不同有机负荷率和施加电压下高温、中温和低温对以酸化餐厨垃圾为底物的生物电化学强化厌氧消化系统性能的影响

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Impact of thermophilic, mesophilic, and psychrophilic temperatures on the performance of a bioelectrochemically enhanced anaerobic digestion system fed with acidified food waste at different organic loading rates and applied voltages

　　

- 嗜热BEAD实现了最高的sCOD去除率。
- 在嗜热条件下，CH?产量提高了8–30%。
- 嗜热BEAD可维持最高14 gsCOD/L/天的OLR。
- 产电条件改善了中温反应器的性能。
- 中温BEAD展现了最高的净总体能量收益。

**引言**

食物废物（FW）因其高含水率和易于降解的成分，是厌氧消化的理想基质[1], [2]。这些特性使其适用于在高有机负荷率（OLR）下运行。更高的OLR是 desirable 的，因为它们能增强体积甲烷产率，减少反应器占地面积和水力停留时间（HRT），从而改善整体工艺效率。然而，在如此条件下，FW的快速水解和酸化对常规单级厌氧消化系统构成了重大运行挑战。在高OLR下加速的发酵导致短链脂肪酸（SCFAs）积累、pH下降，进而抑制产甲烷活性，最终损害工艺稳定性并限制甲烷（CH?）产量[3]。因此，在高OLR下实现稳定高效的性能仍然是FW厌氧消化的一大挑战。

两级厌氧消化配置通过将产酸和产甲烷分别在独立反应器中进行，为这些局限性提供了一种切实可行的解决方案[4], [5], [6]。在第一级中，水解和产酸微生物将复杂有机物转化为富含SCFA的浸出液。在第二级中，产甲烷菌在更有利于产甲烷活性的条件下将这些中间产物转化为CH?。通过将这两个生物过程解耦，两级系统改善了工艺稳定性，降低了产甲烷反应器酸化的风险，并能以比常规单级系统更高的OLR和更短的HRT运行。

尽管具有这些优势，第二级产甲烷反应器仍可能是速率限制步骤，尤其是在进料酸化的SCFA高浓度物流并在高OLR下运行时[7], [8]。在此条件下，将SCFAs高效转化为CH?对维持反应器稳定性和防止SCFA积累至关重要。这就产生了一种需要在高负荷条件下强化产甲烷阶段并维持稳定底物转化的方法。为此，生物电化学增强厌氧消化（BEAD）作为一种在负荷条件下强化产甲烷阶段的有前景的方法应运而生。

在BEAD中，电活性微生物促进SCFAs的氧化并将电子转移至下游产甲烷途径，从而在常规种间氢转移之外开辟了额外的底物转化途径[9]。具体而言，产电细菌在外部施加电压下氧化电子供体并将电子转移至极化阳极[10]，随后电子被递送至阴极，通过CO?还原产生CH?[11]。这种基于阳极的电子转移过程被广泛定义为电极介导的直接种间电子转移机制（eDIET）[12], [13]。除了eDIET之外，导电材料还可以作为电导体（称为cDIET），通过促进微生物群体间的互养共生关系来促进电子转移[14], [15], [16]。因此，除了常规的间接种间电子转移（IIET）外，BEAD还引入了其他电子转移途径（eDIET和cDIET），这些途径可能增强底物转化和工艺稳定性。

以往关于BEAD的大多数研究都是在相对较低的OLR下使用合成或非酸化基质进行的，这未能充分代表水解和酸化食物废物高速处理中遇到的条件[15], [17], [18]。高SCFA负荷和快速的底物通量可以显著影响反应器稳定性并界定性能极限。因此，仍然需要系统评估关键运行参数（尤其是温度和施加电压）如何影响高负荷条件下BEAD的性能和可实现负荷率（OLR）。

温度是影响BEAD性能的关键运行参数，因为它控制微生物群落结构、底物转化动力学以及电活性和互养途径的相对贡献。在相对较低OLR下进行的先前研究普遍报告在中温条件下（30–35°C）产电活性增强，表明电活性生物膜在此温度范围内更为有利[19], [20], [21]。例如，Ahn等人[22]在固定施加电压0.3 V、低OLR 0.3 gsCODSCFA/L/天的条件下研究了使用酸化污泥的BEAD性能，报告35°C时的CH?产量（0.14 L/gsCODremoved）和电流密度（1.63 A/m3）高于40°C时的0.11 L/gsCODremoved和1.23 A/m3。温度升高时性能下降归因于产电活性降低。类似地，Kyazze等人[19]在OLR为2 gsCOD/L/天时观察到超过40°C后电活性下降，表明中温条件在低负荷率下普遍有利于电活性微生物活性。相比之下，在更高OLR条件下，已证明嗜热操作通过促进互养乙酸氧化和氢营养产甲烷来增强CH?产量[23], [24], [25]。值得注意的是，嗜热温度被已知可促进产乙酸菌的生长，后者增强将酸化成分氧化为乙酸、H?和CO?，而氢营养产甲烷菌迅速利用产生的H?和CO?生成CH?。例如，Yu等人[23]在OLR为13 gsCOD/L/天时使用SCFA/sCOD含量高达80%的酸化猪粪操作BEAD，观察到嗜热温度（45°C）下CH?产量是中温（35°C）的2.3倍。这一增强性能归因于互养乙酸氧化细菌（如Clostridium saudiense和Clostridium algeriensis）丰度增加，它们与氢营养产甲烷菌（如Methanothermobacter thermautotrophicus）建立互养关系。值得注意的是，在另一个极端，运行条件如嗜冷温度（<20°C）会导致微生物活性更慢、底物转化更低、产量更低（2-3倍），与中温和嗜热条件相比工艺稳定性更差[26], [27], [28], [29], [30], [31]。这些相互矛盾的观察表明，BEAD的最佳温度取决于负荷率和基质特性，因此应在与水解和酸化FW相关的高负荷条件下进行评估。然而，这些研究中的大多数使用的是非食物废物基质，限制了其对食物废物BEAD运行的直接适用性。因此，需要一项使用水解和酸化FW并进行类似温度序列（从中温到嗜热）的BEAD研究，以阐明其影响。

