有机垃圾厌氧消化性能强化技术研究现状及进展｜杨杰

厌氧消化是双碳战略背景下最具前景的有机垃圾处理技术。然而，全规模厌氧消化反应器在运行过程中面临产气效率低和过程稳定性差两大瓶颈问题。实施有效的性能强化策略对于维持厌氧消化系统的高效、稳定运行至关重要。本文通过对厌氧消化四阶段代谢过程的深入剖析，理清了传统消化过程存在的代谢瓶颈，并梳理出了共消化、底物预处理、添加剂投加、生物强化以及工艺优化等靶向性的解抑增效策略。以期为完善厌氧消化性能强化技术，实现有机垃圾的可持续处理和资源回收提供更多可能性。

一、厌氧消化过程

厌氧消化（anaerobic digestion，AD）是一个串联有序的生化代谢过程，系统中的有机物相继经过水解、酸化、产氢产乙酸和产甲烷四个阶段进行降解，最终转化为甲烷（如图1所示）。

在AD过程中，厌氧微生物是维持系统稳定的核心。四个阶段有各自的功能微生物。其中，水解酸化菌多样性最大，在反应器中丰度也通常是最高的，在以易降解有机物为底物的AD系统内，此两阶段通常可以快速进行。负荷过高时，该阶段的快速代谢产生大量挥发性脂肪酸（volatile fattyacids，VFAs）无法被后续阶段及时利用，则可能造成酸抑制。相比之下，若底物中木质纤维素类难降解有机物多或有机质被胞外聚合物(extracellular polymeric substances，EPS)等包裹，导致微生物可及性差时，该阶段则会成为限速步骤。在此情形下，对底物开展预处理，强化其生物可及性，对产气效率及速率的提升至关重要。另一方面，将易降解及难降解有机物互混共发酵也对提升系统稳定性具有积极作用。

产氢产乙酸菌多样性最小且该阶段的生化反应在标况下(298.15K，1atm)热力学不可行，降低H2分压可以促进该阶段反应的正向进行，但依赖与耗氢微生物的互营共生。一旦H2波动，该阶段的代谢即可能受阻。直接种间电子传递(direct interspecies electron transfer，DIET)途径不依赖H2为电子受体，可以投加导电材料来强化，助力将电子直接转移到产甲烷菌中，使甲烷生产在热力学和代谢方面更具优势，迅速成为研究热点。

甲烷菌是古菌，它们通常依赖四氢甲蝶呤、甲烷氟醚、辅酶F420、HS-辅酶B、辅酶M等辅酶，将前一阶段产生的简单底物转化为甲烷。辅酶的活性中心有Fe、Co、Mo、Ni、Se等金属离子，因此该类微生物的降解代谢离不开这些离子。另一方面，甲烷菌由于细胞壁缺乏肽聚糖，这使得它们往往对酸、氨等抑制物的敏感程度更高，诸如高耐受性甲烷菌生物强化、补充微量金属元素等解抑增效手段都被广泛研究以提高该阶段的鲁棒性。

综上，共消化、底物预处理有助于改善底物的生物降解特性，均衡营养；导电材料等添加剂的投放有望诱导新的电子传递通路，避免传统AD中产氢产乙酸阶段的热力学不可行问题；痕量元素投加及生物强化多旨在强化产甲烷阶段。对此，后文将针对这些方向的研究进展进行一一总结和分析讨论。

二、厌氧消化过程强化

1.共消化

共消化是改善甲烷生产和保持AD整体性能稳定的有效措施。使用单一底物的AD系统，常常因营养物质失衡、重金属的存在、必要的微量元素缺乏等，造成反应器过程稳定性差和甲烷产量低的后果。而共消化通过向反应器中同时投加两种或多种底物达到均衡营养、稀释抑制物等效果，从而克服单消化系统的限制。

