《Process Safety and Environmental Protection》：Anaerobic digestion of oily food waste controlled by mixing intensity under high-lipid loading: Emphasis on the effect of height-to-diameter ratio on process performance, lipid conversion and microbial community
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摘要厌氧消化是一种处理含油食品废物的有效技术，但在高脂负荷条件下，油脂上浮和分层容易引发长链脂肪酸的抑制作用，导致系统运行不稳定。含油食品废物中的脂质往往会在厌氧消化池的上层积聚，从而影响甲烷产量并破坏系统的稳定运行。本研究选取反应器高度与直径比（1.2–3.6）以及搅拌速率（3
摘要
厌氧消化是一种处理含油食品废物的有效技术，但在高脂负荷条件下，油脂上浮和分层容易引发长链脂肪酸的抑制作用，导致系统运行不稳定。含油食品废物中的脂质往往会在厌氧消化池的上层积聚，从而影响甲烷产量并破坏系统的稳定运行。本研究选取反应器高度与直径比（1.2–3.6）以及搅拌速率（30–60?rpm）作为关键变量，探究混合强度如何影响高脂负荷条件下厌氧消化系统的长期连续运行。较高的高度与直径比会导致混合不足和严重的油脂分层，进而引发局部微生物抑制，降低甲烷产量。降低高度与直径比虽能提高系统均匀性，但实际脂质负荷的增加又会因有毒长链脂肪酸的存在而引发严重抑制。最终确定的最佳参数组合为高度与直径比为2.4，搅拌速率为30?rpm。在此条件下，脂质转化效率可达96.3%，与甲烷相关的COD回收率最高可达147.0%，这些数值均显著优于传统单参数优化研究的结果。优异的性能得益于较高的微生物活性以及两种主要产甲烷古菌——Methanosaeta和——的功能平衡分布。本研究表明，同时调控高度与直径比及搅拌速率对于高效处理高脂废物至关重要，同时也验证了调控反应器流体动力学参数是优化富含脂质的废物转化为能源系统的简单有效方法。
引言
全球人口和经济活动的快速增长导致了食品废物的大量产生（Abomohra等人，2022年）。根据食品浪费足迹研究，2013年全球食品废物带来的直接经济成本高达7500亿美元（Lehn等人，2023年）。厌氧消化是一种极具前景的食品废物能源化处理技术，它能够将丰富的有机物质转化为甲烷等可再生能源（Zhu等人，2022年）。由于中国独特的烹饪习惯，食品废物中脂质的比例通常很高，可达30%（Ren等人，2024年）。从理论上讲，富含脂质的含油食品废物是厌氧消化的理想原料，因为脂质的产甲烷潜力要远高于碳水化合物（葡萄糖的产甲烷潜力为0.37?m3/kg挥发性固体）和蛋白质（0.74?m3/kg挥发性固体）（Abomohra等人，2022年；Lü等人，2019年）。因此，较高的脂质含量理论上应能提升甲烷生成潜力。然而，过高的脂质含量也会增加对厌氧微生物的抑制风险（Wu等人，2023年）。所以，需要有效的措施在将产甲烷潜力最大化的同时，将抑制作用控制在安全范围内。
湿式厌氧反应器是以水为主的系统，而含油食品废物中的大部分脂质并不溶于此类系统。这一特性导致投入该类废物的反应器内部出现成分不均匀的现象。由于脂质密度较低，它们往往会浮在液相表面（Habashi等人，2016年）。实际上，之前的研究也观察到了油脂积聚的现象（Wu等人，2023年）。这样一来，处于降解状态的油脂与厌氧微生物之间的接触就无法充分实现，从而导致降解不完全（Habashi等人，2016年；Lü等人，2019年；Wu等人，2023年）。另有研究指出，在厌氧消化器中投入粪便时，若上下层样本之间的相互作用不足，其剩余的产甲烷潜力会比相互作用充分时更高（Kaparaju等人，2008年）。因此，加强油脂滴与微生物群落之间的接触对于充分发挥含油食品废物的产甲烷潜力至关重要。混合是强化这种接触的最可行的工程手段，但不恰当的混合强度却会引发由长链脂肪酸带来的额外抑制作用，具体机制将在后文阐述。
在脂质进行厌氧消化的过程中，它们首先会被快速水解为长链脂肪酸和甘油，而随后长链脂肪酸的β-氧化过程通常被认为是限制步骤（Tian等人，2018年）。长链脂肪酸首先会吸附在微生物表面进行β-氧化，之后才会进入微生物细胞内进行进一步降解（Usman等人，2022年）。长链脂肪酸的生成与降解之间的失衡会导致它们在微生物表面积累（Meng等人，2022年；Ning等人，2018年）。一旦长链脂肪酸的积累超过微生物的耐受阈值，就会引发抑制作用（Zhang等人，2023a年）。已有研究显示，浓度超过30?mg/L的油酸会对产乙酸型甲烷菌产生抑制作用（Lalman和Bagley，2001年）。这种抑制作用主要是由细胞膜上形成的物理屏障所导致的，它会阻碍营养物质的吸收以及微生物的新陈代谢（Sun等人，2023年；Mostafa等人，2021年；Zhu等人，2019年）。此外，一旦出现抑制作用，微生物需要很长时间才能恢复（Wu等人，2015年）。微生物过度暴露于过量的长链脂肪酸还会扰乱其正常的代谢活动。鉴于混合作用对长链脂肪酸降解的双重影响，有必要系统梳理现有关于混合调控的研究成果。
