引言
食物废弃物已成为一个重大的可持续性挑战，全球每年产生的食物废弃物超过13亿吨，导致大量资源损失和温室气体排放[1]、[2]、[3]。在韩国，每年产生的食物废弃物约为500万吨，占总废物量的近30%，人均约为95公斤[4]、[5]。尽管有严格的法规和高回收率，食物废弃物仍然对环境和经济造成重大负担。这一废弃物流中的一个重要但常被忽视的组成部分是食物废水（FWW），这是一种在食物废弃物收集和处理过程中产生的高浓度液体副产品[6]。FWW的特点是有机物质含量高、盐度较高（约2%）、水分含量高（85–90%）以及碳氮比（C/N）较低[7]、[8]、[9]。这些特性会降低传统好氧处理的效果，增加运营成本，并导致处理过程不稳定和二次温室气体排放。此外，《伦敦议定书》禁止将FWW通过倾倒海洋进行处理，这进一步增加了对可持续处理技术的需求，这种技术能够同时稳定有机废弃物并回收可再生能源[10]。
厌氧消化（AD）是一种在产生生物气的同时稳定有机物质的有前景的方法，在可再生能源和废弃物资源化策略中受到了越来越多的关注。然而，FWW的单一消化常常受到营养不平衡、氨抑制和挥发性脂肪酸（VFA）积累的限制，这些因素会抑制甲烷生成并降低处理过程的稳定性[11]、[12]。这些限制突显了需要合适的共底物来改善营养平衡并缓解抑制效应。
苹果渣（PP）是苹果汁加工的主要副产品，是一种有前景的共底物。在韩国，每年大约生产17.8万吨苹果，其中20–30%在加工过程中转化为苹果渣[13]。虽然PP通常用于低价值应用，但它含有适合厌氧消化的 fermentable 糖类和有机化合物[14]。FWW提供富含氮且易于降解的有机物，可能导致氨相关的不稳定性，而PP则提供碳，有助于改善底物平衡并支持微生物活动。尽管人们对共消化越来越感兴趣，但专门研究FWW和PP的研究仍然有限。以往的研究主要集中在其他水果残渣上，包括苹果渣、芒果皮、橙子皮和桃子渣，大多数研究主要基于最终的甲烷产量来评估性能[15]、[16]、[17]、[18]、[19]。这种基于终点的评估方法忽略了过程随时间的变化，并不能区分真正的协同效应和简单的叠加效应。在不同的停留时间内，这种局限性尤为重要，因为早期阶段的协同效应和长期性能可能会有所不同。此外，过程性能很少与微生物生态学和环境评估一起进行评估。微生物分析可以提供关于水解、发酵和甲烷生成途径变化的见解，而生命周期评估（LCA）可以评估过程性能的更广泛的环境影响[20]、[21]。然而，尽管在实际系统中这些方面紧密相连，但它们往往被分开研究。因此，关于微生物生态学和环境性能如何同时响应不同的FWW-PP混合比例的信息非常有限[22]、[23]。从实际角度来看，区域共消化可以通过减少运输距离进一步提高物流和经济可行性，最近的技术经济研究已经证明了集中式厌氧消化系统处理本地可用的水果加工残渣的优势[24]。在本研究中，FWW和PP分别从光州和 ??（Naju）收集，两地距离大约30分钟车程，这支持了所提出的区域共消化策略的实际应用性。
为了克服这些限制，本研究从多个角度探讨了FWW-PP的共消化，以确定底物混合比例如何影响过程稳定性、微生物生态学和环境性能。与以往主要关注最终甲烷产量的研究不同，本研究同时评估了时间协同效应和更广泛的系统级影响。通过整合生化甲烷潜力测定、时间依赖性的协同效应分析、微生物群落分析以及生命周期评估（LCA），对单一消化和共消化系统进行了全面评估。具体目标包括：（i）量化不同FWW:PP混合比例下的甲烷产量；（ii）评估共消化过程中的时间依赖性协同效应；（iii）研究微生物群落组成的变化；（iv）比较不同停留时间和底物条件下的环境影响。通过这种综合方法，本研究旨在为优化FWW-PP厌氧共消化系统提供一个全面的框架。
章节片段
样品收集与特性分析
FWW是从韩国光州的一个食物废弃物回收设施收集的，并在4°C下储存直至使用。苹果渣（PP）来自韩国??的一个苹果加工厂，在那里苹果在榨汁过程中经过90–95°C的热处理。收集到的PP在-25°C下储存，在使用前在4°C下解冻，然后在85°C下干燥12小时，并研磨成粉末（补充信息，图S1）。所有实验中使用的PP粉末平均粒径为0.25 ± 0.05毫米。
累积生物气和甲烷产量
35天的BMP测试结果显示，在不同条件下累积气体产量存在明显差异（图1）。随着PP比例的增加，累积生物气产量总体上有所增加，而甲烷产量则倾向于随着FWW含量的增加而增加，尽管第4种条件偏离了这些总体趋势。这些对比结果表明，底物组成不仅影响了气体生成的程度，还影响了甲烷和二氧化碳之间的碳分布。
结论
本研究表明，食物废水（FWW）和苹果渣（PP）的厌氧共消化通过底物互补性提高了消化性能，尽管最佳条件因评估标准而异。当FWW与PP的混合比例为50:50时，累积生物气产量最高，时间协同效应最强，在消化初期协同效应指数达到176.2%，并在整个消化过程中保持在100%以上。相比之下，单独消化FWW时...
CRediT作者贡献声明
Juyeon Yoon：撰写——初稿、可视化、验证、方法论、调查、数据分析、概念化。 Sudharshan Juntupally：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、方法论、调查。 Ranaprathap Katakojwala：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、软件开发、数据分析。 Hyunsu Kim：撰写——审阅与编辑、数据分析。 Keunje Yoo：撰写——审阅与编辑、数据分析。
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）的韩国中期研究员计划（RS-2023-00279906）的财政支持。
Juyeon Yoon | Sudharshan Juntupally | Ranaprathap Katakojwala | Hyunsu Kim | Keunje Yoo | Hyung-Sool Lee
