综述：食品废弃物与废水污泥共消化过程中的微生物协同作用：实现能源回收和减排的途径

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Microbial synergies in co-digestion of food waste and wastewater sludge: pathways to energy recovery and emission reduction

厌氧共消化（AcoD）技术通过协同处理食品废物和水处理污泥，有效减少温室气体排放（甲烷减排97%），提升能源回收率（净能源增益93–196%），并具备显著经济可行性，需政策支持及生命周期评估优化。

　　随着全球城市化进程的加速，预计到2050年，全球城市人口将增加至98亿，这比2010年的增长幅度高达33%。与此同时，全球食品生产量从1970年的3300万吨增加到了2010年的1亿吨，使得食品废弃物和市政污泥的产生成为全球性的问题。食品废弃物不仅对生态系统造成损害，还带来了每年约2600亿吉焦（Gj）的能量浪费，全球成本约为1000亿美元。这些挑战促使了对基于有机废弃物的创新技术需求，例如共消化（co-digestion）技术，用于生成生物能源以满足能源安全、资源利用和污染防控的需求。

共消化技术，尤其是厌氧共消化（Anaerobic Co-Digestion, AcoD），被视为一种具有潜力的可持续处理方式，能够同时减少温室气体（Greenhouse Gas, GHG）排放，特别是甲烷（CH?），并产生可再生能源——沼气。沼气可以进一步转化为电能和热能，从而为AcoD系统带来经济效益，支持经济增长。在实施AcoD的地区，尤其是那些具备支持性废弃物管理和能源回收激励政策的国家，共消化已成为一种可行的路径，不仅在环境方面带来益处，也在经济上具有吸引力。

AcoD系统通过将食品废弃物（FW）与污水处理厂产生的污泥（WS）进行共消化，能够有效应对高有机负荷率（Organic Loading Rate, OLR）带来的挑战。这种系统通过解耦挥发性固体（VS）与总固体（TS）的比例，以及碳氮比（C/N ratio），促进微生物的合成生长，从而提高沼气的生产效率。在过去的十年中，AcoD已经被广泛应用于实验室规模，以探索有机物去除和沼气产量。目前，许多试点项目已经实施，以研究食品废弃物与污泥的挥发性固体比例对微生物群落和代谢活动的影响。例如，在中国设计的试点两阶段AcoD系统，通过调整混合比例，验证了AcoD在沼气产量方面的可行性。

AcoD系统的经济可行性不仅体现在其增加沼气和电力产量的能力上，还在于其对系统可持续性的影响。协同废物转化为能源的方法显著提高了有机物去除率，并增强了收入来源。然而，评估AcoD策略的经济和技术可行性时，除了关注沼气和电力产量的增加外，还需要考虑其对系统可持续性的贡献。尽管已有许多综述研究集中在量化温室气体排放和评估AcoD系统的能源回收方面，但大多数研究仍集中在高温（嗜热菌）和中温（嗜中温菌）条件下，对于不同操作参数下共消化的协同效应研究仍然有限。

在中温条件下，优化有机负荷率并结合微生物群落的丰富性已被证明可以提高总体甲烷产量的百分比，从而增加能源生产并减少碳排放。然而，评估食品废弃物和污泥在不同有机负荷率、营养可用性和甲烷生成微生物竞争条件下的协同降解对AcoD的整体性能和稳定性具有重要意义。研究发现，当食品废弃物与污泥按特定比例共消化时，系统能够显著提高甲烷产量，例如，某些研究显示甲烷产量可以增加20%至60%。这种提升主要归因于污泥对系统的稳定作用，以及其对微生物平衡的维持能力。

AcoD系统中，微生物群落的结构和多样性对于系统的稳定性和效率至关重要。每种微生物群体在厌氧消化的不同阶段都扮演着特定的角色，如水解、酸化、乙酸化和甲烷化。水解阶段主要由水解细菌主导，它们将复杂的有机多聚体分解为简单的分子。酸化阶段则涉及将水解产物转化为挥发性脂肪酸（VFAs）、醇类、氢气和二氧化碳。这一阶段的微生物包括Bacteroidetes、Chloroflexi、Firmicutes、Proteobacteria、Actinobacteria等门类，以及Clostridium、Lactobacillus和Pseudomonas等属。乙酸化阶段中，乙酸生成细菌与甲烷生成古菌之间形成共代谢关系，将VFAs和醇类转化为乙酸、氢气和二氧化碳。最终的甲烷化阶段则是将乙酸、氢气和二氧化碳转化为甲烷和水，这是整个厌氧消化过程中的关键步骤。

