厌氧消化系统酸化预警及调控技术研究进展_孟晓山.pdf

化工进展Chemical Industry and Engineering Progress2023 年第 42 卷第 3 期厌氧消化系统酸化预警及调控技术研究进展孟晓山，汤子健，陈琳，呼和涛力，周政忠（常州大学城乡矿山研究院，生物质高效炼制及高质化利用国家地方联合工程研究中心，江苏 常州 213164）摘要：厌氧消化是有机废弃物资源化利用的重要技术之一，但在实际工程运行中，由于物料特性以及操作参数等因素变化，易引起有机酸累积，造成系统产气率下降，甚至酸化失败问题。本文在总结国内外研究进展的基础上，简述了酸累积的危害，剖析了引起酸化的主要原因，并分别从酸化预警、酸化调控两方面总结了厌氧系统在酸化前后所需采取的应对措施，建议进一步加强酸化预警指标体系的完善，突破环境耐受型微生物菌群驯化技术瓶颈，同时开展基于内源酸碱缓冲体系增强厌氧系统抗冲击性能方面的研究，以期为提高厌氧消化反应器的处理效率和运行稳定性提供参考。关键词：厌氧消化；监测指标；酸化预警；调控技术；酸碱缓冲体系中图分类号：X705 文献标志码：A 文章编号：1000-6613（2023）03-1595-11Research progress of the early warning and regulation techniques for excessive acidification in the anaerobic digestion systemMENG Xiaoshan，TANG Zijian，CHEN Lin，HUHE Taoli，ZHOU Zhengzhong(National-Local Joint Engineering Research Center of Biomass Refining and High-Quality Utilization,Institute of Urban and Rural Mining,Changzhou University,Changzhou 213164,Jiangsu,China)Abstract:Anaerobic digestion(AD)is an important technology for the resource utilization of organic wastes.However,the fluctuations in the waste characteristics and operating parameters during the actual engineering operation might cause the accumulation of volatile fatty acid(VFAs),thereupon,resulting in the depression of biogas production and even the failure of AD due to over acidification.Based on the review of research progress both at home and abroad,this study describes the mischiefs of VFAs accumulation briefly,dissects the major causes of acid accumulation,and summarizes the counter measures from the two aspects of early-warning monitoring and regulation means required before and after acidification,respectively.Hereon,the authors suggest further strengthening the perfection of early-warning index system for the acidification during AD process,breaking through the bottlenecks of acclimation technology to obtain environment-tolerant type microbial flora,and researching