碱预处理提升牛粪产甲烷效率及重塑微生物群落的关键作用：NaOH、KOH与Ca(OH)2的对比研究

本文系统评估了NaOH、KOH和Ca(OH)2预处理对牛粪厌氧消化（AD）的增效机制，揭示碱性试剂通过破解难降解有机物（如木质纤维素）、提升可溶性化学需氧量（SCOD）达7.6倍（38,000 mg/L），使甲烷产率最高提升50%（150 mL/g VS·d）。高通量测序表明NaOH/KOH通过富集氢营养型甲烷杆菌（Methanobacterium）和多营养型甲烷八叠球菌（Methanosarcina）将产甲烷途径从乙酸裂解型转向多营养型，而Ca(OH)2则因钙沉淀效应维持原有代谢优势。研究为低碳化粪污管理提供了“底物-工艺-微生物”协同优化框架。

　　

Highlight

碱预处理通过三种互补路径推动循环生物经济：释放难降解有机物生产可再生沼气（SDG 7）、通过消化液或矿物产品循环氮磷（SDG 12）、抑制甲烷逃逸（SDG 13）。我们的技术-微生物框架优化了这些协同效应，将焦点从增量收益转向系统级资源效率，指导规模化低碳粪污管理的碱试剂选择。

Effects of alkali types and dosages on VSS/VS ratio and soluble organics concentration

未经碱处理的牛粪混合物中，挥发性悬浮固体（VSS）占挥发性固体（VS）的96.7%，表明有机物几乎未溶解（图1a1），对应可溶性化学需氧量（SCOD）仅约5,000 mg/L（图1b）。而NaOH/KOH预处理使SCOD飙升7.6倍至38,000 mg/L，显著打破木质纤维素屏障，为后续厌氧消化提供充足底物。

Conclusion

本研究首次证实碱金属离子（Na⁺、K⁺、Ca²⁺）直接调控连续厌氧消化中的产甲烷途径选择，提出“底物-工艺-微生物”决策框架，为实际工程中碱试剂选择提供依据。该框架显著改善了底物可及性、甲烷生产力及微生物群落重构，其中NaOH/KOH通过富集氢营养型（Methanobacterium）和多营养型（Methanosarcina）菌属，将代谢路径转向高效产甲烷模式，而Ca(OH)₂则因形成钙沉淀物维持了乙酸裂解型优势。