微曝气对餐厨垃圾连续厌氧消化过程中甲烷产量及木质纤维素降解的剂量依赖效应

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Dose-dependent effects of micro-aeration on methane production and lignocellulose degradation during continuous anaerobic digestion of food waste

　　

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  连续微曝气强化餐厨垃圾厌氧消化。
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  在氧浓度为2.625 mL ^O₂^/L_R^/d时，获得最高累积甲烷产量。
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  过度曝气导致挥发性脂肪酸积累并抑制产甲烷作用。
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  微曝气富集了木质纤维分解菌和产甲烷菌。
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  增强的TCA循环供应NADH/FADH₂以缓解氧化应激。

引言

餐厨垃圾（FW）管理已成为可持续废物处理、资源回收和温室气体减排中的关键问题。2022年，全球约有10.5亿吨食物被浪费，估计贡献了全球温室气体排放量的8-10%[1]，[2]。厌氧消化被广泛认为是有效的餐厨垃圾处理技术，因为它能够实现有机物稳定化、甲烷回收和营养物循环利用[3]，[4]。然而，餐厨垃圾含有木质纤维素成分，如植物茎秆和果皮，其中纤维素、半纤维素和木质素嵌入在抗降解基质中，限制了酶的可达性和水解效率[5]，[6]。由于水解通常被认为是餐厨垃圾厌氧消化的速率限制步骤，在维持产甲烷作用稳定的同时提高木质纤维素的溶解度，对于将餐厨垃圾整体转化为甲烷至关重要。

已有研究探讨了提高厌氧消化性能的多种途径，包括基质预处理、优化工艺参数和引入添加剂。然而，预处理或补充添加剂通常需要额外的能源和化学品，从而增加了运行成本和工艺复杂性，并可能引发环境问题。近期研究表明，微曝气——即将少量空气或氧气注入厌氧系统——作为一种经济高效的策略，通过加速水解和产酸过程并为产甲烷提供更多可用底物来改善消化性能，受到了越来越多的关注[7]，[8]，[9]，[10]，[11]。近期研究还强调了微曝气在连续餐厨垃圾厌氧消化中的潜力，同时指出固体含量、黏度和反应器稳定性可能影响其效果[12]。适度的氧气暴露可刺激水解菌和兼性微生物分泌更高水平的胞外酶（如纤维素酶和木聚糖酶）。这种酶活性的增强加速了复杂木质纤维素的破坏和降解，从而为产甲烷提供更多易于利用的底物。在餐厨垃圾厌氧消化中，微曝气已被证明会影响水解、挥发性脂肪酸动态、甲烷产生和微生物群落结构[13]，[14]^。此外，适当的氧气负荷可以提高甲烷产量和木质纤维素降解率，而过量的曝气虽然促进了有机物的去除，却可能损害产甲烷作用[15]，[16]。然而，在连续餐厨垃圾厌氧消化中，总固体含量与氧气负荷之间的相互作用仍缺乏充分理解。这些发现表明，微曝气的效果强烈依赖于氧气投加量、底物性质和反应器运行条件。

微曝气的效果本质上具有剂量依赖性。适当的氧气输入可被兼性微生物迅速消耗，形成有利于水解和产酸作用的局部氧化还原梯度，同时保留厌氧产甲烷菌的生境。相比之下，过量的氧气可能抑制严格厌氧的产甲烷菌，促进有机碳的氧化矿化，并导致挥发性脂肪酸积累或甲烷产量降低[17]，[18]。因此，核心挑战在于确定一个合适的氧气负荷窗口，在增强水解的同时不破坏下游产甲烷作用。这一挑战在连续餐厨垃圾厌氧消化中尤为重要，因为加速的水解可能增加可溶性有机物和挥发性脂肪酸的形成，而产甲烷可能响应较慢，导致水解与产甲烷动力学之间的脱耦。尽管先前研究表明微曝气可以调控底物水解、挥发性脂肪酸产生、甲烷生成和微生物群落，但其效果强烈依赖于氧气输入和反应器运行条件[19]，[20]。当反应器负荷增加时，有利氧气输入范围是否变窄，以及这与上游底物转化和下游产甲烷之间的平衡如何关联，仍未得到充分表征。由于总固体和有机负荷率在许多实际高固体消化系统中共变，理解它们联合运行背景对于确定氧气输入策略很重要，而不过度地将观测响应归因于单一因素。因此，需要更好地理解对总固体依赖性的微曝气响应，以确定合适的氧气负荷窗口，同时避免对产甲烷产生不利影响。

