磷石膏诱导电化学强化猪粪发酵的多途径资源化利用：提升产气效率与重金属钝化

推荐：针对猪粪(PM)发酵周期长、产气率低及重金属去除率不足等问题，研究人员创新性地提出磷石膏(PG)诱导电化学强化发酵技术。通过优化PG添加比例(1%)，显著提升甲烷产量15.65%，COD降至3000 mg/L以下，并实现Cu/Zn的电极沉积与微生物群落丰富度提升。该研究为PM与PG协同处理提供了新方案，拓展了工业固废与农业废弃物的高值化利用路径。

　　

随着规模化养殖业的快速发展，猪粪(PM)已成为典型的有机固体废弃物，其不当处置导致的环境污染问题日益严峻。传统PM发酵技术存在发酵周期长(通常>20天)、甲烷产率低(<0.5 m³/kg VS)以及重金属钝化效率不足等瓶颈问题。与此同时，磷化工行业产生的固体废弃物磷石膏(PG)全球堆存量超过70亿吨，其主要成分CaSO₄·2H₂O(含量>79%)和微量金属元素可能为厌氧系统提供电子受体和营养源，但其在电化学耦合发酵中的作用机制尚不明确。

针对这一双重挑战，来自国内的研究团队在《Results in Engineering》发表了创新性研究。他们开发了PG诱导的电化学强化PM发酵技术，系统探究了不同PG添加量(0-20%)对产气效率、甲烷含量、发酵液理化性质及重金属去除效果的影响。研究发现，当PG添加量为1%时，可显著提升PM发酵系统的产气效率(提升约16%)和甲烷含量(提升15.65%)，同时实现COD显著降低至3000 mg/L以下，NH₄⁺-N含量提升至900 mg/L以上。通过高通量测序和Tessier五步提取法等技术手段，揭示了PG通过调控微生物群落结构(如促进Bacteroidota和Firmicutes丰度)和重金属形态转化(Cu的生物有效性降低至3%以下)实现"减污增资"的双重效应。

研究采用的关键技术包括：(1)自设计厌氧生物反应器系统，通过直流电源(0.1-1V)调控电化学强化过程；(2)PacBio测序平台进行微生物群落分析；(3)Tessier连续提取法测定重金属形态；(4)气相色谱(GC1120)分析沼气成分。

研究结果显示，在PG添加量为1%和电场电压0.8V的最佳条件下，系统呈现显著优势：

1. PG添加量对发酵系统的影响：1% PG组累积甲烷产量达16,138 cm³，较对照组提升15.65%，而≥10% PG添加会抑制67-100%的产气量。微生物分析表明，低剂量PG促进Bacteroidota(纤维素降解菌)和Firmicutes(挥发性脂肪酸降解菌)增殖，其相对丰度达76.45-83.44%。
2. 电场电压的调控作用：0.8V电压下系统VS/TS比值最低(约28%)，显示最佳有机物分解效率，Shannon指数分析证实该条件下微生物多样性最稳定。
3. 重金属钝化效果：Cu主要转化为有机结合态(占比91-93%)，有效态比例从25.85%降至2.74%；Zn则通过"相对浓度效应"在残渣中富集，浓度提升16.24-32.46%。
4. 环境经济效益：1% PG组每立方米反应器可多产出76 MJ能量，CO₂占比从48.14%降至45.50%，同时残渣可作为低钙有机肥料再利用。

这项研究的突破性在于首次建立了PG与PM的协同处理技术体系，明确了PG在电化学系统中的"低促高抑"效应阈值。通过微生物群落调控和重金属定向转化双重机制，不仅提高了有机固废的资源化效率，还为工业副产物PG的大规模消纳提供了新途径。研究者建议未来重点开展≥1 m³的中试验证，并开发针对PG中重金属和放射性核素的预处理工艺，以推动该技术在实际工程中的应用。该成果对实现"双碳"目标下的农业废弃物与工业固废协同处理具有重要指导意义。