猪粪共消化提升橄榄渣厌氧消化产甲烷效率及微生物群落稳定性研究

《Biotechnology for Biofuels and Bioproducts》：Enhancing methane yield and microbial resilience in olive pomace anaerobic digestion via co-digestion with pig manure

本研究针对地中海地区大量产生的橄榄渣(olive pomace)和猪粪(pig manure)两种难处理农业废弃物，通过共消化(co-digestion)策略成功解决了橄榄渣单独消化时因酸性pH、酚类化合物抑制导致的产甲烷效率低下问题。实验表明35%猪粪比例的共消化使甲烷产量提升5倍至283 mL CH4 g-1 VS，并显著增强微生物群落多样性。该技术为农业废弃物能源化提供了可行方案，符合循环生物经济原则。

　　

在地中海地区的农业产业链中，橄榄油生产和生猪养殖每年产生数百万吨的副产品——橄榄渣和猪粪。这些看似废弃的有机物实则蕴含着巨大的能源潜力，但它们的处理却一直是个棘手的难题。橄榄渣虽然有机质含量高，但其酸性强、酚类物质丰富的特性，使得传统的厌氧消化技术难以有效转化其中的能量；而猪粪若直接还田，又存在硝酸盐污染水体的风险。如何将这两种“问题废弃物”转化为“绿色能源”，成为推动农业循环经济发展的关键挑战。

发表于《Biotechnology for Biofuels and Bioproducts》的最新研究给出了一份令人振奋的答案。由Sandra Correa领衔的研究团队发现，将橄榄渣与猪粪按特定比例混合进行共消化，不仅能突破单一原料消化的技术瓶颈，还能产生显著的协同效应。这种“变废为宝”的策略，使甲烷产量从橄榄渣单独消化时的53 mL CH₄ g^-1 VS跃升至283 mL CH₄ g^-1 VS，增幅超过五倍。更重要的是，这种处理方式还能显著提升微生物群落的稳定性和代谢多样性，为长期稳定运行提供了保障。

研究团队采用了一套严谨的实验方案来验证这一发现。他们首先通过生化甲烷潜力(BMP)测试筛选出最佳共消化比例，随后在21天水力停留时间(HRT)和1 g VS L_R^-1 d^-1有机负荷率(OLR)条件下，进行了长达126天的半连续反应器实验。实验分为两个阶段：前63天研究橄榄渣单独消化，后63天评估35%猪粪比例的共消化效果。过程中监测了甲烷产量、挥发性脂肪酸(VFA)、酚类化合物等关键参数，并利用宏基因组学分析了微生物群落动态。最后基于实验数据，对建设全规模厌氧消化-热电联产(CHP)工厂进行了能源平衡评估。

生化甲烷潜力测试揭示最佳配比

通过系统测试不同比例混合物的产甲烷潜力，研究人员发现纯橄榄渣的甲烷产量最高(284.4 mL CH₄ g^-1 VS)，但存在明显滞后现象。当猪粪比例达到35%时，出现了最显著的协同效应，实验值比理论计算值高出5.4%。动力学分析显示，这一比例的混合物能在11天内完成80%的甲烷生产，而纯橄榄渣则需要32天。

半连续反应器验证共消化优势

单独消化橄榄渣时，反应器内pH值持续偏低(4.58)，挥发性脂肪酸积累达6 g COD L^-1，甲烷产量仅52.6 mL CH₄ g^-1 VS。引入35%猪粪后，系统缓冲能力显著增强，pH值稳定在6.5-7.5的最佳范围，VFA浓度降至2200 mg COD L^-1，甲烷产量提升至283 mL CH₄ g^-1 VS。特别值得注意的是，丙酸与乙酸比例一度高达6.3，但并未导致系统崩溃，这颠覆了传统认知。

微生物群落发生适应性演变

宏基因组分析揭示了有趣的微生物演化规律。单独消化阶段，Sphaerochaeta成为优势菌属(占比超30%)，其擅长在酸性环境下发酵碳水化合物。转入共消化后，来自猪肠道的Prevotella菌群迅速占据主导(73.8%)，显著提升了木质纤维素降解效率。同时，甲烷八叠球菌(Methanosarcina)的重新活跃，标志着产甲烷途径从氢营养型向乙酸裂解型转变，反映了系统稳定性的增强。

全规模工厂具备能源自给潜力

基于实验数据，研究团队设计了一个年处理4000吨橄榄渣和2200吨猪粪的消化-CHP联合系统。计算表明，该系统不仅能够满足自身能耗需求，每年还可向电网输送1074 MWh剩余电力，并提供577 MWh余热供周边产业使用。这种分布式能源模式特别适合农村地区的能源自给。

这项研究从实验室验证到工程化应用的系统评估，证实了橄榄渣与猪粪共消化的技术可行性和经济合理性。通过巧妙的原料配伍，不仅解决了两种农业废弃物的污染问题，还创造了可观的能源收益。该技术路线为地中海地区乃至全球类似地区的农业废弃物管理提供了示范，是实现碳中和目标与循环生物经济的有益探索。未来研究可进一步聚焦高值生物制品回收，推动单一沼气站向综合生物精炼厂转型。