提供了重要的机理见解。尽管存在电极耐久性和反应器设计等挑战，但这项研究强调了MEC-AD技术在提升有机废物处理效率、推动循环生物经济和实现碳中和目标方面的巨大潜力。未来的工作需要进一步优化电极材料和反应器设计，以提高系统的可扩展性和长期运行效率。
