通过与废水协同处理实现可持续的食品废弃物资源化利用途径：一项台架规模研究

《Resources, Conservation and Recycling》：Sustainable food waste valorization pathways through co-treatment with wastewater: A bench-scale study

本研究评估了食品废水水解酸化液（FWHAL）作为脱氮碳源的长期性能，并与葡萄糖、醋酸钠在10-20℃下的序批式反应器（SBR）进行比较。结果表明，FWHAL在脱氮效率（平均NO??-N去除率99.23%）、污泥沉降性（SV30降低至22.38%）及微生物群落结构（富集Dokdonella等脱氮菌）方面表现优异，且成本（0.47 USD/kg）低于商业碳源，证实其作为可持续碳源的可行性。

　　

田振军|杜彩丽|贾艳艳|陈忠志|邢宝山|高胜旺|白阳伟|魏雅梅|黄学正|张丽玉

中国环境科学研究院环境标准与风险评估国家重点实验室，北京100012

摘要

随着食物浪费（FW）的产生速度加快以及污水处理中碳源的短缺，可持续的城市废物管理面临双重挑战。一种有前景的解决方案是将富含碳的食物废物转化为具有附加价值的资源。本研究系统评估了食物废物水解酸化液（FWHAL）作为可持续碳源在序批反应器（SBR）中的长期性能，将其与商业碳源（葡萄糖和醋酸钠）在10–20°C的不同温度下进行了比较。评估重点关注了反硝化效率、污泥特性、微生物群落动态和经济可行性。结果表明，FWHAL在反硝化效率方面表现相当，即使在10°C的情况下也能稳定去除氮（平均出水硝酸盐氮（NO??-N）浓度为12.21–12.35 mg/L，而进水氨氮（NH??-N）浓度为40 mg/L）。此外，FWHAL对污泥沉降性的影响很小，30分钟后的沉降体积（SV30）仅为22.38%，显著低于葡萄糖（27.89%）和醋酸钠（25.17%）（P < 0.05）。微生物分析显示，FWHAL富集了关键的反硝化菌，如Dokdonella，并促进了微生物间的协同作用。经济评估证实了FWHAL的可行性，其单位COD生产成本为0.47美元/千克，远低于葡萄糖（0.74美元/千克）和醋酸钠（0.96美元/千克）。这些发现表明，FWHAL是一种可持续且成本效益高的碳源，支持食物废物和废水的共同处理，为综合废物管理和推进循环经济目标提供了实用策略。

引言

近几十年来，城市化的加速和生活水平的提高导致全球食物废物（FW）的产生量显著增加，目前估计每年约为9.31亿吨（Wongsirichot等人，2024年）。这种大量的FW对环境和公共健康构成了严重挑战，凸显了迫切需要可持续的FW管理策略。因此，已经广泛实施了各种传统处理方法，如填埋、焚烧、堆肥和厌氧消化，以减轻其影响（Xiao等人，2024年）。然而，由于温室气体排放、土壤/地下水污染和资源损失，填埋和焚烧越来越受到限制（Zhang等人，2025年）。虽然堆肥和厌氧消化为有机物的回收和能源回收提供了更可持续的途径，但它们通常侧重于批量处理，未能充分释放FW复杂组成中的高价值潜力。值得注意的是，FW通常含有75–85%的水分，并富含可生物降解的有机成分，包括碳水化合物、蛋白质和脂类（Packiyadhas等人，2025年）。这些富含碳的有机物可以在厌氧发酵过程中有效水解和酸化，生成小分子糖和挥发性脂肪酸（VFAs）等关键中间产物（Zhou等人，2018年；Kobayashi和Kuramochi，2025年；Lee等人，2025年）。这些中间产物不仅仅是沼气的底物，还是生物过程中的优秀碳源，如在废水处理中的反硝化过程（Ma等人，2021年）。

水生生态系统中过量的氮负荷是富营养化和有害藻类爆发的主要原因（McDowell等人，2025年），因此通过反硝化增强氮的去除是保护水质的可持续废水处理的基石。在生物氮去除过程中，反硝化是永久消除氮的关键步骤，但其效率从根本上受到适宜碳源可用性的限制（Wang等人，2025年）。传统的市政废水往往碳氮比较低，需要添加外部碳源来促进反硝化（Qu等人，2022年）。然而，商业碳源如甲醇、乙醇、葡萄糖和醋酸钠不仅成本高昂，而且从化石基原料生产时还会产生显著的碳足迹（Long等人，2018年；Parchami等人，2020年；Fu等人，2022年）。鉴于这些经济和环境限制，大量研究致力于探索增强废水反硝化的替代技术。这些方法主要包括：（1）提高碳效率或绕过传统碳需求的过程创新和新生物途径；（2）开发新的、更可持续的外部碳源。在这方面，利用食物废物水解酸化液（FWHAL）代表了一种新颖且协同的方法，可以同时处理两种不同的废物流。这种策略不仅仅替代碳源；它创建了一个闭环系统，将具有挑战性的市政固体废物FW转化为废水处理的宝贵资源。通过将FW从填埋场转移出来（减少甲烷排放和渗滤液），并将其转化为有效的反硝化碳源，FW和废水的综合管理带来了多重环境效益。因此，这种方法不仅通过提供低成本的碳替代品降低了废水处理厂（WWTPs）的运营成本，还推动了更可持续和循环的废物管理范式，符合循环经济的原则（Joolaei等人，2025年；Oh等人，2025年）。