在AcoD系统中，甲烷生成古菌是核心组成部分，它们主要分为三类：乙酸裂解型、氢营养型和甲基营养型。乙酸裂解型古菌如Methanosaeta和Methanosarcina主要通过乙酸生成甲烷。氢营养型古菌如Methanobacterium和Methanobrevibacter则利用氢气和二氧化碳生成甲烷。甲烷生成的效率不仅取决于微生物的种类，还受到饲料混合比例、有机负荷率和碳氮比的影响。研究表明，最佳的饲料混合比例通常在30%至50%（按重量计算），这有助于维持微生物群落的稳定性和提高甲烷产量。

AcoD系统的能量平衡和温室气体排放评估是其环境和经济影响的重要指标。通过详细分析AcoD系统的能量输入和输出，可以更好地理解其整体性能。能量输入主要包括预处理、混合、加热和污泥泵送等步骤，而能量输出则主要来自于沼气的利用，如发电和供热。研究表明，AcoD系统在优化条件下可以实现显著的能量盈余，例如，在某些情况下，系统的能量输出可以超过其能量输入的100%。这种能量盈余不仅有助于系统的可持续运行，还能通过将多余电能输送至电网来创造经济价值。

在实际应用中，AcoD系统可以通过多种方式产生收入，包括沼气发电、营养丰富的消化残渣作为肥料出售、以及通过碳信用交易实现温室气体减排。例如，某些研究指出，通过AcoD系统回收的生物沼气可以转化为电力，其发电效率通常在30%至40%之间，而结合供热的系统（Combined Heat and Power, CHP）则可以达到50%至60%的效率。此外，消化残渣富含氮、磷和钾等营养成分，可以作为有机肥料出售，进一步增加系统的经济收益。

AcoD系统在不同国家的实施情况也显示出其在能源生产和环境管理方面的潜力。欧洲和美国在AcoD技术的应用上处于领先地位，欧盟的生物沼气发电能力达到了30吉瓦（GW），而美国则为16.7吉瓦。这些国家的AcoD系统不仅在能源生产方面表现优异，还在减少温室气体排放方面发挥着重要作用。例如，欧盟计划到2030年将生物沼气产量提高至340亿立方米，以支持其减少温室气体排放40%的目标。美国的一些污水处理厂（WWTPs）通过AcoD技术实现了显著的能源自给，如Wooster污水处理厂通过共消化食品废弃物、油脂、污泥等，实现了130%的能量自给率，并将多余的电力输送至电网。

AcoD系统不仅在能源生产方面具有优势，还在促进循环经济和实现碳中和目标方面发挥着关键作用。通过将有机废弃物转化为可再生能源，AcoD减少了对化石燃料的依赖，降低了碳足迹，并延长了垃圾填埋场的使用寿命。此外，AcoD系统还能够回收有价值的资源，如氮、磷和氨，这些资源可以用于农业和工业领域，进一步提升系统的经济和环境效益。

尽管AcoD技术在许多方面展现出显著的优势，但在实际应用中仍面临一些挑战。例如，食品废弃物和污泥的组成差异可能导致微生物活性的波动，进而影响沼气产量的稳定性。此外，高脂肪或高蛋白质含量的食品废弃物可能产生长链脂肪酸（LCFAs）或氨，这些物质可能抑制微生物活性，影响系统的运行效率。因此，优化饲料混合比例、维持适当的碳氮比和有机负荷率，以及引入生物强化技术，是提升AcoD系统性能的关键策略。

为了进一步推动AcoD技术的发展，需要在政策层面提供支持。例如，通过提供经济激励和监管机制，可以促进AcoD技术的广泛应用。同时，进行生命周期评估（Life Cycle Assessment, LCA）对于量化AcoD系统的净环境影响和决策支持至关重要。通过这些措施，AcoD技术可以更有效地整合到国家的气候和废弃物管理战略中，从而推动循环经济的发展，实现全球变暖潜力（Global Warming Potential, GWP）的显著降低。

综上所述，AcoD技术在处理食品废弃物和污泥方面展现出巨大的潜力，不仅能够生成可再生能源，还能减少温室气体排放，支持经济和环境的双重目标。通过优化操作参数、加强微生物管理以及完善政策框架，AcoD技术有望成为未来可持续发展的关键组成部分。