the method based on endogenous acid-alkaline buffering system to reinforce the shock resistance of the AD reactor,attempting to provide some reference for enhancing the efficiency and stability of AD reactors in practice.Keywords:anaerobic digestion;monitoring indicators;acidification early warning;regulation technique;acid-alkaline buffer system综述与专论DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2022-0962收稿日期：2022-05-24；修改稿日期：2022-11-03。基金项目：常州市重点研发计划（应用基础）（CJ20210115）；江苏省高等学校基础科学（自然科学）面上项目（21KJB610004）；江苏省碳达峰碳中和科技创新专项（BE2022426）。第一作者：孟晓山（1988），男，博士，讲师，研究方向为生物质生化转化。E-mail：。通信作者：周政忠，博士，副教授，研究方向为水处理技术、膜分离技术与应用。E-mail：。引用本文：孟晓山,汤子健,陈琳,等.厌氧消化系统酸化预警及调控技术研究进展J.化工进展,2023,42(3):1595-1605.Citation：MENG Xiaoshan,TANG Zijian,CHEN Lin,et al.Research progress of the early warning and regulation techniques for excessive acidification in the anaerobic digestion systemJ.Chemical Industry and Engineering Progress,2023,42(3):1595-化工进展，2023，42（3）厌氧消化（anaerobic digestion，AD）是一种环境友好型有机废物资源化利用方法，削减污染的同时将有机废物转化为甲烷，可助力“双碳目标”实现1。其各阶段都对应着特定的微生物，它们有着不同的酸碱环境需求（图1），但之间仍能形成相互依存的微生物群落，进行着高度交互且有序的作用，共同维持着各反应之间的平衡，保持AD系统的稳定性，进而获得高容积产气率以及底物甲烷化率4。然而，反应器的运行效率往往受到多重因素影响，如原料性质、系统 pH、有机负荷（organic loading rate，OLR）、水 力 停 留 时 间（hydraulic retention time，HRT）以及毒性物质（氨氮、游离酸、硫化氢）累积等（图2）5。当系统运行状态发生变化时，特别是在高OLR或产甲烷菌受到胁迫下，系统中产甲烷菌的耗酸速度将明显慢于细菌的产酸速度，导致挥发性脂肪酸（volatile fatty acids，VFAs）不断积累。作为有机物甲烷化过程关键的中间代谢产物，VFAs的动态浓度直接关系到微生物的活性和产甲烷效率，进而影响厌氧反应器的稳定性和处理效率。当系统受到冲击负荷或毒性抑制，VFAs不能被及时代谢消耗并累积在反应器中，系统逐步酸化并反馈抑制产甲烷菌活性，如此恶性循环导致系统酸化崩溃1。因此，采取调控措施缓解酸抑制作用，可以恢复或提升AD产甲烷效率，对于有机废物减量化及二次污染防治具有重要意义。据报道，可通过监测系统理化指标对系统运行状态进行指示，并据此调整AD工艺参数以缓解酸化。VFAs浓度、氨氮浓度、pH、碱度、沼气产量及其成分等常规监测指标对系统酸化有一定的指示作用6，但存在明显的滞后性。当监测到这些参数波动时，系统可能已经发生了初步酸化，此时再进行工艺调整，无论是难度还是成本都将急剧增大2，需要对酸化预警进行系统性的研究，开发相应的调控技术，以长效保持沼气工程的稳定运行。随着相关研究的关注与深入，酸抑制的表现、形成机制、监测与应对均有一定的研究或报道，推图1厌氧消化过程2-3图2厌氧消化反应器运行效率影响因素 15962023年3月孟晓山等：厌氧消化系统酸化预警及调控技术研究进展动了酸化问题解析及应对技术的发展。