臭氧预处理对暗发酵的增效机制：微生物群落调控与病原体去除的双重优化

为解决污水污泥与葡萄酒糟共发酵产氢效率低及病原体残留问题，研究人员通过臭氧预处理(PT)调控微生物群落结构，显著提升水解产酸菌(HABs)活性，使生物氢产量增加78%、比产氢率提高90%，同时实现大肠杆菌(E. coli)浓度降低一个数量级，为有机废弃物能源化与卫生安全提供创新方案。

　　

随着全球城市化进程加速，污水处理厂每年产生约3500万吨污泥，其处理成本占运营费用的50%以上。这些富含有机质的废弃物既是潜在的能源宝库，又是病原微生物的温床。传统暗发酵(DF)技术虽能通过水解产酸菌(HABs)将有机物转化为氢气(H₂)和挥发性脂肪酸(VFAs)，但面临水解效率低、甲烷菌竞争、病原体残留三大瓶颈。更棘手的是，污泥中碳源不足常导致氮损失，而添加葡萄酒糟(WV)等外源碳虽能改善产气，却可能引入新的微生物干扰。

针对这些挑战，西班牙加迪斯大学的研究团队在《Journal of Environmental Management》发表论文，创新性地采用臭氧预处理(PT)技术，系统研究了其对热暗发酵系统微生物群落结构、产氢效能及病原体去除的影响。通过连续搅拌槽反应器(CSTR)实验结合荧光原位杂交(FISH)等分子技术，揭示了臭氧预处理通过重塑微生物网络提升废弃物能源转化效率的机制。

研究采用四大关键技术：1) 臭氧预处理系统(0.018 g O₃/g TS剂量)；2) 热暗发酵反应器(55°C，pH 5.5，HRT 6天)；3) FISH技术定量Eubacteria、HABs、丙酸利用型产乙酸菌(PUAs)等微生物种群；4) Colilert?方法检测大肠杆菌等病原体。实验以污水污泥(SS)和葡萄酒糟(WV)为共基质，对比预处理(SSO/WV)与对照组(SS/WV)差异。

3.1 反应器启动与运行性能
通过45天驯化期建立稳定产氢系统，臭氧预处理使水解产率提升25%至101±4%，溶解性COD占比达99%。酸化工段中，预处理组VFA生成量达5.73±0.62 g COD/L，较对照组提升60%，其中乙酸(HAc)和丁酸(nHBu)占总VFAs的80%，形成最优产氢代谢路径。

3.2 微生物种群动态
FISH分析显示预处理使Eubacteria占比升至88%，HABs活性达6.7×10^-7 mL H₂/cell/d。值得注意的是，丙酸利用型产乙酸菌(PUAs)比例(27%)首次超过丁酸利用型(BUAs)(14%)，表明臭氧选择性富集特定功能菌群。甲烷菌(Archaea)被抑制至11%，实现全程无甲烷生成。

3.3 病原体去除
臭氧预处理使进料中大肠杆菌降低一个数量级，配合55°C热发酵，最终出水中沙门氏菌绝迹，大肠杆菌<1 CFU/g，优于欧盟(EU 2019/1009)和美国EPA标准。葡萄酒糟本身接近无菌状态，印证其作为安全共基质的价值。

该研究突破性发现臭氧预处理通过三重机制增效：1) 氧化破解颗粒有机物，提升水解效率；2) 调控PUAs/HABs比例，优化代谢流向产氢路径；3) 选择性灭活病原体。这为"废弃物-能源-卫生安全"协同治理提供新模式，其微生物群落定向调控策略对开发第二代生物燃料具有启示意义。实际应用中，0.018 g O₃/g TS的优化剂量平衡了处理成本与效益，配合6天HRT可稳定实现9.36 mmol H₂/L/d的产率，较传统工艺提升78%。研究同时指出，乙酸/丁酸比例(0.9-2.5)与nHBu/HAc比值可作为工艺监控的关键指标。

这项成果不仅证实臭氧预处理在规模化生物制氢中的可行性，更开创了通过物理化学手段精确调控厌氧微生物网络的新思路，为有机废弃物资源化提供了兼具经济效益与环境友好的解决方案。未来研究可进一步探索臭氧剂量与特定功能菌群丰度的定量关系，以及该技术在餐厨垃圾、农业废弃物等多元基质中的普适性。