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力

馬佳瑩，魏華煒，蘇應龍，顧聞超，汪冰寒，謝 冰

（1.華東師范大學生態與環境科學學院上海有機固廢生物轉化工程技術研究中心，上海 200241；2. 華東師范大學生態與環境科學學院 上海市城市化生態過程與生態恢復重點實驗室，上海200241；3.華東師范大學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： 華東師范大學生態與環境科學學院

1 研究亮點

*粉末活性炭（PAC） 提高甲烷生產力的能力優于顆粒活性炭（GAC）；

*PAC 通過加速揮發性脂肪酸（VFAs） 消耗顯著緩解酸化現象；

*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 均促進氫營養型和乙酸營養型途徑。

2 背景

隨著我國社會經濟和城市化進程的快速發展，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、腐爛，若處理不當會造成資源浪費和環境污染等問題。厭氧消化不僅能夠實現有機固廢的穩定化，還可產生生物氫和甲烷，實現能源回收。將餐飲和廚余垃圾聯合的厭氧共消化能夠同時實現兩種廢棄物的資源化處理，還能夠促進甲烷產生量提升。然而當系統中有機物含量過高時，VFAs 快速積累導致pH 下降，從而影響厭氧消化產甲烷穩定性和效率。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，縮短產甲烷滯后期。然而，碳基材料對甲烷產生過程和其誘導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

在小試反應器中進行餐廚垃圾與果蔬垃圾批式中溫厭氧共消化，反應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，過程中測定產氣、VFAs 和消化液性質，通過高通量和宏基因組測序分析厭氧消化穩定期微生物群落結構和甲烷代謝途徑。

4 主要研究結果

兩種劑量的GAC 和PAC 添加均能夠提高甲烷產生量，并縮短產甲烷滯后期，且PAC 的提升效果優于GAC。最高累積甲烷產生量和最短產甲烷滯后期在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的微生物（Geobacter 和Methanosarcina） 的富集，以加速VFAs 消耗。宏基因組學分析表明，GAC 和PAC 均可能通過充當電橋來促進微生物間的電子傳遞，并增強氫營養型和乙酸營養型甲烷產生。

5 結論與展望

本研究發現PAC 提高厭氧共消化甲烷產生的表現顯著優于GAC。PAC 通過改善微生物群落和促進物質和電子傳遞，促進甲烷化代謝過程。未來可進一步關注PAC 對有機固廢連續厭氧消化過程VFAs 降解和甲烷代謝的影響，以應用于高有機負荷下酸化危機的解除和甲烷產生的提升。