本文将从AD系统酸化产生的原因与危害、预警方法体系、调控技术3个方面对近年来国内外相关研究进行归纳，以期为厌氧反应器酸化问题的科学、精准调控提供参考。1 酸化的危害及形成机制1.1 酸累积的危害受物料特性及操作参数波动的影响，系统中发酵产酸和产甲烷耗酸的平衡容易被打破，严重时出现VFAs的大量积累，超过了厌氧菌的承受能力，系统逐步酸化。酸化会直接抑制产甲烷菌活性，使菌群结构发生改变，古菌的数量逐渐减少直至系统完全崩溃。表1列举了不同底物AD过程遭遇的酸化情况，可见酸化存在于各种有机废物的AD过程中，以餐厨垃圾最为典型。酸化将导致系统pH降低15、沼气产率下降7、总固体（total solid，TS）和化学需氧量（chemical oxygen demand，COD）去除率均下降9,11等问题。此外，不同底物或者负荷下AD发生酸化时VFAs浓度有所不同，不同的运行模式酸化程度也不一致，连续式进料对系统的冲击相对较小，物质组成相对稳定，耐冲击负荷能力强，这可能与接种比（inoculum to substrate ratio，ISR）有关。低ISR下产甲烷微生物量少，使产甲烷成为限速步骤，VFAs浓度可能随之不断累积，增加酸化和酸抑制的风险，而高ISR中底物对系统的冲击负荷较低，水解酸化产生的VFAs能够及时被产甲烷古菌快速消耗，但较高的ISR会降低反应器的处理效率，ISR应根据的底物类型及组成来选择18。1.2 酸化的成因微生物对环境的适应能力不同，产乙酸菌的pH适应范围在4.08.5，而产甲烷菌最活跃和最佳的pH范围却在6.77.4和7.07.2之间，当pH低于6.3或高于7.8时，产甲烷速率可能会下降（图1）19-20。因此，系统环境的变化可能会扰乱微生物间的协同状态，一旦改变关键微生物的活性，系统将变得不稳定21。例如，系统pH降低会增加游离VFAs的比例，游离态VFAs进入细胞解离出的H+会造成细胞质的酸化，作为应对机制，细胞通过质子泵主动将H+运输到胞外，此过程产生额外的能量消耗会降低细胞的整体代谢水平5。长此以往，微生物的活性可能被完全抑制，进而造成系统的完全崩溃。此外，产甲烷菌不能直接利用丙酸、丁酸等VFAs，需要互营产乙酸菌将其进一步转化为乙酸、CO2和H2才能被古菌利用22，延长了产甲烷周期，不利于系统本身对酸化的解除。除VFAs外，氨氮也是AD中常见的抑制因素。含氮有机物在反应初期即释放大量的氨氮，以游离氨（free ammonia nitrogen，FAN）和 铵 离 子表1几种典型有机废弃物厌氧消化酸化情况底物餐厨垃圾餐厨垃圾餐厨垃圾餐厨垃圾屠宰废水鸡粪鸡粪猪粪杂交狼尾草稻草蔬菜废物运行模式半连续连续式半连续半连续连续式连续式半连续半连续连续式有机负荷0.63kg/(m3d)8.0kg/(m3d)7.5kg/(m3d)1.0g/(Ld)6.0g/(Ld)6.0g/(Ld)9.0g/(Ld)4.0g/(Ld)2.0g/(Ld)1.5g/(Ld)温度/36353837361262352553713713735挥发性脂肪酸浓度/mgL140834486.3120006126125002092525593521690833470355抑制效应沼气产率由93L/d降低至14L/d挥发性脂肪酸浓度由1991.6mg/L提升至4486.3mg/L挥发性悬浮固体的去除效率仅为19%容积产气率由6.4m3/(m3d)下降至3.75m3/(m3d)；甲烷体积分数由63.68%降低到46.75%；挥发性脂肪酸浓度由2700mg/L提升至6126mg/L化学需氧量去除率较53.6%减少66.23%挥发性脂肪酸浓度较1500mg/L提升92.83%；容积产气量由1.3L/(Ld)减少到停止产气甲烷体积分数由59.7%降低到20.1%；挥发性脂肪酸浓度由8607mg/L提升至25593mg/L挥发性脂肪酸浓度由200mg/L提升至5216mg/L；沼气产率由2.93L/(Ld)降低至1.99L/(Ld)挥发性脂肪酸浓度由593mg/L提升至9083mg/L；pH由7.25降低至5.0挥发性脂肪酸浓度由(1250312)mg/L升高至(3470355)mg/L；沼 气 产 量 由(30311.5)mL/(gd)降 低 至(42.07.8)mL/(gd)池容产气率由0.18L/(Ld)降低至0.12L/(Ld)直至产气停止参考文献7891011121314151617 化工进展，2023，42（3）（NH4+）形式存在系统中，造成甲烷产量减少50%的氨氮浓度，即半抑制浓度（IC50），范围为170014000mg/L，而FAN 仅需200mg/L，表现出更强的微生物毒性20。