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创新点

本研究以城市剩余污泥为底物，采用碱预处理联合酵母发酵产丙三醇的方法，加快厌氧消化过程中直接种间电子传递(DIET)路径的建立，提高厌氧消化产甲烷效率。研究确定了丙三醇发酵时间、酵母菌添加量和碱预处理时间，探究了碱预处理联合酵母发酵产丙三醇对厌氧消化性能的影响和微生物群落结构变化，并通过电子转移系数(ETC)评估污泥的电子转移效率。本研究可为城市剩余污泥高效厌氧产甲烷提供参考。

通讯作者简介

李杨副教授

李杨，博士，大连理工大学副教授。主要研究方向为有机废水及固体废弃物厌氧生物处理及资源化利用。主持国家重点研发计划子课题、国家自然科学基金项目、校企合作项目等6项，参与各类省部级以上项目10余项；以第一或通讯作者在Environmental Science & Technology、Water Research等环境领域一流期刊发表论文20余篇（SCI JCR-Q1），以其他作者身份参与发表论文20余篇；授权国际、国内发明专利10余件；参编Elsevier专著1部。指导本科生获辽宁省生命科学创新创业大赛一等奖，并获优秀指导教师称号。

第一作者简介

李媛博士

李媛，大连理工大学2023级博士研究生，导师为赵智强教授。主要从事于厌氧消化系统中基于直接种间电子传递（Direct Interspecies Electron Transfer, DIET）的新型产甲烷路径的建立工作，提出了基于醇刺激的厌氧消化系统中新型产甲烷路径构建理论。在国内外权威期刊发表高水平论文多篇，以第一/共一作者身份在Water Research等期刊上发表sci论文3篇、《能源环境保护》1篇、申请发明专利1项。曾获大连市优秀毕业生、大连理工大学优秀研究生毕业论文、大连理工大学优秀研究生、大连理工大学优秀毕业生等荣誉。曾获全国大学生可再生能源优秀科技作品竞赛（全国一等奖）、“博能杯”2022“沼气+”创新科技挑战赛（优秀项目奖）、第一届大连理工大学研究生“双碳”创新与创意大赛（一等奖）等荣誉。

碱预处理联合丙三醇发酵促进城市污泥厌氧产甲烷

作者

张建鹏¹，李媛²，李杨^1,*

单位

1. 大连理工大学化工海洋与生命学院

2. 大连理工大学环境学院

基金项目

国家重点研发计划子课题资助项目（2023YFD1701405-01）

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摘要

厌氧消化是目前实现城市污泥减量化和资源化的重要途径之一。然而传统厌氧消化受氢气/甲酸扩散的限制，容易代谢受阻，最终导致厌氧消化体系酸化崩溃。直接种间电子传递（Direct Interspecies Electron Transfer, DIET）被证实能够有效地避免上述问题并提高厌氧消化的效能。研究表明，添加少量丙三醇可富集电活性微生物，促进DIET。外源添加丙三醇增加运行成本，因此，本实验结合碱预处理与酵母发酵，实现城市污泥自产丙三醇促进DIET，为城市污泥高效厌氧产甲烷提供技术支持。研究结果显示：（1）碱预处理的最佳周期为10h，城市污泥中溶解性糖的含量提高了43.4%；酵母的最佳接种量为10%，最佳发酵周期为9h，丙三醇浓度占城市污泥总化学需氧量（COD）的2.43%;(2)相比于对照组，酵母发酵组和碱预处理联合酵母发酵组的甲烷产量分别提高了11.8%和15.4%，挥发性固体（VS）去除率几乎相同（约45%），有机质转化效率分别提高了5.80%和9.30%;(3)相比于对照组，酵母发酵组和碱预处理联合酵母发酵组污泥的放电电子转移系数（ElectronTransferCoefficient, ETC）提高了11.1%和16.8%，充电ETC提高了11.1%和17.3%;(4)微生物群落分析发现，碱预处理联合酵母发酵组相比于对照组富集了可能参与DIET的Methanothrix soehngenii GP6和Fastidiosipila sanguinis。

研究背景

随着我国城镇化进程的推进，城市污水处理厂剩余污泥产量急剧增加。预计2025年剩余污泥产量将超过9000万t。2022年，国家发展和改革委员会在《污泥无害化处理与资源化利用实施方案》中提出，2025年实现城市污泥无害化处置率达到90%以上，大力推进污泥能源资源回收利用。

