《Journal of Contaminant Hydrology》：Mixing intensity regulates kitchen waste anaerobic digestion through carbon flux and nitrogen metabolic pathways
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•控制常数将混合条件与碳代谢途径联系起来。•弱混合实现了较高的挥发性固体去除率，但甲烷产量有限。•强混合将碳流向转向乙酸盐的形成。•控制常数为优化碳流提供了新的定量基础。引言厌氧消化是一种生化过程，它能够同时实现有机废弃物的废物处理和能源回收的双重目标（Song et al.
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控制常数将混合条件与碳代谢途径联系起来。
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弱混合实现了较高的挥发性固体去除率，但甲烷产量有限。
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强混合将碳流向转向乙酸盐的形成。
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控制常数为优化碳流提供了新的定量基础。
引言
厌氧消化是一种生化过程，它能够同时实现有机废弃物的废物处理和能源回收的双重目标（Song et al., 2026a; Zhang et al., 2026）。厌氧消化产生的沼气是一种高价值的可再生能源（Jiang et al., 2026）。操作效率和稳定性会影响废物处理系统的能耗（Song et al., 2026b）。
通过这种方式，厌氧消化可以提高有机废物处理的可持续性和成本效益。目前关于增强厌氧消化的研究已经广泛探索了外源物质添加等方法，但流体动力学调控受到了相对较少的关注。Eljamal et al.（2024）表明，芦荟废弃物和Fe0纳米颗粒增强了废水污泥的厌氧消化。在最优化条件下，甲烷产量最高可增加146.9%。此外，纳米级零价铁（nZVI）通过充当电子供体并沉淀有毒硫化物，减轻了硫酸盐还原菌的抑制作用（Amen et al., 2018）。
与低固体含量方法相比，高固体含量厌氧消化维持了更高的固体含量，通常超过10%。高固体含量厌氧消化具有低加热能耗、反应器体积小和沼渣产生量少的优点。然而，其传质效果较差（Hu et al., 2024）。高固体含量厌氧消化系统具有三相体系。在复杂的多相系统中，有效的混合对于确保反应器中的物质和热量传递至关重要，也有助于维持微生物的代谢活性（Hu et al., 2018; Hu et al., 2021）。然而，传统的水力特性信息通常包含复杂的流场信息，如速度和剪切力分布（Markis et al., 2016; Miryahyaei et al., 2020）。因此，这些庞大而复杂的水力信息难以直接与微生物代谢活性有效关联。
相比之下，揭示宏观水力条件与微生物代谢之间关系的研究非常有限。在以往的研究中，研究了螺带式搅拌桨（HRI）和斜叶搅拌桨（PBI）的混合效果。用PBI旋转的消化器底部层总固体（TS）含量为3.1%，而用HRI旋转的消化器底部层为2.6%。然而，两个反应器中的甲烷产量非常相似（Winkler et al., 2024）。Singh et al.（2021）发现，与10 rpm和30 rpm相比，67 rpm的螺带式搅拌桨可使沼气产量增加15%至18%，并减少死区。Lebranchu et al.（2017）报告称，在10 rpm下，配备螺带式搅拌桨的反应器甲烷产量比Rushton涡轮机高出50%，且能耗更低。然而，这些宏观水力条件如何影响微生物群落和代谢途径的机制尚未得到深入研究，仍然存在理解不足的问题。剩余的知识缺口使得现有的优化策略难以将工程参数（如搅拌桨配置）与生物厌氧消化性能进行系统性关联。这进一步限制了厌氧消化过程的降耗和提效。