系统的pH升高会使NH4+向FAN转变，加倍抑制产甲烷菌活性，而水解酸化受氨氮影响较小，产酸与耗酸失衡，VFAs 逐步积累23。此外，高氨氮还抑制琥珀酰辅酶A基因的表达，阻遏丙酸降解利用24。氨抑制引起的酸累积进一步加剧了氨氮本身对产甲烷菌活性的抑制效果。2 酸化预警2.1 常规监测指标目前，在科研和实际工程生产中，pH、碱度、VFAs浓度、氨氮浓度、产气量及沼气成分等是重要的监测指标。在AD过程中，影响pH的直接因素主要有 VFAs、总氨氮（total ammonia nitrogen，TAN）和 碳 酸 氢 盐 碱 度（bicarbonate alkalinity，BA）等，在低缓冲能力体系中，OLR的升高会提升VFAs的含量，导致pH迅速下降，而在高缓冲体系中，则是小幅波动。高缓冲容量条件下，VFAs的 积 累 会 消 耗 BA，并 转 化 为 羧 酸 盐 碱 度（intermediate alkalinity，IA），即使发生VFAs积累，pH 也不会发生显著变化12。其中，IA 的波动与VFAs的变化呈正相关，在酸化引起系统崩溃时，IA浓度急剧增加13。同时，被消耗的碳酸氢盐会以CO2形式排放到气相中，使沼气中CO2浓度上升25。料液的挥发性固体（volatile solids，VS）7和氨氮浓度13也随着OLR的提高而升高，高浓度的氨氮一定程度上与酸性VFAs构成缓冲，保持pH相对稳定，但当VFAs消耗时，FAN浓度上升会对产甲烷产生更为不利的影响，产气量逐渐下降。可见，酸化会引起一系列的参数改变，并表现出一定的滞后性。2.2 酸化预警指标厌氧系统酸化失稳的诊断和预警一直是沼气工程化应用中的难题之一，因为并非所有的常规监测指标都能对系统酸化状态进行及时、准确的反馈，例如不同的厌氧体系对氨氮的耐受能力有所不同，且氨氮形态与系统pH直接相关；受操作及分析上的偶然误差，VFAs浓度有小幅波动属于正常现象，但出现明显累积时，说明微生物系统已经紊乱，VFAs监测表现出一定的滞后性；pH情况与VFAs类似；沼气中CH4浓度变化取决于底物类型、pH、产 甲 烷 菌 活 性 等 多 种 因 素25；总 碱 度（total alkalinity,TA）包含BA和部分的IA和氨氮碱度，只有当体系的pH降低至5.6以下时，TA水平才可能出现大幅度的降低而引起酸化10,17。随着研究的深入，酸化预警的方法变得更加多样，相比常规指标，复合指标有着更高的灵敏度。何清明等10表示以丙酸/乙酸、VFAs/BA等组合因子作为预警指标，具有指示性好和稳定性佳等特点，同时也能反映系统的代谢平衡状态和缓冲能力大小。陈琳等17则选取 CH4/CO2、丙酸、正/异丁酸、正/异戊酸、BA、BA/TA和IA/BA作为预警指标，可以分别提前18天、17天、15天、15天、13天、12 天和 12 天预警，而 pH 和氧化还原电位（oxidation reduction potential，ORP）的预警性较差。该课题组Li等25也得到一致的研究结果，并建议将CH4/CO2和VFAs/BA比值作为早期预警指标，因为比其他指标预警时间更短。然而，Ao等12表示CH4/CO2的指示信号过于敏感，系统的状态可能会被误判，而以ORP作为预警指标能提前5天。这样的结果可能是因为底物与系统构成的不同，导致了ORP的敏感性出现了差异，陈琳与Li等以碳水化合物含量多的蔬菜为底物，容易出现直接酸化，而Ao等以鸡粪为底物会释放更多的氨氮含量，引发氨抑制而导致酸累积甚至酸化。Sun等14表示以Pr/Ac浓度比值作为预警指标具有更高的灵敏度，但受限于监测设备的价格昂贵，而采用 IA/PA（partial alkalinity，部分碱度）也有很好的预警效果，可通过简单的酸碱滴定监测。可见，组合指标可以提供信息互补，更有效地监测反应器，在酸化预警中可以选取组合指标来提升预警的精准性与超前性，及时制定调控策略，改变工艺参数，阻遏AD系统酸化。除上述监测指标外，有研究提出一种热力学预警的方法，以吉布斯自由能变化作为预警指标，可以实现提前21天预警，同时在到达稳定运行的最大OLR时，自由能有明显的变化趋势，而其他监测指标无此特性15。