微生物电解池（MEC）对猪粪中温和高温厌氧消化的增强作用比较研究

为解决猪粪（SM）厌氧消化（AD）中产气效率低、有机物去除不足及系统运行不稳定的问题，研究人员开展了微生物电解池（MEC）耦合中温（MAD）与高温（TAD）厌氧消化的半连续实验。结果表明，MEC对MAD的甲烷产量提升达64.54%，显著高于TAD的17.11%，并有效提高了系统稳定性和能量回收效率，为农业废弃物资源化处理提供了新策略。

　　

随着全球畜牧业规模不断扩大，畜禽粪便排放量急剧增加，仅中国每年产生的猪粪（Swine Manure, SM）就高达约18亿吨。这类废弃物中含有高浓度的氨氮、总磷和有机质，若处理不当，将对环境构成严重威胁。厌氧消化（Anaerobic Digestion, AD）技术被广泛认为是处理有机废弃物、生产可再生能源（如生物甲烷）并减少温室气体排放的有效方法。然而，在实际应用中，猪粪的厌氧消化过程常面临产气效率低、有机物降解不彻底、系统运行不稳定等问题，这主要归因于其含有的抗生素、重金属及高浓度铵盐等抑制物质。

为了突破这些技术瓶颈，微生物电解池（Microbial Electrolysis Cell, MEC）作为一种新兴的高效生物电化学技术，近年来受到广泛关注。它通过在厌氧消化系统中施加低电压（<2.0 V），能够富集电活性微生物、调节微生物群落、克服热力学限制、促进水解和产酸过程，并加速挥发性脂肪酸（VFAs）的转化，从而显著提升系统性能。然而，尽管已有研究探索了MEC对中温（Mesophilic AD, MAD，30–40°C）和高温（Thermophilic AD, TAD，50–60°C）厌氧消化的影响，但多数研究集中于污水污泥或餐厨垃圾，且多采用批次实验，缺乏对猪粪这一典型农业废弃物的系统比较，尤其是半连续运行条件下的性能差异和微生物机制尚不明确。

为此，中国科学院生态环境研究中心的Benyi Xiao等研究人员在《Environmental Technology》上发表了一项研究，系统比较了MEC对猪粪中温和高温厌氧消化的增强效果，并深入分析了其能量平衡和微生物群落响应。该研究不仅填补了该领域的空白，也为农业废弃物资源化处理提供了重要的理论和实践依据。

在方法上，研究团队设计了四组相同的实验室规模连续搅拌槽反应器，工作体积为3.9 L，分别设置为中温对照（Con-MAD）、中温MEC（MEC-MAD）、高温对照（Con-TAD）和高温MEC（MEC-TAD）系统。反应器内电极由碳棒和碳毡组成，施加电压为1.2 V，水力停留时间（HRT）为30天，通过半连续方式进料和出料。实验分为启动期、调整期和稳定期，持续104天。分析指标包括沼气产量、甲烷含量、化学需氧量（COD）、挥发性固体（VS）、总挥发性脂肪酸（TVFAs）及微生物群落结构（通过16S rRNA测序和PICRUSt功能预测）。能量平衡计算涵盖了产出的甲烷能量和输入的加热、搅拌及外加电压能量。

3.1 厌氧消化性能

3.1.1 沼气生产

结果显示，MEC显著提升了两种厌氧消化的沼气产量，其中MEC-MAD的平均沼气产量（922.16 mL/L/d）比Con-MAD（581.75 mL/L/d）提高了58.87%，而MEC-TAD（1027.76 mL/L/d）比Con-TAD（891.65 mL/L/d）仅提高了15.61%。甲烷含量方面，MEC系统也略有提升，MEC-MAD和MEC-TAD分别达到63.17%和63.23%。特别值得注意的是，MEC-MAD的甲烷产量（582.41 mL/L/d）甚至高于Con-TAD（557.24 mL/L/d），表明MEC的引入可以替代升温带来的增强效果。稳定性分析表明，MEC系统波动更小，运行更稳定。

3.1.2 有机物去除

在有机物去除方面，MEC同样表现出显著增强作用。MEC-MAD的COD和VS去除率分别达到59.85%和48.21%，比对照提高了18.49%和17.21%；而MEC-TAD的增强幅度较小，仅提高了7.42%和5.88%。同时，MEC系统显著降低了消化液中的TVFAs浓度（MEC-MAD仅为0.06 g/L），说明其有效促进了中间产物的转化，减轻了酸抑制风险。

3.2 反应速率和能量平衡

通过计算各AD步骤的反应速率，发现MEC全面加速了水解、产酸、产乙酸和产甲烷过程，其中对产甲烷步骤的增强最为显著（MAD提升63.97%，TAD提升16.58%）。能量平衡分析显示，MEC-TAD的净能量产出最高（5.09 kJ/g VS），但MEC-MAD的能量输出输入比（5.20）更优，表明其能量回收效率更高。外加电压的电流利用效率在MEC-MAD中达到5.97倍，远高于MEC-TAD的3.80倍。

3.3 微生物群落

3.3.1 细菌

微生物群落分析表明，厚壁菌门（Firmicutes）是主要菌门（相对丰度68.22–80.45%），MEC在TAD中显著富集了厚壁菌门（从71.43%升至80.45%），但减少了拟杆菌门（Bacteroidota）。在属水平上，MEC-MAD中的电活性菌属（如Clostridium_sensu_stricto_1和Romboutsia）更为丰富，这些菌属能够通过直接种间电子转移（DIET）促进甲烷生成。功能预测显示，MEC提高了水解相关酶的相对丰度，但对产酸酶的影响较小。

3.3.2 古菌

古菌群落结构差异显著：MEC-MAD中乙酸裂解型产甲烷菌（如Methanosaeta）的相对丰度从15.73%升至37.72%，而氢营养型产甲烷菌比例下降；相反，MEC-TAD中氢营养型途径（如Methanobacterium）占比从48.06%大幅升至85.09%。酶活性预测结果与群落变化一致，MEC在不同温度下选择了不同的产甲烷路径。

3.4 环境因子与微生物的关联

冗余分析（RDA）表明，消化液中的VFA、SCOD、TAN和pH与沼气产量呈正相关，而TCOD、VS等与水解菌和乙酸裂解型产甲烷菌密切相关，揭示了环境参数对系统性能的调控作用。

该研究通过系统实验和深入分析，明确揭示了MEC对猪粪厌氧消化的增强效果及机制：MEC主要通过加速水解和产甲烷步骤、优化微生物群落结构（如富集电活性细菌和调节产甲烷途径）、提高系统稳定性和能量回收效率来提升性能，且对中温消化的增强效果显著优于高温消化。这一发现不仅为猪粪处理提供了高效低成本的技术方案，也为MEC在农业废弃物资源化领域的应用提供了重要理论支撑和实践指导。未来研究可进一步优化MEC运行参数，探索其在实际规模化工程中的应用潜力。