通过文献调研分析可知，与单消化相比，共消化可将系统的甲烷产率提升7.3~196%。提升效果的差异可能与共消化底物的适配性及互混比的选择有关。适配性方面，通常难降解底物与易降解底物(如农业废物与餐厨垃圾)、高缓冲容量与低缓冲容量底物(如禽畜粪便与果蔬垃圾)、高C/N与低C/N底物(如秸秆类废物与禽畜粪便)等共消化具有更好的效果，即需遵循互补原则。互混比也是类似的，在最佳混合比下才能达到互补的目的，否则仍可能出现不匹配的情况。确定拟选择的共消化底物后，可通过生化产甲烷潜能实验得出各底物的产气特性和最佳混合比。

共消化往往涉及多类底物的运输和预处理，相应的成本增加是工程应用中的一大挑战。甚至对于秸秆等季节性底物，还需要考虑存储成本。借用信息化技术灵活调整季节性底物的共消化也许是一个研究方向。比如一定的区域内可能存在多类种植废物，其产生季节是不同的，收集区域内所有底物的产量、产生季节、可消化性等数据后，也许可以灵活调整AD场的底物类别，实现种植废物全量处理且尽量在产生季节处理，减少储存。

当然这需要依赖信息化技术的支撑，且区域协同管理也是必不可少的。除性能提升和成本考量外，共消化体系选择时还要注意避免潜在的安全风险。如有研究发现渗沥液和餐厨垃圾共消化可以显著提高餐厨垃圾AD的效率和过程稳定性，但渗沥液作为一种高浓度废水，富含多种污染物，将其引入生物质废物中是否会给沼渣、沼液的资源化带来危害存在争议。又如藻类生物质与城市固体废物共消化被指出可能引发H2S毒性。

2.预处理

预处理策略主要针对底物中复杂的有机物，例如纤维素、半纤维素、木质素、EPS、脂质等。水解阶段通常被认为是难降解有机物AD过程的限速步骤，底物预处理有助于将复杂的有机物转变为易溶解的简单组分。预处理可以加速有机物水解和提高生物降解，对优化AD性能具有积极作用。

预处理的技术有很多，一般分为物理、化学、生物以及联合预处理（如图2所示）。

物理方法旨在减小粒径和结晶度，改变物料微观结构，增加基质与微生物之间的接触面积，增强水解酸化过程；化学方法通过额外添加酸、碱、氧化剂、有机溶剂等化学药剂破坏微生物细胞和有机物结构以增加溶解，改善可生化性；生物方法主要依赖于真菌、细菌或各种活性酶预处理增加有机物去除并促进其消化，缩短后续发酵时间；具有多种预处理组合效益的联合预处理可以增加有机物溶解、减少能耗、改善甲烷产量，与单独的预处理方法相比，其具有更优的AD性能强化潜能。在评价预处理技术时，应该多考虑涉及的高能耗、高成本等限制因素。

例如，超声、热预处理会增加能源消耗，化学预处理会增加持续的药剂成本。为了降低预处理成本，整个过程中输入的能量必须小于输出的能量，以实现能源和经济平衡。另外，未来的研究中，应侧重于从环境、经济等多角度对预处理技术进行对比研究，寻找一种广泛适用的高效、低成本的预处理技术，这将推进预处理技术向商业化应用迈进。