在本研究中，在两种总固体水平（6%和10%）及不同微曝气负荷率下进行了餐厨垃圾连续厌氧消化实验。研究目标为：(i) 表征总固体含量为6%和10%时连续餐厨垃圾厌氧消化对增加氧气负荷的响应；(ii) 评估其对甲烷产量、工艺稳定性、挥发性脂肪酸动态、可溶性COD和木质纤维素降解的影响；(iii) 通过微生物群落和预测功能分析，建立对工艺响应的解释性框架。研究关注了在不同氧气负荷条件下上游底物转化增强与下游产甲烷维持之间的平衡。本研究在相似的名义有机负荷率（OLR）下表征了两种总固体条件下的响应，为选择氧气输入量以增强木质纤维素转化和甲烷回收同时维持稳定产甲烷作用提供了依据。

章节摘要

底物和接种物

为确保实验一致性，餐厨垃圾底物按白菜：芹菜：豆腐：肉类：米饭=2:2:1:1:2的比例配制。使用前，餐厨垃圾经切碎处理。所用餐厨垃圾的主要特征如下：总固体含量13.33% ± 0.84，挥发性固体95.22% ± 1.21（以总固体为基础），可溶性化学需氧量30550 ± 125.00 mg/L，pH 7.63 ± 0.12。接种物取自家庭废物厌氧消化的污泥，采自北京东村综合处理厂。

微曝气条件对餐厨垃圾甲烷产量的影响

图1研究了在不同氧气负荷下处理总固体含量为6%和10%餐厨垃圾的连续厌氧消化反应器产气量的影响。在总固体=6%时，氧气负荷为2.625和5.25 mLO₂/L_R/d时，沼气和甲烷产量均有所增加。甲烷产量分别达到561.9和560.2 mL/gVS_投入，而厌氧条件下为527.2 mL/gVS_投入。然而，将氧气负荷进一步增加至10.50 mLO₂/L_R/d时，甲烷产量明显下降至382.3 mL/gVS_投入，

结论

本研究表明，微曝气对连续餐厨垃圾厌氧消化的效果强烈依赖于氧气负荷和总固体含量。低氧气负荷2.625 mLO₂/L_R/d在两种总固体系统中均对甲烷产量和工艺稳定性产生了适度改善，而总固体=6%的系统可耐受更宽的氧气范围为2.625–5.25 mLO₂/L_R/d。在适当的微曝气条件下，木质纤维素降解得到促进，纤维素去除率达到60.16%，木质素去除率

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熊子瑜： 撰写——审阅与编辑，撰写——原始草稿，可视化，资源，形式化分析，数据整理。吴雨彤： 撰写——审阅与编辑，撰写——原始草稿，可视化。李静林： 软件，资源，形式化分析。蔡雅凡： 监督指导，调查研究，概念设计。孟星瑶： 撰写——原始草稿，资源，经费获取，数据整理。王盼： 验证，监督指导，调查研究。任连海： 项目管理，经费

利益冲突声明

作者声明他们不存在已知的竞争财务利益或个人关系，这些关系可能影响本论文中报告的工作。

致谢

项目资助来源：京津冀区域环境综合整治-国家重点研发计划（项目编号2025ZD1204504）；北京市自然科学基金（项目编号8254051）；中国机械工业集团有限公司第三批科研项目资助（项目编号ZDZX2024-51）；乐山市农业固体废物污染控制与碳中和技术工程中心开放项目（项目编号

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