微生物代謝視角下粉末活性炭通過緩解酸化提高城市有機固廢厭氧共消化甲烷生產(chǎn)力

馬佳瑩，魏華煒，蘇應(yīng)龍，顧聞超，汪冰寒，謝 冰

（1.華東師范大學(xué)生態(tài)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院上海有機固廢生物轉(zhuǎn)化工程技術(shù)研究中心，上海 200241；2. 華東師范大學(xué)生態(tài)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 上海市城市化生態(tài)過程與生態(tài)恢復(fù)重點實驗室，上海200241；3.華東師范大學(xué)納光電集成與先進裝備教育部工程研究中心，上海 200241；4.上海污染控制與生態(tài)安全研究院，上海 200092）

譯者： 馬佳瑩；審查： 謝 冰；單位： 華東師范大學(xué)生態(tài)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院

1 研究亮點

*粉末活性炭（PAC） 提高甲烷生產(chǎn)力的能力優(yōu)于顆?；钚蕴浚℅AC）；

*PAC 通過加速揮發(fā)性脂肪酸（VFAs） 消耗顯著緩解酸化現(xiàn)象；

*PAC 促進參與VFAs 消耗和直接種間電子傳遞過程微生物的富集；

*GAC 和PAC 均促進氫營養(yǎng)型和乙酸營養(yǎng)型途徑。

2 背景

隨著我國社會經(jīng)濟和城市化進程的快速發(fā)展，特別是實行垃圾分類以來，城市有機固廢（餐飲和廚余垃圾） 清運量迅速增長。餐飲和廚余垃圾的主要特點是有機物含量高、含水率高，極易變質(zhì)、腐爛，若處理不當(dāng)會造成資源浪費和環(huán)境污染等問題。厭氧消化不僅能夠?qū)崿F(xiàn)有機固廢的穩(wěn)定化，還可產(chǎn)生生物氫和甲烷，實現(xiàn)能源回收。將餐飲和廚余垃圾聯(lián)合的厭氧共消化能夠同時實現(xiàn)兩種廢棄物的資源化處理，還能夠促進甲烷產(chǎn)生量提升。然而當(dāng)系統(tǒng)中有機物含量過高時，VFAs 快速積累導(dǎo)致pH 下降，從而影響厭氧消化產(chǎn)甲烷穩(wěn)定性和效率。碳基材料（如PAC/GAC） 能夠促進微生物生長和直接電子傳遞，以加速VFAs 降解，縮短產(chǎn)甲烷滯后期。然而，碳基材料對甲烷產(chǎn)生過程和其誘導(dǎo)的直接電子傳遞機制的研究尚缺少。因此，本研究比較了兩種不同粒徑的活性炭對有機固廢厭氧共消化的影響。

3 研究方法

在小試反應(yīng)器中進行餐廚垃圾與果蔬垃圾批式中溫厭氧共消化，反應(yīng)開始前添加不同劑量（5 g/L 和10 g/L） 的GAC 和PAC。厭氧共消化共進行85 d，過程中測定產(chǎn)氣、VFAs 和消化液性質(zhì)，通過高通量和宏基因組測序分析厭氧消化穩(wěn)定期微生物群落結(jié)構(gòu)和甲烷代謝途徑。

4 主要研究結(jié)果

兩種劑量的GAC 和PAC 添加均能夠提高甲烷產(chǎn)生量，并縮短產(chǎn)甲烷滯后期，且PAC 的提升效果優(yōu)于GAC。最高累積甲烷產(chǎn)生量和最短產(chǎn)甲烷滯后期在5 g/L PAC 和10 g/L PAC 組得到，相比于對照組分別增加了22.0%和縮短了62.5%。PAC 通過顯著加速VFAs 的消耗緩解酸化，從而促進甲烷產(chǎn)生。PAC 促進互營VFAs 氧化細菌（Gelria 和Syntrophomonas） 以及與種間直接電子傳遞相關(guān)的微生物（Geobacter 和Methanosarcina） 的富集，以加速VFAs 消耗。宏基因組學(xué)分析表明，GAC 和PAC 均可能通過充當(dāng)電橋來促進微生物間的電子傳遞，并增強氫營養(yǎng)型和乙酸營養(yǎng)型甲烷產(chǎn)生。

5 結(jié)論與展望

本研究發(fā)現(xiàn)PAC 提高厭氧共消化甲烷產(chǎn)生的表現(xiàn)顯著優(yōu)于GAC。PAC 通過改善微生物群落和促進物質(zhì)和電子傳遞，促進甲烷化代謝過程。未來可進一步關(guān)注PAC 對有機固廢連續(xù)厭氧消化過程VFAs 降解和甲烷代謝的影響，以應(yīng)用于高有機負荷下酸化危機的解除和甲烷產(chǎn)生的提升。