乳酸发酵对两阶段厌氧消化中餐厨垃圾生物甲烷化的影响及机制解析

推荐 本研究针对餐厨垃圾（FW）单阶段厌氧消化效率低的问题，通过两阶段厌氧消化（TSAD）结合乳酸（LA）发酵技术，显著提升了生物甲烷产量（+17.02%）和有机物去除率（+4.84%）。研究发现，LA发酵优化了产甲烷菌群结构，降低了丙酸积累风险，为高浓度有机废物的资源化处理提供了新思路。

　　

论文解读
餐厨垃圾（Food Waste, FW）作为城市固体废物的重要组成部分，因其高有机物含量和水溶性，成为厌氧消化（Anaerobic Digestion, AD）技术的理想处理对象。然而，传统单阶段AD工艺常面临挥发性脂肪酸（Volatile Fatty Acids, VFAs）积累导致的系统不稳定问题，严重制约了处理效率。为突破这一瓶颈，两阶段厌氧消化（Two-Stage Anaerobic Digestion, TSAD）技术通过分离酸化（Acidogenesis）与甲烷化（Methanogenesis）过程，分别优化产酸菌和产甲烷菌的生长条件，逐渐成为研究热点。

近年来，乳酸（Lactic Acid, LA）发酵在TSAD中的作用引发争议。部分研究表明，LA因其热力学转化劣势可能抑制甲烷生成；而另一些研究则指出，LA可通过调控微生物群落结构提升系统稳定性。为明确LA发酵对FW生物甲烷化的影响，本研究团队开展了为期数月的半连续实验，系统比较了有无LA发酵条件下TSAD的性能差异。

研究结果表明，酸化反应器（Acidogenic Reactor, AR）中的LA发酵显著提升了TSAD的整体效率。具体而言，实验组甲烷产量由1.27±0.04 L/L/d增至1.49±0.04 L/L/d，有机物去除率提高4.84%，且甲烷纯度从50.41%提升至60.27%。微生物群落分析显示，LA发酵使产甲烷菌群结构发生显著变化：Methanosarcina相对丰度从13.57%增至55.68%，而Methanosaeta则从30.22%降至19.87%。这种变化有效降低了系统内氢分压，促进了LA向乙酸而非丙酸的转化路径。此外，功能酶活性检测证实，LA发酵增强了与主要甲烷生成途径相关的酶表达水平。

研究团队进一步指出，LA发酵通过优化底物利用效率和减少化学需氧量（Chemical Oxygen Demand, COD）损失，显著提升了TSAD的经济性和环境效益。该成果为高浓度有机废物的资源化处理提供了理论依据，并为TSAD工艺优化指明了方向。研究成果发表于国际能源领域权威期刊《Fuel》。

关键技术方法
本研究采用半连续实验设计，结合高通量测序技术和生物化学分析方法，系统评估了LA发酵对TSAD性能的影响。实验设置对照组（无LA发酵）和实验组（AR中诱导LA发酵），通过监测液相组分变化、气体产量及微生物群落结构，揭示了LA发酵的作用机制。

研究结果
液相变化
实验组AR1中LA浓度显著升高至21.21±1.34 g/L，而AR2因部分LA被消耗，浓度降至5.61±0.32 g/L。对照组LA浓度波动于10.35–14.58 g/L之间，表明LA发酵显著改变了底物组成。

生物甲烷化性能
实验组甲烷产量和纯度均显著高于对照组，且挥发性脂肪酸（VFAs）积累量减少。这表明LA发酵通过优化微生物代谢途径提升了系统稳定性。

微生物群落结构
高通量测序结果显示，实验组Methanosarcina成为优势菌群，其丰度较对照组提高3倍以上。同时，Methanosaeta占比下降，减少了乙酸氧化为氢气和二氧化碳的副反应。

功能酶活性
与乙酸和氢气生成相关的酶活性在实验组中显著增强，进一步验证了LA发酵对甲烷生成途径的调控作用。

研究结论与意义
本研究证实，LA发酵通过调控微生物群落结构和代谢途径，显著提升了TSAD处理FW的效率。其核心机制在于降低系统氢分压、减少丙酸积累，并增强关键功能酶活性。该发现为TSAD工艺优化提供了新思路，尤其适用于高浓度有机废物的资源化处理场景。未来研究可进一步探索LA发酵与其他预处理技术的协同效应，以进一步提升处理效能。