由于结构简单且实用，连续搅拌槽反应器被广泛用于厌氧消化过程（Wahid和Horn，2021年）。对于成分不均匀的原料而言，混合强度会显著影响原料与厌氧微生物之间的相互作用（Kariyama等人，2018年）。另有研究也发现，混合强度是影响含油原料产甲烷能力及系统稳定性的关键控制因素（Wu等人，2023年）。对比静态条件与混合条件下的长链脂肪酸厌氧消化情况，研究发现混合能够显著提升长链脂肪酸的产甲烷效率（Pereira等人，2002年）。还有研究指出，较高的混合强度会加速长链脂肪酸在细胞膜表面的吸附，进而延长滞后期，大幅降低甲烷产量，尤其是在高负荷条件下（Wu等人，2024a年）。值得注意的是，目前关于混合效应的研究大多仅关注搅拌速率这一因素，而在高脂条件下，将混合强度与长链脂肪酸降解动态关联起来的系统性研究仍然不足。
以往的研究主要将搅拌速率视为唯一的混合相关参数。除了搅拌速率之外，反应器本身的结构也会影响CSTR中的混合强度（Singh等人，2020年）。在各种结构参数中，高度与直径比是一个关键的调控参数（Christwardana等人，2020年）。有研究指出，高度与直径比会显著影响流体动力学特性和质量传递过程，进而影响微生物的生长与代谢（Christwardana等人，2020年）。关于稻草厌氧消化的研究表明，高度与直径比会显著影响质量传递和生物气产量：高度与直径比为3时，生物气产量较比为2和1时分别高出10.5%和25.8%（Pan等人，2021年）。作为另一个影响混合强度的重要因素，高度与直径比在含油食品废物厌氧消化研究中值得进一步探讨。目前，现有的混合相关研究仅仅将搅拌速率作为单一变量，忽略了反应器高度与直径比对流体动力学特性及实际混合效率的独立调控作用；目前还没有研究阐明搅拌速率与高度与直径比在高脂含油食品废物消化过程中的相互作用，也未揭示二者对脂质/长链脂肪酸降解以及微生物群落演变的共同影响。据我们所知，很少有已发表的研究涉及这一主题。
针对上述研究空白，本研究首次将搅拌速率与高度与直径比结合起来，用于调节高脂含油食品废物半连续消化过程中的整体混合强度。鉴于在搅拌不足的情况下，由于油脂在CSTR上层积聚会导致甲烷过量产生的现象（Wu等人，2023年），本研究在高脂负荷条件下进行了含油食品废物的半连续消化实验，并通过调整反应器的高度与直径比来改变混合强度，以此监测工艺性能和运行稳定性，尤其是脂质与长链脂肪酸的降解情况。同时，还研究了不同混合强度下的微生物群落状况，以分析其与系统性能之间的关联。针对前述关于搅拌速率与高度与直径比联合调控的研究空白，本研究的主要目标是：（1）评估由搅拌速率和高度与直径比共同调控的混合强度对含油食品废物厌氧消化性能的单独及综合影响；（2）确定高脂含油食品废物处理过程中搅拌速率与高度与直径比的最佳匹配条件；（3）阐明联合混合参数如何影响微生物群落的构成。
章节要点
材料与方法
本次连续实验持续了约260天。材料、实验设计及分析方法的具体内容将在下文中详细阐述。
甲烷生成
图1(a)和(b)展示了四次实验中生物气生成速率及甲烷含量的变化情况，表S2则汇总了稳态运行数据。本研究的一个重要发现是，反应器的高度与直径比以及搅拌速率共同决定了混合强度，进而影响了高脂原料厌氧消化过程中的甲烷生成性能。在第一次实验的初始阶段，随着微生物群落逐渐适应新的环境，生物气生成速率逐渐上升
结论
反应器的高度与直径比以及搅拌速率等流体动力学条件是影响消化器稳定性的关键因素。当高度与直径比为3.6且搅拌速率为60?rpm时，脂质在反应器内分布不均，大量积聚在顶层，从而导致局部抑制，使得整体厌氧消化性能较差。虽然降低高度与直径比能提高系统的均匀性，但实际脂质负荷的增加会加剧厌氧微生物与有毒长链脂肪酸的接触，进一步增加抑制风险，甚至
CRediT作者贡献说明
吴丽杰：撰写——审阅与编辑、验证、监督、资源提供、项目管理、方法设计、资金获取、概念构思。段宇超：撰写——初稿撰写、验证、实验研究、正式分析、数据整理。郝子文：验证、实验研究、正式分析、数据整理。习婷：实验研究、正式分析。杨帆：资源提供、项目管理。秦志峰：资源提供、资金获取。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：52370146、51808373）、山西省基础研究计划（项目编号：202303021211050）以及中国山西留学人员科研资助项目（项目编号：2022–051）的财政支持。
吴丽杰|段宇超|郝子文|习婷|杨帆|秦志峰
