一种用于厌氧共消化的创新多底物配比方法：从机理分析到实际验证

《Renewable Energy》：An innovative multiple substrates proportioning method for anaerobic co-digestion: from mechanism analysis to practical verification

　　

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  提出了一种用于厌氧共消化的创新比例配置方法。
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  碳水化合物：蛋白质：脂质的比例为6:3:1是甲烷生产的最佳组成。
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  最佳组成提高了沼气的甲烷/二氧化碳值。
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  "VS-蛋白质-脂质-木质素"是厌氧消化中碳水化合物的优化算法。
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  通过优化有机组成，有机负荷提高了100%。

引言

厌氧消化（AD）可以在处理有机废弃物的同时生产可再生清洁能源（即甲烷），因此在有机废弃物处置、应对化石能源危机和实现碳中和方面发挥着越来越重要的作用[1]。然而，单一原料的厌氧消化（即单消化）往往存在工艺不稳定、产气量低等缺点，从而削弱了相关的环境效益和经济效益[2]。相反，多种基质的厌氧共消化（AcoD）近年来引起了极大关注，因为它可以增强发酵过程的稳定性并提高甲烷产量，这种现象被称为"协同效应"[3]。然而，某些原料组合或某些基质比例无法实现协同效应[4]。换句话说，实现AcoD的协同效应需要适当的原料组合和混合比例。然而，AcoD的底物在组成和结构上存在很大差异。即使是同源的原料，也会因时空变化而显示出组成差异[5]。因此，建立调节AcoD中底物比例的框架是实现最高协同效应的关键。我们的文献综述发现，目前尚不存在比例规则[4]。鉴于大型沼气和生物甲烷设施的扩展以及AD原料的多样化[6]，原料比例配置已成为越来越关键的挑战。

在微生物发酵领域，碳氮比（C/N比）通常用作共消化的混合基础，20-30的区间被广泛认为是微生物生长和代谢的最佳范围[7]。然而，通过元分析，我们发现对应于最大协同效应的C/N比分布在一个更宽的6-33区间内[4]。换句话说，实现最大协同效应的C/N比在不同原料之间存在显著差异。因此，使用C/N比作为多基质AcoD协同效应的比例规则将缺乏足够的稳定性和准确性。这是因为相同元素具有不同的存在形式[8]。就碳元素而言，它同时存在于碳水化合物、蛋白质和脂质等典型有机成分中，而它们在厌氧消化中的性能存在显著差异。与C/N比相比，有机成分的比例是更具体、更准确的营养平衡参数，因为有机成分代表了元素的具体形式[9]。生物废弃物的有机成分，主要是碳水化合物、蛋白质和脂质，在一定程度上代表了底物的有机组成。同时，营养平衡也受到这三种有机成分的重大影响[10]。理论上，保持三种有机成分的平衡比例有望成为实现最大化协同效应这一总体目标的可靠方法。因此，基于三种有机成分的比例配置方法需要进一步建立和验证。

为进一步阐明有机成分的适当比例，研究人员开始关注基于模型化合物的有机组成对AD性能的影响。Sun等人[11]研究了脂质添加对城市有机废弃物AD的影响，发现最佳用量为60%（基于挥发性固体VS）。在废弃活性污泥与脂质的AcoD中[12]，以及牛粪与脂质的AcoD中[13]，也得出了相同的发现。除了脂质之外，Hua等人[14]和Ma等人[15]探索了木质纤维素成分的AcoD性能，但未涉及木质纤维素与其他成分之间的性能比较。Elbeshbishy和Nakhla[16]进行了碳水化合物和蛋白质的AcoD，发现碳水化合物与蛋白质的比例为4:1是最佳混合比例，甲烷产量最高为360 mL/g COD_added。然而，这些研究局限于二元有机成分的AcoD特性，未涉及三元成分的特性。因此，关于有机成分AcoD性能的研究仍然非常有限。一方面，模型化合物的选择会影响AD过程的结果，因此选择典型的模型化合物很重要。另一方面，缺乏三元有机成分的AcoD测试，不同有机成分之间的相互作用机制仍不清楚。最近，我们的团队对不同组合的二元有机成分进行了AcoD测试，以确定协同区间，并进一步验证其在不同负荷水平下的稳定性[17]。随后，我们从内源性抑制剂的主导趋势出发，探索并揭示了高负荷水平（4% VS）下二元有机成分的AcoD协同机制[18]。然而，实际原料通常同时具有多种有机成分，如碳水化合物、蛋白质和脂质。虽然二元测试奠定了基础，但三元系统中的协同效应和相互作用机制仍不清楚。因此，本研究开发了一种基于有机成分的多基质比例配置方法，用于厌氧共消化。虽然开发这种方法存在实际挑战，但它对于最大化甲烷产量和推进有机废弃物的可再生能源回收至关重要。

本研究追求四个主要目标：(1) 使用模型化合物表征三元共消化的最佳成分比例和协同区间；(2) 通过物质流和微生物群落分析揭示潜在的协同机制；(3) 使用实际原料的间歇和连续共消化测试验证这些优化比例；以及(4) 开发由有机成分平衡指导的多基质比例配置框架，以促进AcoD协同。

章节片段

底物与接种物

微晶纤维素、乳清蛋白和橄榄油分别作为碳水化合物、蛋白质和脂质的模型化合物[17]。六种常见原料（玉米秸秆、乳畜粪便、鸡粪、厨余垃圾、微藻和屠宰废弃物）用于验证实验，以测试基于模型化合物的优化比例，其组成特征如表1所示。最初来源于中温连续搅拌反应器。

有机成分间的协同效应区间分布

如图1a所示，在不同有机成分组成中，随着脂质比例的增加，甲烷产量增加，因为与碳水化合物和蛋白质相比，脂质由于特异性COD显著较高而具有更高的甲烷生产潜力[21]。然而，甲烷产量的等高线并没有随着脂质比例的变化而线性均匀地演变，而是呈现出凹-凸形状。这可归因于不同有机成分之间协同效应的差异。

结论

通过模型化合物的共消化测试，我们确定了有机成分之间的协同效应和协同区间。在碳水化合物：蛋白质：脂质的比例为6:3:1时，最大协同效应为1.23，这对应于最佳比例。根据底物降解效率和甲烷与二氧化碳的比值，可以推断协同效应的甲烷增量源于代谢途径的优化，而不是……

CRediT作者贡献声明

Jialiang Zhou：撰写-原稿、方法学、调查、形式分析、概念化。Siqi Ming：调查。Qianru Liu：调查。Yuanhui Zhang：撰写-审阅与编辑。Na Duan：撰写-审阅与编辑、概念化。

数据可用性

数据可按请求提供。

利益冲突声明

作者声明他们不存在已知的可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金（52306292）、中国博士后科学基金（资助号2023M73385）、中国国家重点研发计划（2022YFD1700700）以及中国农业大学2115人才发展计划的支持。

Jialiang Zhou|Siqi Ming|Qianru Liu|Yuanhui Zhang|Na Duan