厌氧消化过程

厌氧消化（anaerobic digestion，AD）是一个串联有序的生化代谢过程，系统中的有机物相继经过水解、酸化、产氢产乙酸和产甲烷四个阶段进行降解，最终转化为甲烷（如图1所示）。

在AD过程中，厌氧微生物是维持系统不变的主题。四个阶段有各自的职能微生物。

其中，水解酸化菌多样性最大，在反映器中丰度也通常是最高的，在以易降解有机物为底物的AD系统内，此两阶段通
Ｄ芄患本缃。负荷过高时，该阶段的急剧代谢产生大量挥发性脂肪酸（volatile fattyacids，VFAs）无法被后续阶段实时利用，则可能造成酸抑造。相比之下，若底物中木质纤维素类难降解有机物多或有机质被胞表聚合物(extracellular polymeric substances，EPS)等包裹，导致微生物可及性差时，该阶段则会成为限速步骤。在此情景下，对底物发展预处置，强化其生物可及性，对产气效能及速度的提升至关沉要。另一方面，将易降解及难降解有机物互混共发酵也对提升系统不变性拥有积极作用。

产氢产乙酸菌多样性最幼且该阶段的生化反映在标况下(298.15K，1atm)热力学不成行，降低H2分压能够推进该阶段反映的正向进行，但依赖与耗氢微生物的互营共生。一旦H2颠簸，该阶段的代谢即可能碰壁。直接种间电子传递(direct interspecies electron transfer，DIET)蹊径不依赖H2为电子受体，能够投加导电资料来强化，助力将电子直接转移到产甲烷菌中，使甲烷出产在热力学和代谢方面更具优势，迅速成为钻研热点。

甲烷菌是古菌，它们通常依赖四氢甲蝶呤、甲烷氟醚、辅酶F420、HS-辅酶B、辅酶M等辅酶，将前一阶段产生的单一底物转化为甲烷。辅酶的活性中心有Fe、Co、Mo、Ni、Se等金属离子，因而该类微生物的降解代谢离不开这些离子。另一方面，甲烷菌由于细胞壁不足肽聚糖，这使得它们往往对酸、氨等抑造物的敏感水平更高，诸如高耐受性甲烷菌生物强化、补充微量金属元素等解抑增效伎俩都被宽泛钻研以提高该阶段的鲁棒性。

综上，共消化、底物预处置有助于改善底物的生物降解个性，平衡营养；导电资料等增长剂的投放有望诱导新的电子传递通路，预防传统AD中产氢产乙酸阶段的热力学不成行问题；痕量元素投加及生物强化多旨在强化产甲烷阶段。对此，后文将针对这些方向的钻研进展进行逐一总结和分析会商。

厌氧消化过程强化

已实现：40%/////////

共消化

共消化是改善甲烷出产和维持AD整体机能不变的有效措施。使用单一底物的AD系统，时时因营养物质失衡、沉金属的存在、必要的微量元素不足等，造成反映器过程不变性差和甲烷产量低的后果。而共消化通过向反映器中同时投加两种或多种底物达到平衡营养、稀释抑造物等成效，从而克服单消化系统的限度。

通过文件调研分析可知，与单消化相比，共消化可将系统的甲烷产率提升7.3~196%。提升成效的差距可能与共消化底物的适配性及互混比的选择有关。适配性方面，通常难降解底物与易降解底物(如农业废料与餐厨垃圾)、高缓冲容量与低缓冲容量底物(如禽畜粪便与果蔬垃圾)、高C/N与低C/N底物(如秸秆类废料与禽畜粪便)等共消化拥有更好的成效，即需遵循互补准则。互混比也是类似的，在最佳混合比下能力达到互补的主张，不然仍可能出现不匹配的情况。确定拟选择的共消化底物后，可通过生化产甲烷潜能尝试得出各底物的产气个性和最佳混合比。

共消化往往涉及多类底物的运输和预处置，相应的成本增长是工程利用中的一大挑战。甚至对于秸秆等季节性底物，还必要思考存储成本。借用信息化技术矫捷调整季节性底物的共消化也许是一个钻研方向。好比肯定的区域内可能存在多类种植废料，其产生季节是分歧的，网络区域内所有底物的产量、产生季节、可消化性等数据后，也许能够矫捷调整AD场的底物类别，实细髦植废料全量处置且尽量在产生季节处置，削减贮存。

当然这必要依赖信息化技术的支持，且区域协同治理也是必不成少的。除机能提升和成本考量表，共消化系统选择时还要把稳预防潜在的安全风险。如有钻研发现渗沥液和餐厨垃圾共消化能够显著提高餐厨垃圾AD的效能和过程不变性，但渗沥液作为一种高浓度废水，富含多种传染物，将其引入生物质废猜中是否会给沼渣、沼液的资源化带来风险存在争议。又如藻类生物质与城市固体废料共消化被指出可能引发H2S毒性。

预处置

预处置战术重要针对底物中复杂的有机物，例如纤维素、半纤维素、木质素、EPS、脂质等。水解阶段通常被以为是难降解有机物AD过程的限速步骤，底物预处置有助于将复杂的有机物转变为易溶化的单一组分。预处置能够加快有机物水解和提高生物降解，对优化AD机能拥有积极作用。

预处置的技术有好多，通常分为物理、化学、生物以及结合预处置（如图2所示）。

物理步骤旨在减幼粒径和结晶度，扭转物料微观结构，增长基质与微生物之间的接触面积，加强水解酸化过程；化学步骤通过额表增长酸、碱、氧化剂、有机溶剂等化学药剂粉碎微生物细胞和有机物结构以增长溶化，改善可生化性；生物步骤重要依赖于真菌、细菌或各类活性酶预处置增长有机物去除并推进其消化，缩短后续发酵功夫；拥有多种预处置组合效益的结合预处置能够增长有机物溶化、削减能耗、改善甲烷产量，与单独的预处置步骤相比，其拥有更优的AD机能强化潜能。在评价预处置技术时，应该多思考涉及的高能耗、高成本等限度成分。

例如，超声、热预处置睬增长能源亏损，化学预处置睬增长持续的药剂成本。为了降低预处置成本，整个过程中输入的能量必须幼于输出的能量，以实现能源和经济平衡。另表，将来的钻研中，应侧沉于从环境、经济等多角度对预处置技术进行对比钻研，寻找一种宽泛合用的高效、低成本的预处置技术，这将推动预处置技术向贸易化利用迈进。

AD技术能够实现有机垃圾减量化、资源化和无害化利用，但存在产气效能低、过程不变性差的技术瓶颈。采取共消化、预处置、增长剂和生物强化等战术能够有效强化AD过程，保障系统不变、高效运行，对进一步提高系统机能拥有沉要意思。为了机能强化战术实现推广与利用，今后的钻研必要把稳以下几个方面。

（一）不休优化AD机能强化战术（共基质适配杜纂互混比、预处置技术选择、增长剂类别、强化微生物定殖、传统工艺优化等），推进尝试室利用走向工业化利用。

（二）在机能强化技术改善AD工艺中增长全性命周期评估，有利于其开发与利用。

（三）沉点关注机能强化技术的安全问题和生态毒性，预防造成二次传染。

（四）增长经济成本的思考，确保强化工艺可行性和可持续性。

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编纂｜吴幼清