除温度外，施加电压是BEAD中的一个重要运行参数，因为它直接影响胞外电子转移和电活性生物膜的活性。多项研究表明，在中温条件下去除施加电压会降低CH?产量和底物去除率，而将电压增加到适度阈值以上通常提供的额外效益有限。相比之下，在高OLR下进行的研究仅报告了微弱的电压效应，表明当互养产乙酸和产甲烷占主导地位时，电极的贡献变为次要因素[32], [33], [34], [35]。例如，Joicy等人[15]研究了0、0.6和0.9 V的施加电压对BEAD在固定OLR 1.5 gsCOD/L/天和中温（35°C）下性能的影响，报告的CH?产量分别为0.233、0.285和0.315 L/gsCODremoved。在嗜冷条件下（20°C），OLR在0.4到1.65 gsCOD/L/天之间也观察到了类似趋势[36], [37]。然而，在高OLR下，增加施加电压并未观察到CH?产量的显著改善，表明施加电压的影响更多地取决于负荷率而非温度[23], [35]。例如，Yu等人[23]在中温35°C、OLR为6 gsCOD/L/天的条件下，以猪粪为进料研究了0.5 V、0.7 V、0.9 V和0 V施加电压对BEAD性能的影响。作者报告在所有施加电压条件下sCOD去除效率和CH?产量统计上相似（p > 0.05），范围在70%到75%和0.22 L/gsCODremoved到0.24 L/gsCODremoved之间。重要的是，这些研究中的大多数使用的是非酸化进料，且在相对较低的负荷率下进行，限制了其对水解和酸化FW系统的适用性。因此，施加电压在高负荷处理酸化FW下的影响仍然不清楚。

因此，本研究评估了在高OLR下使用水解和酸化FW浸出液运行的BEAD反应器的性能，主要目标是确定最大化BEAD性能的运行条件。反应器在中温（35°C）、嗜热（45°C）和嗜冷（15°C）条件下运行，施加电压固定在1.4 V。基于我们之前的研究选择最高施加电压1.4 V以克服BEAD系统中的电极过电位和内阻。避免使用更高电压（>1.5 V），因为存在增加能耗、微生物压力和生物外电化学反应的潜在风险，因为典型的热力学水分解电压为1.23 V。在每个温度下，OLR逐步增加超过10 gsCOD/L/天以确定可实现的最高稳定负荷率，同时监测底物去除和CH?产量。一旦确定了给定温度下的最高稳定OLR，就在该OLR下评估施加电压（1.0 V、0.6 V和0 V）的影响，以评估生物电化学增强的程度。最后，进行微生物群落分析以评估不同条件对产乙酸、产甲烷和电活性种群的影响。

**章节摘要**

**反应器设计**

BEAD反应器是一个玻璃制的圆柱形柱，总体积为1 L，工作体积为0.65 L（图1a）。反应器采用连续上流、无膜设计。钛网涂覆二氧化铱（IrO?）作为集电体，尺寸为120 mm（高）×20 mm（宽）×2 mm（厚）（图1b）。阳极和阴极室均填充了电导聚丙烯（cPP）生物环，内径为15 mm，

**sCOD去除效率**

表2比较了在嗜冷、中温和嗜热条件下运行的BEAD反应器在OLR为10到14 gsCOD/L/天时观察到的sCOD和SCFA去除效率。无论OLR如何，嗜热温度下BEAD的sCOD去除效率显著高于（p < 0.05）中温和嗜冷温度下观察到的水平。嗜热温度下BEAD反应器观察到的sCOD去除效率范围在97% ±

**展望**

在本研究中，使用水解和酸化FW浸出液成功优化了BEAD反应器，并在不同温度（中温、嗜热和嗜冷）和施加电压（1.4 V、1.0 V、0.6 V和0 V）下评估了其性能。

基于底物去除效率和CH?产量，BEAD系统在嗜热温度（45°C）下表现出最佳性能，其次是中温（35°C）和嗜冷温度（15°C）。CH?产量在

**结论**

本研究评估了BEAD系统在不同运行温度（15°C、35°C和45°C）和施加电压（0 V、0.6 V、1 V和1.4 V）下使用酸化FW浸出液的性能。值得注意的是，在恒定施加电压1.4 V下，嗜热条件（45°C）下的CH?产量比中温（35°C）和嗜冷（15°C）条件高出6-10%。此外，嗜热温度支持BEAD在更高有机负荷率（OLR）下运行，为

**利益冲突声明**

作者声明不存在已知可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

**致谢**

作者感谢加拿大科学与工程研究委员会（NSERC）和Kochar捐赠奖学金提供的财政支持。感谢Boris Tartakovsky博士（NRC，蒙特利尔）提供的支持。

V. Singh|B. ?rmeci|K. Venkiteshwaran|A. Hussain