文章信息
通讯作者：潘小芳，叶志隆
通讯单位：中国科学院城市环境研究所
亮点
• 厌氧消化池中投加nZVI对产甲烷的提升作用归因于多重作用机制。
• Methanobacterium丰度的增加和Wood-Ljungdahl途径提升了厌氧系统的耐氨性能。
研究进展
推进“厕所革命”建设是实现联合国可持续发展目标之改善发展中国家“饮用水和公共卫生”的重要举措。通过厌氧生物处理技术实现厕所粪便的能源化资源化是当前的研究趋势。研究团队前期的研究发现，将厕所粪便与厨余垃圾混合底物TS含量提高到25%，甲烷含量显著提高16.28%，与对照组相比，使用nZVI（296.64 mL/gVS）时的产量（257.47 mL/gVS），是Fe3O4加药体系的1.12倍（266.91 mL/gVS）（Yusuf et al.，2024）。然而，由于水解缓慢，导致厌氧消化过程中的抑制因子（挥发酸VFAs和总氨氮（TAN））的累积，同时反应需要较长的停滞期（≥30天），因此该方案在实际应用中具有一定的局限性。
图1 图文摘要
图2 高固厌氧反应装置
图3 沼液回流耦合nZVI添加的粪便与厨余垃圾高固厌氧共消化系统中日甲烷产率（a），累积甲烷产率及模型拟合曲线（b），有机固体去除率（c）
图4 沼液回流耦合nZVI添加的粪便与厨余垃圾高固厌氧共消化系统中VFAs变化
为了揭示nZVI的投加对高固厌氧消化过程中功能微生物的作用，研究分析了三个反应体系中厌氧消化前后细菌和古菌群落结构的变化以及不同体系中主导菌群的差异（图5），结果表明，nZVI的加入，重塑了厌氧系统的微生物结构，PnZVI in P系统中，Clostridium_sensu_stricto_1和Proteiniphilum的丰度显著提升，达到53.35%和27.18%，Corynebacterium的丰度下降至6.31%。此外，三个体系中细菌的结构存在显著性差异（P<0.01），尤其在nZVI投加消化池的系统中。在PnZVI in D系统中Clostridium_sensu_stricto_1是主导的微生物菌群，其丰度是对照组中的11.71倍。pH值可能是成因之一。前期的研究也证明，导电材料（包括nZVI）在厌氧体系中的投加，更易于形成稳定的最适pH值，较容易被消耗的挥发酸组成（乙酸和丁酸）。Clostridium_sensu_stricto_1的存在可以提升系统中产乙酸性能，此外，前期研究还发现，Clostridium_sensu_stricto_1可在导电材料存在的系统中，与具有直接电子传递（DIET）潜力的产甲烷菌共同作用，通过DIET途径实现有机物的降解，从而大幅提高厌氧系统产甲烷效率。
古菌群落分析结果也发现，原始料液中，Methanobacterium和Methanosaeta是主导菌群。由于Methanosaeta对VFAs和氨氮浓度都较为敏感，厌氧消化过程结束后，三个系统中Methanosaeta的丰度呈现显著下降。而混合营养型的Methanosarcina丰度有了显著提升，且在PnZVI in D系统中主导的乙酸产甲烷路径的功能菌群。
图5 属水平细菌群落结构左图（a），PnZVI in P和Pcontrol属水平费希尔检测左图（b），PnZVI in D和Pcontrol属水平费希尔检测左图（c）。属水平细菌群落结构右图（a），PnZVI in P和Pcontrol属水平费希尔检测右图（b），PnZVI in D和Pcontrol属水平费希尔检测右图（c）细菌结构中的“others”代表相对丰度<0.5%的菌群。
图6 关键的KEGG碳代谢途径及其对应的KEGG模块表达（a），KEGG模块的相对丰度（b）
图7 厕所粪便与厨余垃圾高固厌氧消化过程中，沼液回流耦合添加nZVI提高甲烷产量的作用机理，nZVI投加在厌氧消化池中（a）和nZVI在沼液回流池中（b）
作者介绍
叶志隆，博士，中国科学院城市环境研究所研究员，博士生导师，城市环境工程与循环经济研究中心主任。在Water Research、Chemical Engineering Journal等国内外主流期刊上发表论文80余篇。申请专利10余件，其中授权专利10件。作为项目负责人承担国家重点研发课题、国家自然科学基金、科技部国际合作专项的任务、福建省科技项目、厦门科技计划和企业技术研发项目20余项。入选福建省、厦门市高层次人才。研究领域包括废水养分资源回收、固体废弃物处置、垃圾分类等。
通讯邮箱：zlye@iue.ac.cn
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