剩余污泥成分复杂，含有大量有机物、重金属、致病菌等，有害介质多，不恰当处置的污泥易与周围环境形成多相复合型交叉污染。多样化的组分使剩余污泥具有污染和资源的双重属性。厌氧消化是实现剩余污泥稳定化、减量化和资源化最有效的手段之一。传统的厌氧消化技术是以氢气为电子载体进行种间能量交换，即种间氢气传递（IHT），但H⁺作为电子受体氧化，有机物在热力学上不能自发进行厌氧消化过程，需要耗氢产甲烷菌持续消耗氢气以维持系统内较低的氢气分压才能保证反应顺利进行。然而耗氢产甲烷菌在厌氧消化反应器中丰度较低且对环境敏感，面对成分复杂的剩余污泥，其代谢容易受阻，导致H₂分压上升，丙酸/丁酸积累，厌氧消化系统酸化崩溃。据统计，我国每年产生的剩余污泥超过8000万t，而规模化的污泥厌氧消化工程不超过100个，稳定运行的不足10个。因此急需一种提高剩余污泥厌氧消化产甲烷效率、降低运行成本、操作简便的方法来推动厌氧消化技术的应用。

2010年，SUMMERS等发现了直接种间电子传递（DIET）产甲烷途径。某些电活性菌可以氧化有机物，并将产生的电子通过导电菌丝（e-pili）或外膜细胞色素直接传递至产甲烷菌，产甲烷菌接受电子并还原CO₂为CH₄。相比于传统的IHT，DIET产甲烷过程中复杂的有机物无需水解酸化便可直接被电活性菌利用，产甲烷菌直接接受电子还原CO₂为CH₄，提高了厌氧消化速率；电子传递不需要借助H₂扩散，克服了高氢分压下的热力学限制，极大地提高了有机质转化效率和系统稳定性。然而在实际应用中，DIET产甲烷仍存在功能微生物匮乏、电子传递效率低以及电子转移动能不足等问题。

ZHAO等发现乙醇可以促进产生e-pili/细胞色素进而建立DIET产甲烷路径。通过乙醇驯化城市污泥在厌氧消化中建立DIET被广泛报道为一种经济有效的策略，然而在面对高负荷难降解底物时，DIET易崩溃而被IHT取代。LI等发现含有羟基的醇类均可以刺激在厌氧消化过程中DIET产甲烷路径的建立，并且羟基数目越多的醇类刺激效果越好。

研究表明，添加丙三醇能提高厌氧消化中电活性菌的活性，促进其形成e-pili，从而增强DIET的效果。例如，Geobacter sulfurreducens在DIET过程中具有重要作用，丙三醇可以提高其电子传递能力。WANG等发现在厌氧消化过程中添加8%丙三醇，实验组的甲烷产量比对照组高31%，并且富集了更多的电活性微生物。持续外源投加丙三醇会提高运行成本，为此本研究提出丙三醇型发酵预处理，将剩余污泥部分底物转化为丙三醇，加快厌氧消化系统中DIET产甲烷路径建立的同时降低运行成本。

剩余污泥中的部分有机物（如细胞壁、蛋白质、脂肪等）在未经处理时难以被微生物直接降解。碱预处理可以破坏细胞壁，释放出细胞内的有机物，使其更易被厌氧微生物利用，并且还能促进大分子物质（如蛋白质、多糖等）水解成较小的有机分子（如氨基酸、糖类等），这些小分子有机物更易被厌氧消化微生物分解。碱预处理可以显著提高厌氧消化的效率和经济性，是提高甲烷产量的重要手段之一。

本实验以城市剩余污泥为底物，采用碱预处理联合酵母发酵产丙三醇的方法，加快厌氧消化过程中DIET路径的建立，提高厌氧消化产甲烷效率。首先确定丙三醇发酵的时间、酵母菌的添加量和碱预处理的时间；其次探究碱预处理联合酵母发酵产丙三醇对厌氧消化性能的影响；最后通过高通量测序分析微生物群落。通过电子转移系数（Electron Transfer Coefficient，ETC）评估污泥的电子转移效率。本研究可为城市剩余污泥高效厌氧产甲烷提供参考。

部分图表

图1 丙三醇发酵和碱预处理最佳条件的探究

图2 初始VFAs和VFAs含量的变化

图3 各实验组的ETCs

引文格式

张建鹏, 李媛, 李杨. 碱预处理联合丙三醇发酵促进城市污泥厌氧产甲烷[J/OL]. 能源环境保护: 1-9[2025-01-17]. https://doi.org/10.20078/j.eep.20250106.

ZHANG Jianpeng, LI Yuan, LI Yang. Combining Alkaline Pretreatment with Glycerol Fermentation to Promote Anaerobic Methanogenesis of Waste Activated Sludge[J/OL]. Energy Environmental Protection: 1-9[2025-01-17]. https://doi.org/10.20078/j.eep.20250106.

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