3. 添加剂

投加添加剂可提高AD系统稳定性和甲烷产率，相比对照组，实验组的甲烷产率/产量提升幅度普遍在5~70%。不同添加剂在AD体系中分别发挥着不同的作用。例如，适当补充微量元素可以增强有机物降解和功能微生物的酶活性；添加矿物材料有利于减轻毒性抑制；外加导电材料可以有效地刺激产甲烷菌和发酵菌之间的直接种间电子转移，以促进各种有机物向甲烷的互营转化。在众多添加剂中，导电材料被视为一种非常受欢迎的AD添加剂。常用的导电材料主要包括碳基材料、铁基材料和纳米材料。
碳基材料独特的理化特性 (细孔结构、大孔隙率和比表面积、高吸收性和高导电性)，有利于为微生物提供适居环境，促进厌氧微生物之间的电子转移和甲烷生产。铁基材料利于改变代谢途径，促进酶活性，增强电子转移和富集产氢菌。纳米材料具有较小的尺寸，在环境介质中具备优于碳基和铁基材料的流动性和分散性，使其在改善AD性能方面表现出更佳的增强效益。同时，纳米材料还能增强AD过程中卤代、酚类、芳香族等顽固性化合物的微生物降解。
然而，尽管有诸多益处，添加剂强化AD的策略却仍处于实验室阶段。限制其走向工业化应用的因素主要集中在成本、环境风险等方面。成本方面，各类添加剂均有购买/制备/运输等成本。添加剂由于易被洗脱，常常需要采取长期投加策略，以维持良好的微生物群落结构和系统高效稳定运行。
然而，长期投加会增加AD厂的运营成本，而所提升的产气量能否抵消该成本是存疑的。对此，采取有效措施降低成本是有必要的。一方面，可以寻找昂贵添加剂的替代材料，例如利用废铁屑代替零价铁。可在确保工艺要求的前提下，降低原材料购买成本。另一方面，也有研究者尝试“变废为宝”策略，例如将沼渣热解制备成生物炭，再投入反应器中内循环，实现解抑增效和副产物消纳两手抓。环境风险方面，投加纳米材料等添加剂被指存在环境健康风险，处理后生成的沼渣和消化液中累积残留毒性，资源化利用可能会对土壤、水体和邻近生态系统造成负面影响。考虑到环境风险评估和成本分析对该技术的工业化应用至关重要，未来应开发绿色、高效的添加剂，在不对环境造成负面影响的前提下，通过小剂量或者少频次投加，实现系统效能的长效提升。
4.生物强化
  生物强化通常使用厌氧环境分离出的优势菌株或添加具有特定功能的微生物，以改善AD系统的性能。生物强化技术主要作用于难降解有机物的厌氧消化水解和易降解有机物厌氧消化产甲烷阶段。生物强化可以有效地缓解或抵消AD过程中抑制因素的影响、加快水解速率、增强微生物活性，从而提高甲烷生产效率。与其他的强化技术相比，生物强化不需要高能量的输入和化学药剂添加，也不会产生二次污染，且直接作用于微生物，高效提高甲烷产率。大量的研究结果已证明生物强化是增强系统性能的一种有效方法。
然而，生物强化技术实施的难点在于添加的外源微生物可能会与系统本身的土著微生物产生拮抗作用，导致被洗脱。微生物的定殖是决定生物强化长效性的关键。改变操作条件，从土著微生物群落中选育目标菌株，使其成为优势菌株可能是克服洗脱的有效方法之一。另外，若使用外加菌剂，可以考虑采用生物包埋、生物膜附着等固定化技术将外源菌剂保护起来，以提高其稳定性。这些微生物固定化技术实现了更佳的生物强化，然而，生物包埋颗粒和生物膜的重复循环利用性需要进一步研究。
小结
     AD技术可以实现有机垃圾减量化、资源化和无害化利用，但存在产气效率低、过程稳定性差的技术瓶颈。采取共消化、预处理、添加剂和生物强化等策略可以有效强化AD过程，保证体系稳定、高效运行，对进一步提高系统性能具有重要意义。为了性能强化策略实现推广与应用，今后的研究需要注意以下几个方面。

（一）不断优化AD性能强化策略（共基质适配度与互混比、预处理技术选择、添加剂类别、强化微生物定殖、传统工艺优化等），促进实验室应用走向工业化应用。

（二）在性能强化技术改善AD工艺中增加全生命周期评估，有利于其开发与应用。

（三）重点关注性能强化技术的安全问题和生态毒性，避免造成二次污染。

（四）增加经济成本的考虑，确保强化工艺可行性和可持续性