【期刊】哈工大邢德峰团队与丹麦技术大学张翼峰团队：电活性厌氧颗粒污泥强化厌氧消化产甲烷│SPT Editor's Choice

哈尔滨工业大学环境学院与丹麦技术大学环境学院近日于国际分离纯化领域著名期刊Separation and Purification Technology（JCR 1区Top，中科院2021升级版分区：工程技术1区Top期刊）合作发表了题为“Electrifying anaerobic granular sludge for enhanced waste anaerobicdigestion and biogas production”的文章（https://doi.org/10.1016/j.seppur.2022.121300, Available online 17 May 2022）。该文章共同第一作者为哈尔滨工业大学助理教授周慧慧；共同通讯作者为哈尔滨工业大学邢德峰教授和丹麦技术大学张翼峰教授。

图文摘要

研究亮点

• 在BEAD系统中使用完整的厌氧颗粒污泥作为生物催化剂有效提高了甲烷的产量

• 可通过改变外加电压和有机负载等参数调控AGS-BEAD系统的生物气产量 

• AGS-BEAD系统对高浓度有机污染物具有较好的降解能力 

• 系统中阳极和阴极微生物群落结构存在显著差异

文章简介

生物电化学厌氧消化系统（Bioelectrochemical anaerobic digestion, BEAD）是一种集生物电化学技术和厌氧消化技术于一体的前沿的水处理技术。BEAD系统可同步实现污水处理、温室气体（CO₂）去除和可再生能源生产（CH₄），近年来在环境领域得到了广泛的关注。为进一步推进生物电化学厌氧消化系统的工业化应用，开发催化性能好、生物质密度高的高效的生物催化剂是该研究领域的一个重要挑战。本研究将完整的厌氧颗粒污泥(AGS)作为生物催化剂应用于BEAD系统中，考察了外加电压和有机物浓度对构建的AGS-BEAD系统产甲烷性能的影响。同时，我们使用COD超过7000 mg/L的厨余垃圾作为底物，评估了AGS-BEAD系统处理高浓度有机质的能力。最后采用16S rRNA测序，揭示系统的功能菌群，进一步解析系统的代谢机制。

图1不同外加电压对AGS-BEAD系统性能的影响：（a）乙酸降解情况；（b）累计甲烷产量；（c）累计二氧化碳产量；（d）累计氢气产量。

研究结果显示乙酸盐的降解速率和累积的甲烷产量随外加电压的增大而提高（图1）。当外加电压从0 V增加到1.0 V时，平均产甲烷速率从2.96 ± 0.11 L/m²/d增加到15.04 ± 0.84 L/m²/d。当移除外部电压时,BEAD反应器的产甲烷速率是AD反应器的2倍，表明电压启动BEAD反应器在切换到开路条件后仍能保持相当高的产甲烷性能。BEAD系统在0.8 V时获得最高的能量效率，0.8 V时的能力能量效率（23.8%）约为 0 V时的1.65倍。

图2不同底物浓度对AGS-BEAD系统性能的影响：（a）电流密度及阴极电位；（b）乙酸降解情况；（c）累积CH₄、CO₂和H₂产量；（d）甲烷产率和系统效率。

进一步探索不同底物浓度对BEAD 系统产甲烷性能的影响，研究发现高浓度有机底物对BEAD性能没有明显的抑制作用，底物降解速率和甲烷产率均随着底物浓度的增加而增高（图2）。当底物浓度由1 g/L增加到10 g/L时，系统的乙酸降解率由0.25 g/d提高到0.63 g/d，甲烷产率由5.95 L/m²/d提高到31.17 L/m²/d。然而从能量效率角度进行分析发现，系统的能量效率在底物为5 g/L时最高（25.4%），略高于 10 g/L（24.6%）和 1 g /L （23.1%）。