磷酸酯酶是一种胞外酶，对底物变化敏感，彭绪亚课题组8以磷酸酯酶活性作为预警指标，可比VFAs、容积产气率和pH早两天预警，但磷酸酯酶活性会受到不同的底物和反应器影响。Leng等26设计了一种基于微生物燃料电池的生物传感器，最快实现了520min对VFAs浓度变化进行监测，推动了VFAs监测时效的改进，但检测系统容易受物理环境、化学环境因素的影响，使检测结果出现偏差而失真。15982023年3月孟晓山等：厌氧消化系统酸化预警及调控技术研究进展热力学、电化学等方法可以对稳定期进行预警，拓展了预警指标范围，未来还可以通过开发新的研究方法实现更多指标的监测，完善对厌氧系统的酸化预警监测和调控能力。此外，不同底物的预警参数体系变化灵敏度有所差异27，需要形成大数据系统供模拟计算，并制定适用于不同底物的预警指标体系指导手册，为研究人员在科研与工程上及时准确地选取预警指标提供一定的参考。3 酸化调控技术当酸化发生后需要一些调控手段来缓解系统的压力，使其能够恢复至稳定的产气状态。根据前期调研及文献分析，当前主要调控手段包括理化法和生物方法，前者主要包括调节pH改善微生物的酸碱环境（如添加碱性药剂）、改变进料频次或底物类型以及反应器类型等，后者包括菌群驯化、生物强化、改变代谢途径及提升种间电子传递效率等。3.1 理化方法3.1.1 酸碱调节缓解酸化常用的碱性药剂有NaHCO3、NaOH、Ca(OH)2、CaO2和Na2CO3等，通过中和VFAs快速遏制系统 pH 进一步下降。Valena 等28通过添加NaHCO3使pH稳定在6.57.2，而未填加的对照组pH降到了4.65.0。有研究显示，投加具有氧化性的CaO2会加速有机物的水解速率，反而增加VFAs的产量29。因此，在投加碱性药剂阻止酸化方法中，还要考虑投加碱性药物的种类。此外，Feng等30表示添加NaOH碱性药剂会产生Na+胁迫，抑制 乙 酸 营 养 型 产 甲 烷 菌 Methanosaeta 和Methanosarcina的生长，阻碍蛋白水解菌和产甲烷菌间的互营作用，导致乙酸积累。为此也有研究通过调节底物中蛋白质、脂质和碳水化合物等营养成分的比例，协调酸化与产甲烷反应之间平衡并增加系统的缓冲能力，控制FAN浓度，缓解由FAN抑制造成的VFAs积累31。投加重碳酸盐、磷酸盐等碱性药剂可以有效缓解酸化32，AD系统通常能够逐渐恢复，但高浓度的阳离子也会抑制产甲烷菌活性33，并且外源酸碱缓冲试剂只是暂时缓解了系统的酸化风险，没有对AD本身的缓冲体系进行强基固本，因为随着产甲烷逐渐恢复，VFAs的消耗会使pH和FAN浓度上升，同样不利于系统稳定。同时，碱性药剂的加入还增加沼液利用过程中的土壤盐碱化风险。因此，Guo等34通过添加2%屠宰场废水与污泥进行混合消化，增强碱性氨氮对酸性VFAs的缓冲以阻遏pH快速下降，但当增加OLR时，VFAs与氨氮浓度达到28.9g/L和4.0g/L，超过产甲烷古菌耐受能力，其活性被严重抑制。不难发现，氨氮碱度对缓解酸化作用常被忽视，碱度的缺失会引起系统酸化35。如图3(a)所示，王子月等35向酒糟引入猪粪共消化，由于猪粪能贡献丰富的氨氮碱度，其添加量增大时，酸碱体系逐渐从绿色的酸化区域向合适的缓冲区域后转移。Yu等36则指出碳酸氢盐与氨氮共同增强系统对VFAs的缓冲，代谢产生的CO2被捕捉与氨氮形成碳酸氢盐，当酸累积时通过质子化作用缓解pH急剧下降。基于此，以猪粪为底物AD实验，因氨氮抑制，8%含固率实验中VFAs浓度高达21.41g/L，而pH仅降至6.4，是由于较高的TAN浓度（3534mg/L）及初始碳酸氢盐8.4g/L与VFAs缓冲，保障了56天氨氮适应期微生物的酸碱微环境图3(b)，驯化后VFAs被代谢转化为甲烷，但更高的氨氮浓度会在VFAs减少后进一步引发游离氨抑制20。值得一提的是，Tian等37通过梯级驯化方式，产甲烷菌能够在大于7000mg/L TAN浓度下仍能保持较高的活性，为充分利用氨氮碱度提供借鉴。因此，为了恢复产气改善酸化问题，可在原料调质配伍和工艺优化方面对AD系统本身的酸碱缓冲性能进行强基固本，充分利用内源酸碱缓冲性能（图3），特别是氨氮、VFAs、碳酸氢盐之间的相互作用。其中，氨氮、VFAs和碳酸氢盐之间的缓冲反应如式(1)式(3)所示20。NH3H2O+CxCyCOOH NH+4+CxCyCOO+H2O (1)CxCyCOOH+HCO-3 CO2+CxCyCOO+H2O(2)NH3H2O+CO2 NH+4+HCO-3 (3)除了碱性化学试剂，一些具显碱性的材料也常被用来缓解系统酸化，如生物炭38-40和粉煤灰41等。