引言
厌氧消化是从不同类型的有机废物流（如食物垃圾、污水污泥、农业残留物和动物粪便）生产可再生能源（沼气）和富含营养的消化物的一个有吸引力的途径（Scarlat et al., 2018, Song et al., 2023）。沼气生产依赖于一系列相互关联的微生物催化反应：水解、产酸、产乙酸和产甲烷，而高效稳定的运行需要执行这些连续转化步骤的平衡菌群（Harirchi et al., 2022）。然而，工艺操作、微生物群落组成和代谢功能之间的关系仍然知之甚少（Santinello et al., 2024, Song et al., 2023）。微生物群落受底物特性、添加剂、温度、有机负荷率、水力停留时间和反应器技术等因素的影响（Meegoda et al., 2018, Nkuna et al., 2021, Rabii et al., 2019, Song et al., 2023, Westerholm and Schnürer, 2019）。
为了研究和优化生物过程，通常使用实验室规模实验，因为它们允许对影响工艺性能的干预措施进行成本效益高、受控的评估（Lüdtke et al., 2017, Schnürer et al., 2016）。然而，厌氧消化的复杂生物学特性使得跨规模的比较变得复杂，即使工艺性能相似，实验室规模和全规模系统之间也可能出现微生物群落组成的差异（Perman et al., 2024, Westerholm et al., 2019）。在实验室中，许多因素，包括底物预处理、搅拌和投料频率的改变，以及启动期间的接种物选择，可能与全规模条件不同，因此必须仔细考虑（Bong et al., 2018, Cazaudehore et al., 2026, Li et al., 2021, Liu et al., 2018, Perman et al., 2024, Schnürer et al., 2016, Song et al., 2023）。
已有实验室规模厌氧消化实验的启动、运行和评估通用协议（Schnürer et al., 2016, Usack et al., 2012）。这些协议主要涉及运行管理和工艺性能，而微生物动力学则较少被考虑。通常认为，启动后，反应器在达到目标运行条件后应至少运行三个水力停留时间，以实现性能和微生物群落组成的稳定性（Pavlostathis and Giraldo-Gomez, 1991, Schnürer et al., 2016）。根据一级稀释动力学，在连续进料反应器运行三个水力停留时间后，原始物料剩余不足5%（Pavlostathis and Giraldo-Gomez, 1991），因此多个水力停留时间被认为是达到化学和生物稳定性所必需的，一些研究建议根据接种物来源可能需要更长的周期（Duan et al., 2021）。然而，一些研究认为当沼气产量、挥发性脂肪酸浓度、挥发性固体和pH等关键参数在至少一个水力停留时间内变化小于±10%时，系统即达到稳定（Usack et al., 2012）。虽然实验室规模沼气反应器可能需要几个水力停留时间才能达到稳定的工艺性能，但缩小规模后的稳定期可能取决于所采用的方法，包括是否在实验室规模下维持或修改全规模运行条件。这些方法之间启动和稳定时间的差异程度，仍然知之甚少。
本研究的目的是调查将全规模厌氧消化工艺缩小到实验室规模时，工艺性能和微生物群落组成达到稳定所需的时间。另一个目的是评估实验室系统在达到稳定工艺后，能多好地代表全规模工艺。五个平行实验室反应器运行了213天，之后其中一个反应器额外监测了330天。反应器使用来自全规模沼气厂的物料接种，并在反映全规模工艺的条件下运行。评估了两个规模的工艺性能、稳定性和微生物组成。此外，还研究了形成微生物群落的过程以及实验室规模反应器中随时间的动态变化。
Lisa Ahrens|Ebba Perman|Simon Isaksson|Jonas A. Ohlsson|Anna Schnürer