在分析宏观水力条件与微生物代谢之间的关联时，存在两大难点。（1）在宏观尺度上，尽管计算流体动力学（CFD）模拟可以提供丰富的三维流场数据，但庞大的水力信息淹没了关键特征，使得难以识别用于精确过程调控的简洁参数。因此，厌氧消化的流场优化通常依赖于试错法，缺乏理论指导。（2）在微观尺度上，现有研究已认识到水力剪切力会影响微生物群落（如生物膜形成、微生物种群分布），从而调控碳和氮的代谢途径。然而，水力条件与微生物代谢之间的关键定量桥梁仍然缺乏。使用传统的水力信息来调控厌氧消化的运行极其困难。
在我们先前的研究（Pan et al., 2025）中，提出了一种流型降维方法，用于提取控制常数k，它可以代表反应器的整体流体力学条件。k值是从拟合到CFD模拟数据的归一化累积流速曲线中推导出来的，涵盖了50种操作条件（Pan et al., 2025）。与仅捕获有限流体特性的流动参数不同，k可以提供不同搅拌桨配置之间混合条件的定量比较。需要注意的是，控制常数k是一个系统特定的流体力学参数，而不是一个通用的预测模型。因此，将其应用到不同系统时需要重复降维过程，以建立新的流速分布模型并确定控制常数k。它可以去除流场中的冗余信息，从而简化流体力学调控。
在本研究中，选择了搅拌桨直径比为0.4、0.7和0.9的搅拌桨配置，用于连续餐厨垃圾厌氧消化实验。然后，揭示了控制常数k对厌氧消化性能的调控规律。随后，分析了由控制常数k定义的水力环境对微生物群落结构的影响。最后，在代谢水平上阐明了水力调控对有机物代谢的机制。
本研究首次使用从流型降维研究中得出的与系统流动性相关的控制常数k作为桥梁，揭示了宏观水力条件与微观生物代谢活性之间的关系。本研究引入控制常数k，提供了对混合状态的统一定量表征。该方法使得能够在不同工作条件下对混合条件进行定量比较。
章节片段
餐厨垃圾和接种物
本实验模拟餐厨垃圾所用的材料是从一所大学的食堂购买的。去除骨头后，餐厨垃圾按蔬菜：米饭：肉类：植物油 = 35%：50%：8%：7%（湿重基础）的比例配制（Hu et al., 2025）。混合物均匀处理后磨碎至粒径小于1 mm。在4°C以下的温度下冷藏保存。本实验使用的接种物来源于农村的兔粪
不同搅拌桨直径比下的厌氧消化性能
在不同搅拌桨直径比下运行的厌氧消化过程中（J-0.4、J-0.7、J-0.9），系统的甲烷产量率随有机负荷率的增加而呈现变化（图2a）。在启动阶段，即在有机负荷率为1 g·VS/L/d的条件下运行，J-0.4的甲烷产量率逐渐增加，并在第16天达到峰值312 mL/g·VS。J-0.9的甲烷产量率变化范围最大。其峰值高于
结论
本研究使用控制常数k将宏观流体力学与微生物代谢联系起来。混合强度影响了餐厨垃圾的厌氧消化。搅拌桨直径比为0.7且k = 11.6的反应器实现了最高的甲烷产量率，表明适度混合有利于甲烷生成。搅拌桨直径比为0.4且k = 33.3的反应器显示出最高的挥发性固体去除率，但甲烷产量较低。弱混合增强了早期
CRediT作者贡献声明
Zhen Wang：撰写——初稿，可视化，验证，形式分析。Qun Wei：撰写——审阅与编辑，可视化。Yu Xie：撰写——审阅与编辑，监督指导。Zhenni Pan：验证，方法论，调查研究，概念构思。
关于写作过程中生成式AI及AI辅助技术使用的声明
在本工作准备过程中，作者使用了AI工具以改善语言编辑和提高可读性。所有手稿内容、数据处理和结论均完全由作者负责。最终手稿已由各作者进行彻底审阅并批准，以确保学术诚信和准确性。AI的使用符合Elsevier关于AI辅助技术的政策。
未引用参考文献
Liao et al., 2025
Wang et al., 2022
Wei et al., 2025
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本论文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本工作得到了江西省环境污染控制重点实验室开放研究基金的支持（HJWRFZ-Z-2024-08）。
Zhen Wang|Qun Wei|Yu Xie|Zhenni Pan