生物炭中含有Ca、Mg、K等营养物质，以氧化物和碳酸盐的形式存在，能够提供一定的碱度。石笑羽等42利用添加生物炭使系统乙酸、丙酸与丁酸的峰值浓度降低了10%，VFAs峰值由1701mg/L降至1477mg/L。此外，生物炭还具有丰富的孔结构，能够固定功能微生物并提供有利的生长空间，同时也可以减轻毒素抑制的攻击，加速AD过程中产甲烷和产乙酸微生物之间的电子转移，促进对VFAs的降解38。Cui等43通过添加生物炭，诱导不同产甲烷途径关键酶的表达，改变产甲烷菌群结构，促进 化工进展，2023，42（3）了丁酸的降解利用。可见，生物炭可以有效缓解酸积累，还具有可重复利用和成本低等优点，有望在工程化反应器中使用，提高系统效率与稳定性。3.1.2 进料频次在半连续化AD工艺中，常常通过增加进料或者提高有机物浓度等方式提高OLR，而不同的进料频次可能造成微生物群落差异，影响产气率。高OLR下，低进料频率可能在短时间内造成较重的负荷冲击，导致系统快速酸化1。周慧敏等44表示每天进料1次时，VFAs峰值浓度为9000mg/L，而每天2次则降为6500mg/L，每天3次则4500mg/L，进料频次增加可有效降低 VFAs 峰值。Svensson等45表 示 每 天 进 料 1 次 时 丙 酸 的 浓 度 峰 值 为2500mg/L，而每2.4h进料1次时丙酸浓度始终保持在40mg/L以下。高进料频次可以有效降低消化系统的负荷冲击，使系统产生的VFAs能够被及时消耗。而较低OLR下，不同进料频次均未产生较重的负荷冲击，酸化现象一般不会出现16,44-45。因此，增加进料频次是较高OLR条件提高系统稳定性的一种方式，增加进料频率一定程度上可有效降低VFAs峰值浓度，防止酸化发生。当增加进料频次不能缓解酸化时，应该考虑降低OLR。3.1.3 混合发酵部分有机废弃物存在C/N比失衡和必要微量元素缺失的问题，不利于建立发酵产酸与产甲烷耗酸的平衡46。采用多种底物混合发酵则有助于基质中微生物营养的分配均衡，改善微生物的生长环境，提升产甲烷菌的生长和代谢能力，进而减少VFAs积累47。Borth等7通过在餐厨垃圾中添加园艺垃圾进行共消化，并在VFAs出现累积时添加碳酸钠提升系统碱度并降低OLR，共消化组的VFAs浓度由1406mg/L 降低至 234mg/L，而未填加园艺垃圾的VFAs浓度升至4083mg/L，产甲烷几乎停止。Jiang等48以单一底物糖蜜酒精废水进行AD，OLR上升至 7.5g/(Ld)时，VFAs 浓 度 由 118mg/L 上 升 至1403mg/L，而与木薯酒精废水共消化组中，VFAs浓度仅小幅上升到397.06mg/L。混合发酵可以促成各种底物AD过程各自限速步骤的互补，并对产甲烷菌等起到了毒性物质缓冲和稀释作用，进而提高系统的稳定性，减少酸积累，但混合发酵可能会受到原料来源的不稳定影响，在工程化应用前应当做好调研与原料调配工作。3.1.4 两相反应器单相 AD 的产酸菌与产甲烷菌在同一个反应器，如前文所述pH范围，产酸菌的耐酸能力要比产甲烷菌强，当水解速度过快引起pH下降则可能抑制产甲烷菌的活性。两相AD则将产酸阶段与产甲烷阶段分离，使它们各自在适宜的环境中生长和代谢，为产甲烷菌营造了适宜的酸碱微环境，并通过停留时间差异保持两相的物料平衡，极大提高了产甲烷菌活性与系统稳定性。Pasteris等49研究显示，单相AD反应器丙酸浓度达到2g/L即表现出酸抑制，而两相AD反应器VFAs峰值达到6.0g/L（其中乙酸4.5g/L）也未出现酸化现象。Shen等50指出在产酸阶段，高OLR2.0g/(Ld)下，单相消化OLR在3.5g/(Ld)时出现了酸抑制，系统中VFAs主要成分丙酸（占68.5%）的浓度达到1576.5mg/L，而两相反应器的OLR即使上升到10g/(Ld)时，丙图3不同底物高负荷厌氧消化中的酸碱缓冲体系相图及pH 16002023年3月孟晓山等：厌氧消化系统酸化预警及调控技术研究进展酸浓度也仅为601.9mg/L，说明两相AD比单相具有更高的解酸能力，能够在高OLR条件下稳定运行。3.2 生物方法3.2.1 功能菌群定向驯化系统环境变化会引起微生物的群落结构演变，部分微生物不能承受进料引起的高强度环境冲击，而其他微生物能够适应新的条件，并表现出更大的优势，成为优势菌群51。