碳源的选择在决定活性污泥系统的运行效率方面起着关键作用，因为它通过改变微生物群的代谢途径深刻影响其结构和功能动态（Pan等人，2023年；Shi等人，2023年）。研究已经证实了FWHAL作为废水处理中补充碳源的潜力。Zhu等人（2021年）发现，在C/N比为7、温度为30°C的条件下，使用食物废物发酵液作为补充碳源可以在4小时内实现99.23%的NO??-N去除效率。他们的研究进一步表明，这种方法显著提高了污泥沉降性，并增强了实际污水中有机物和氮的去除，从而证实了其作为成本效益策略的可行性。Tian等人（2023年）证明，将食物废物发酵液分阶段加入三阶段厌氧/好氧系统中显著提高了总氮去除率（21.8–109.3%），主要是通过Proteobacteria的富集（特别是Azospira）和基因上调实现的，证实了其在低C/N废水处理中的可行性。然而，很少有研究直接将其效果与商业碳源进行比较，缺乏关于反硝化效率和成本效益的数据仍然是其广泛采用的主要障碍。此外，FWHAL对活性污泥性能和微生物群的长期影响尚未完全阐明。由于碳源不仅作为反硝化的电子供体，还作为微生物生长的营养物质（Wu等人，2023年），碳源的变化可能会通过影响代谢途径改变微生物群落结构和生态网络（Guo等人，2022年；Jiang等人，2022年），从而影响污染物代谢（Han等人，2020年）。全面了解活性污泥系统中的微生物群落组成及其相应的代谢功能将有助于FW和废水的共同处理，特别是阐明FWHAL作为外部碳源对系统性能的长期影响。鉴于关于FWHAL应用的反硝化效率、成本效益和微生物群落动态的比较数据有限，这些见解对于优化处理过程和促进其作为商业碳源的广泛采用至关重要。

本研究使用FWHAL、商业葡萄糖和醋酸钠作为补充碳源，在不同温度条件下，在台式序批反应器（SBR）中评估了它们的长期反硝化性能。进行了比较分析，以评估FWHAL与传统碳源的效率，以及它们对活性污泥性能和微生物群落动态的相应影响。本研究的结果将为FW和废水的共同处理提供理论支持，并基于废物衍生的碳源优化可持续的反硝化过程。

实验材料

为实验目的配制了模拟FW。根据Jiang等人（2013年）描述的方法和FW的共同特性，FW的组成如表S1所示。预先煮熟的米饭和面条按湿重比例加入，与自来水以1:1.5的质量比混合，并高速搅拌制成均匀的浆液，颗粒大小小于1毫米。使用废活性污泥作为水解的接种剂。

不同碳源的氮去除性能

为了模拟冬季WWTPs中常见的温度和碳源可用性的季节性变化，SBRs连续运行了四个阶段，图2显示了NH??-N、NO??-N、TN和COD的出水浓度。在充分曝气条件下，所有反应器中的NH??-N浓度均保持在1 mg/L以下（图2a）。值得注意的是，第3阶段的NH??-N浓度略有增加，可能是由于温度（10°C）的影响。

结论

针对日益严重的全球食物废物产生挑战和废水处理中对可持续碳源的迫切需求，本研究证明了使用FWHAL作为有效替代碳源的可行性和优势。结果表明，FWHAL的反硝化性能与传统碳源（葡萄糖和醋酸钠）相当，同时丰富了功能性微生物类群（如Dokdonella），并促进了更多的协同作用。

附录A. 补充数据

本文的补充数据可在线获取。

CRediT作者贡献声明

田振军：撰写——原始草稿、调查、数据管理、概念化。 杜彩丽：撰写——原始草稿、验证、方法学。 贾艳艳：撰写——原始草稿、软件。 陈忠志：撰写——审阅与编辑、方法学。 邢宝山：撰写——审阅与编辑、方法学。 高胜旺：数据管理。 白阳伟：撰写——审阅与编辑。 魏雅梅：撰写——审阅与编辑。 黄学正：方法学、调查。 张丽玉：撰写——审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

我们感谢中国生态环境部河口与海岸环境重点实验室的开放研究基金（资助编号：2024YSKY-04）对本工作的财务支持。