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本综述聚焦电 - 厌氧消化（EAD）技术，阐述其通过低电场与传统厌氧消化（AD）结合以提升沼气产量的原理机制，对比其他微生物电化学技术，分析微生物互作、工程设计参数，探讨生命周期评估及技术经济评价，展望研究方向。
电 - 厌氧消化（EAD）技术原理与应用研究
电 - 厌氧消化（EAD）是一种颇具潜力的生物废弃物处理技术，通过将低电场与传统厌氧消化（AD）相结合，可显著提升沼气产量。其核心在于通过增强微生物活性和直接电子传递（DIET），优化甲烷（CH?）生产效率。
技术原理与微生物机制
EAD 的原理涉及微生物电化学技术（METs）的整合，主要通过三种途径提升 CH?产量：
- 直接种间电子传递（DIET）：电活性细菌（如 Geobacter）直接向产甲烷古菌传递电子，加速 CH?生成。相较于传统厌氧消化依赖 H?、乙酸等中间产物的种间电子传递，DIET 避免了中间扩散限制，提升电子传递效率。
- 微生物电解池（MEC）辅助 AD：通过阳极氧化有机底物产生 H?，为氢营养型产甲烷菌提供电子供体，促进 CO?还原为 CH?。例如，在 MEC-AD 系统中，乙酸在阳极氧化生成 H?和电子，阴极处 H?与电子结合生成 H?，供产甲烷菌利用。
- 微生物电合成（MES）辅助 AD：利用电能驱动 CO?转化为乙酸等中间产物，为乙酸营养型产甲烷菌提供底物，提升 CH?产量。MES-AD 系统可同时实现沼气升级和废水处理，CH?纯度可达 98% 以上。
微生物群落结构对 EAD 性能至关重要。细菌群落中，Geobacter、Syntrophomonas 等电活性细菌通过 DIET 或 H?传递促进电子转移；产甲烷古菌如 Methanobacterium（氢营养型）、Methanosarcina（兼具氢营养型和乙酸营养型）和 Methanothrix（乙酸营养型）在不同代谢途径中发挥关键作用。例如，Methanothrix 通过与 Geobacter 的 DIET 互作，利用导电菌毛直接获取电子，提升 CO?还原效率。
工程设计关键参数
- 应用电压：研究表明，EAD 系统平均应用电压为 0.71 V（95% CI 0.48–0.94 V），电压在 0.5–1.0 V 范围内时，CH?产量显著提升。例如，0.5 V 电压可使 CH?产量较传统 AD 提高 37%，而过高电压（如 1.0 V）可能因促进 H?生成而抑制产甲烷。
- 温度：中温（35–38°C）是最常用条件，兼顾微生物活性与能量消耗。高温（50–55°C）可加速水解和产甲烷，但微生物对环境波动更敏感。近年研究发现，耐温范围（40–45°C）可平衡效率与稳定性，CH?产量较中温提升约 15%。
- 电极材料与结构：碳基材料（如碳布、碳毡）因高表面积和生物相容性广泛应用。修饰纳米颗粒（如 Pt、Ni）可提升电极催化活性，例如铂修饰阴极的 CH?生成速率达 247 nmol?cm3?d?1。电极间距影响传质效率，间距过大会增加内阻，通常以 0.5–2 cm 为宜。
- pH 与混合：中性至弱碱性条件（pH 6.8–7.4）最利于微生物生长。适度混合（如间歇搅拌）可减少挥发性脂肪酸（VFA）积累，提升底物均匀性，但过度混合会破坏微生物絮体，增加能耗。
环境效益与技术经济分析
生命周期评估（LCA）显示，EAD 的全球变暖潜势（GWP）较传统 AD 低 19% 以上，处理食物垃圾时 GWP 为 39.7 g CO?e/MJ，显著降低温室气体排放。此外，EAD 可减少 96% 的 H?S 排放，提升沼气质量并降低设备腐蚀。技术经济评价表明，尽管 EAD 的资本和运行成本较高，但 CH?产量提升可抵消成本。例如，电极成本占资本支出的 59%，使用低成本碳基复合材料或无膜设计可降低成本，长期可实现显著经济效益。
挑战与未来方向
当前 EAD 面临的主要挑战包括：
- 电子传递效率限制：细胞 - 电极界面电阻较高，需通过合成生物学优化电活性微生物的电子传递通路，或开发高导电性电极材料（如三维多孔碳）。
- 规模化应用难题：实验室规模的均匀电场难以在工业级反应器中维持，需设计新型反应器结构（如三维电极阵列），并开发微生物群落预富集技术以缩短启动时间。
- 成本与可持续性：探索废弃物衍生材料（如生物炭）作为电极组件，结合绿色化学原则降低材料成本。同时，利用可再生能源供电，进一步提升碳中和效益。
未来研究应聚焦于解析微生物互作的分子机制，开发高效低耗的电极材料，推动中试规模验证，并结合政策激励（如碳信用）加速商业化应用，使 EAD 成为生物循环绿色经济的核心技术。