对产甲烷菌、互营产乙酸菌等微生物进行定向驯化，提升其环境耐受性，进而得到丰度更高的菌种，利用其提高对VFAs的降解能力。Lu等52采用半连续方式驯化提高木薯酒糟AD 性 能 实 验 中，使 乙 酸 营 养 型 产 甲 烷 菌Methanobacteriaceae丰度比对照组由11.25%提升至29.47%，VFAs 峰 值 浓 度 从 5329mg/L 减 少 至4341mg/L，丙酸浓度从2959mg/L减少至2134mg/L，取得了一定缓解效果。刘新媛等53通过批式实验驯化，使乙酸营养型产甲烷菌Methanosaeta、氢营养型产甲烷菌Methanospirillum和甲基或氢营养型产甲烷菌 Methanolinea 得到富集，其中 Methanolinea能够与丙酸氧化菌发生互营作用，促进丙酸向乙酸转化，并为古菌提供碳源，缓解VFAs的累积。诸多研究表明，微生物定向驯化是减缓酸抑制的有效途径之一，其过程中无需添加新的微生物和外源材料，操作简单，容易实现系统的长期稳定运行，但也存在驯化条件相对苛刻、时间和经济成本较高等缺点，工程化应用尚需时日。3.2.2 生物强化生物强化（bioaugmentation）是通过投加特定的微生物获得特定的功能，增强相关菌种的AD能力，缩短系统微生物对环境改变的响应及生长的时间，可用于增强系统对酸抑制的解除能力。一定程度上，生物强化也可以理解为微生物定向驯化后的一种应用。Li等54通过添加对丙酸降解菌驯化的厌氧污泥，在批试实验8天后，乙酸和丙酸浓度仅为200mg/L，而对照组的乙酸和丙酸浓度达到了1300mg/L和2500mg/L。Lu等55通过向发生酸化后的AD反应器中添加耐丁酸微生物，使得丁酸浓度从16.57g/L下降到5.06g/L，有效缓解VFAs积累对产甲烷菌的胁迫。Li等56也通过添加丙酸降解菌，增加氢营养型和乙酸营养型产甲烷菌和互营丙酸氧化细菌的丰度，反应器运行210天后，VFAs浓度仍保持在 1001800mg/L，低于对照组的 4802900mg/L。添加强化后的微生物可以强化菌群功能，消耗VFAs或耐受氨氮等抑制因子，提高反应器对酸的耐受及抗冲击能力。当然，生物强化时还要考虑控制pH和VFAs浓度在合理的范围内，保障被投加微生物正常的生理功能，展示强化系统代谢的作用，使反应器状态能够持续、稳定得到改善57。虽然生物强化可以改善AD系统的稳定性，但生物定向培养时需要耗费营养药剂与多达几个月的时间，应用时还面临菌群内淘汰和被土著微生物排挤等问题，严重增加成本的投入。3.2.3 改变代谢途径AD过程约有70%甲烷来自乙酸利用型产甲烷途径，其他主要来源于H2和CO2的合成。乙酸营养型产甲烷菌比氢营养型产甲烷菌表现出更高的代谢效率，但环境受限时氢营养型产甲烷菌比乙酸营养型产甲烷菌具有更高的耐受性，在不利条件下代谢途径更容易向氢营养型转变58。诱导代谢途径向乙酸营养型产甲烷方向转变，能够有效提升代谢效率，减缓系统酸化。Bi等59采用原位氨气汽提技术降低氨抑制，使产甲烷途径由CO2还原型向乙酸营养型转变，提高了乙酸营养型和氢营养型产甲烷菌活性，使系统VFAs浓度减少30%。质子泵抑制剂（proton pump inhibitor，PPI）能够缓解质子泵过活化，Yu等60通过添加PPI缓解了氨氮对AD中乙酰辅酶A相关乙酸代谢的抑制，减少了转移质子和K+时能量的消耗，增加了乙酸营养型产甲烷菌的代谢能力。Shi等61研究表明乙醇发酵型AD可以减少CO2的逸出，使其以碳酸氢盐形式保留在系统中降低酸性物质对微生物的抑制作用，通过将两相反应器产酸阶段pH控制在4.0左右，诱导形成乙醇发酵型AD，有效阻止了系统酸化。此外，Yang等62表示不同的底物成分可以影响底物的转化途径、引起微生物结构和代谢途径的改变，研究结果显示，底物为猪肉的反应器中，氢营养型产甲烷菌的丰度比乙酸营养型产甲烷菌的丰度高17.0%，而以米饭、卷心菜、香蕉皮和模拟餐厨垃圾为底物的反应器中，乙酸营养型产甲烷菌的丰度远高于氢营养型产甲烷菌的丰度。由此，对底物进行科学的调质配伍可以使代谢途径向乙酸发酵型转变，从而降低丙酸累积，提升甲烷产率。3.2.4 促进种间直接电子转移微生物种间电子传递（interspecies electron transfer，IET）是指电子供体微生物与电子受体微生物之间通过直接或间接方式传递电子形成互营生长关系，从而共同完成单一微生物不能完成的代谢 化工进展，2023，42（3）过程的现象，而在AD中，微生物不同功能菌群间的IET往往决定了产甲烷的效率。