图3以厨余垃圾为底物的BEAD系统运行情况：（a）COD浓度和COD去除率；（b）累计气体产量和甲烷产率；（c）气体占比。

高浓度有机物在AD过程中易发生VFA积累和系统pH值降低，从而抑制甲烷的产生。因此，本研究探索了BEAD 系统对高浓度有机污染物的处理情况（图3）。选取厨余垃圾作为底物，COD 约为 7310 mg/L。研究发现BEAD系统的COD降解率为4.16 ± 0.32 g/L/d，比AD系统高44.95%。甲烷产率为 86.23 ± 7.12 L/m²/d比AD系统（54.01 ± 4.32 L/m²/d）高出约59.66%。同时，AGS-BEAD系统所产生的生物气中CH₄含量高达88.87%。以上结果表明，AGS-BEAD系统能够有效地处理高浓度有机底物，同时生物电化学反应加速了底物降解和CH₄产生的速率，提高了生物气中的CH₄含量。

图4接种物（C-1、C-2和C-3）、阳极（A-1、A-2和A-3）和阴极（K-1、K-2和K-3）生物膜在属水平上的微生物群落结构分析。

在属水平上对BEAD系统的微生物群落结构进行分析发现，氢营养型产甲烷菌Methanobacterium的相对丰度提高了，而乙酸发酵型甲烷菌Methanosaeta的相对丰度下降了，表明AGS-BEAD系统内产甲烷途径发生了变化（图4）。此外，在BEAD系统的阳极，产电菌Geobacter和有机物降解菌 Longilinea、Syntrophomonas的相对丰度也得到了提高。因此，在有机降解细菌、产电菌和氢营养型产甲烷菌的协同作用下，BEAD系统表现出高效的产甲烷性能。

主要结论

构建了以厌氧颗粒污泥为生物催化剂的BEAD系统，研究发现系统的甲烷产量受外加电压和底物浓度的调控。AGS-BEAD系统的最佳外加电压和底物浓度分别约为 0.8 V 和 5000 mg/L。所构建的系统可处理高浓度有机污染物（>7000 mg/L），平均甲烷产率为 86.23 ± 7.12 L/m²/d，所获得的生物气中CH₄浓度高达 88.87%。微生物群落结构分析揭示阳极的优势菌群为有机降解细菌和产电菌，如 Syntrophomonas 和 Geobacter；阴极的优势菌群为氢营养型的产甲烷菌，如Methanobacterium and Methanobrevibacter。本研究为开发高效、环境友好、经济有效的生物催化剂用于生物电化学厌氧消化系统和其他电化学技术提供了思路。

 原文信息

 原文链接

https://doi.org/10.1016/j.seppur.2022.121300

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主要作者介绍

第一作者

周慧慧博士

工作单位：哈尔滨工业大学环境学院助理教授

邮件地址：[e-mail]

通讯作者

邢德峰（教授）

工作单位：哈尔滨工业大学环境学院

通讯邮件：[e-mail]

通讯作者简介：

邢德峰（Defeng Xing），博士生导师，哈尔滨工业大学环境学院副院长；国家高层次人才、首批中组部青年拔尖人才、国家优秀青年科学基金获得者、首批国家环境保护部专业技术青年拔尖人才、教育部新世纪优秀人才、黑龙江省杰出青年科学基金获得者。主要从事污染物生物转化与能源化、环境微生物功能基因组学，环境生物修复等方面研究。申请人先后主持关于废水处理与资源化项目20余项，包括国家自然科学基金5项（包括国家优青1项）、国家重点研发项目课题1项、黑龙江省杰出青年科学基金、中组部青年拔尖人才计划、国家863子课题等国家和省部级等项目。在业内顶尖期刊发表高质量论文超过170篇，H指数为35；3篇论文被Nature、E&ES、ES&T选为研究亮点并在新闻专栏报道。

张翼峰（副教授）

工作单位：丹麦技术大学环境学院

通讯邮件：[e-mail]

张翼峰 (Yifeng Zhang)，博士毕业于丹麦技术大学（DTU）环境工程学院，现任该学院副教授，博士生导师。主要研究方向为微生物电化学、厌氧消化及生物发酵、高级氧化水处理技术、人工光合成。SCI期刊如Water Research、Science of the Total Environment、Frontiers in Microbiology副主编。发表SCI论文120余篇，根据Google Scholar被引频次超4600余次，H-index为39.

本期编辑：郭志仁，徐熙焱([e-mail])

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