IET主要包括3种 形 式：种 间 氢 转 移（interspecies hydrogen transfer，IHT）、种间甲酸转移（interspecies formic acid transfer，IFT）和种间直接电子转移（direct interspecies electron transfer，DIET）。IHT和IFT效率受到氢分压影响，高氢分压会抑制丙酸和丁酸的降解63-64，而DIET则可通过微生物的结构作为电子转移的中间体，如导电菌毛、c型细胞色素等功能蛋白和导电材料（铁/碳材料等）。与IHT和IFT相比，DIET具有更为高效的传递效率，并且能量需求更低39。近几年，为了强化DIET，研究发现有些导电材料也能像导电菌毛进行电子传递，可以提高产甲烷效率。刘慧敏等22通过添加针铁矿强化 DIET，提高了氢营养型产甲烷菌Methanobacterium 丰度，促进Methanobacterium与互营乙酸氧化菌耦合生长，缓解体系中乙酸累积对产甲烷菌的抑制效应。Zhang等63通过添加石墨毡提高电子转移效率，通过互营作用使丙酸和丁酸的含量比对照组分别降低了46%和47.4%。Zhao等65通过添加导电碳布，使反应即使在高氢分压（17.23kPa）条件下，互营代谢仍未受到影响，在批式实验中，丁酸被完全消耗的时间比对照组快了8天。此外，还有研究表示乙醇可以刺激菌落来强化DIET，乙醇氧化产生的能量可以使细菌克服丙酸和丁酸协同氧化的热力学限制，加快有机酸的分解速率66。虽然AD过程中DIET研究取得了很大进展，已确 认 能 进 行 DIET 的 微 生 物 主 要 为 地 杆 菌（Geobacter），但其在混合培养体系中的代谢途径还不明确，同时其他微生物是否也能利用导电材料进行DIET尚不清楚，影响DIET的因素还需深入研究。此外，使用导电材料的成本、回收利用技术以及进入系统后对沼液沼渣的后续处理有待评估与研究。3.3 其他方法微量元素是生物酶必要的营养物质，微量元素的缺乏会影响厌氧微生物的生长及正常生理代谢功能。添加微量元素可以增加酶的活性，提高微生物的代谢能力，同时也能强化DIET能力。零价铁可以作为电子的给体，降低厌氧系统ORP，提高乙酸转化率，增强酸化酶的活性，析氢溶解后以微量元素形式促进微生物的成长67。铁元素还能刺激丙酸氧化菌丰度的提升，即使在高游离氨胁迫下仍能使累积的丙酸向乙酸和H2转化，减少丙酸的积累，提高猪粪的产甲烷潜势68。Kong等69通过添加零价铁来促进丁酸转化和增强产甲烷菌活性，使丁酸的占比从30%40%降至0。Zhang等70通过添加高铁酸钴基纳米颗粒（CoAl0.2Fe1.8O4），丙酸在第2天开始快速降解，含量较对照组降低 10.26%。因此，在酸累积甚至系统酸化时，可以添加微量元素促进DIET，增加产甲烷菌的活性，消耗VFAs，改善产气效率，直至酸化解除。近年来，随着微生物电化学技术的发展，也有研究者提出通过生物电化学法强化DIET。生物电化学法是通过外加电压的方式帮助电子转移，提高微生物的电化学活性。Jiang等9采用外加电压的方法，控制VFAs浓度始终低于6000g/L，而对照组的超过12000g/L。此外，还有研究通过添加谷胱甘肽使 互 营 乙 酸 氧 化 细 菌 Pelotomaculum 的 丰 度 从0.53%增加到6.11%，促进丙酸和丁酸的降解以降低VFAs在AD系统中的赋存71。4 结语与展望厌氧消化作为有机废弃物资源化利用和无害化处理的有效手段，原料波动及操作管理水平引起的系统酸化问题却成为了工程化厌氧反应器长效运行的瓶颈之一。考虑到酸化成因及酸化系统的特殊性与复杂性，依据国内外已有研究成果以及我国有机废弃物组成与区域分布特点，仍有必要进一步开展酸化预警及调控技术的研发与应用，认为以下几个方面值得深入研究。（1）在原料波动、负荷变化下，深入研究系统运行状态与理化参数之间的内在关联，并结合数学模型、大数据分析、机器学习等对酸化形成与解除过程进行解析，加强沼气工程甲烷浓度、乙酸/丙酸、碱度等关键预警参数的在线监测，并与pH、氨氮、OLR等其他参数关联分析，进一步完善酸化预警指标体系，力争在酸化潜伏期采取合适的调控措施；同时开发相关预警指标的低成本实时检测技术，推动沼气工程的智能化监控与管理。（2）深入开展AD酸碱缓冲体系的研究，重视氨氮对碱度的贡献，突破其负面影响，原位构建“氨氮-VFAs-碳酸盐”缓冲体系，形成具有耐