《Process Safety and Environmental Protection》：Enhancing methane production from swine manure through stepwise integration of food waste co-digestion, powdered activated carbon, and low voltage stimulation
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厭氧消化豬糞時，通過分步整合食品廢料共消化（SM:FW=90:10）、粉末活性炭（25mg/g VS）補充和低電壓刺激（0.4V），顯著提升產甲烷效率。實驗表明單獨策略均有效，組合應用產甲烷率（618±9mL CH4/L·d）和產率（206±3mL CH4/g COD）分別提高80%和81%。微生物分析揭示策略應用導致群落結構分步變化，證實協同作用可有效緩解低降解性、營養失衡及中間代謝瓶頸，提升過程穩定性。
金泰勛（Tae-Hoon Kim）| 鄭允珠（Yun-Ju Jeon）| 金恩碩（Eun-Sol Kim）| 尹葉明（Yeo-Myeong Yun）
韓國清州忠北國立大學環境工程系，1 Chungdae-ro, Seowon-Gu, Cheongju 28644
摘要
豬糞（SM）的厭氧消化（AD）受到生物降解性低、營養失衡以及發酵中間產物轉化效率低等限制。本研究評估了逐步整合食物廢棄物（FW）協同消化（SM:FW = 90:10，基于COD）、粉末活性炭（PAC，25 mg/g VS）添加以及低電壓刺激（LVS，0.4 V）來提高SM產甲烷量的方法。批次實驗表明，這三種策略均能提高甲烷產量，且效果各異。隨后在連續操作條件下分別及組合評估了這些策略的效果。逐步整合這些策略后，甲烷產量顯著提升。完全整合的系統（FW協同消化 + PAC + LVS）實現了最大的增效，甲烷產率和產量分別增加了約80%和81%（618 ± 9 mL CH?/L/天和206 ± 3 mL CH?/g COD添加量）。微生物分析顯示，社區結構隨策略應用發生了逐步變化：FW協同消化豐富了水解和發酵菌群（如Actinomyces和Bacteroides），而PAC添加和LVS則促進了多功能產甲烷菌（如Methanosarcina和Methanobacterium）的增殖，表明中間產物轉化與甲烷生成之間的耦合得到增強。這些發現為如何通過逐步整合互補策略來解決SM消化中的多個瓶頸問題并提高甲烷回收率提供了見解。
引言
氣候變化因化石燃料產業產生的溫室氣體排放而加速，從而增加了對可再生能源的需求（Bilgili等人，2024年）。二氧化碳（CO?）約占溫室氣體總排放量的80%，其積累與全球溫度上升和更廣泛的環境變化有關（Ahmad等人，2025年）。厭氧消化（AD）作為一種可行的技術，通過產生沼氣作為可再生能源來幫助減少溫室氣體排放（Uddin和Wright，2023年）。除了能源回收外，AD還能通過有機廢棄物的資源化利用促進環境保護（Cucina，2023年），這與包括聯合國可持續發展目標（SDGs）在內的全球可持續性框架一致（Archana等人，2024年；Piadeh等人，2024年）。
在有機廢棄物中，豬糞（SM）是最豐富且能量最高的底物之一，具有巨大的沼氣生產潛力。然而，SM的AD面臨多個限制，影響其穩定運行。其較低的碳氮比（C/N）和纖維質有機物導致消化效率低，而高蛋白含量則會導致過量氨釋放和過程抑制（Rivera等人，2022年；Hickmann等人，2024年）。
此外，發酵中間產物的轉化效率低下以及電子轉移途徑的不平衡會限制下游的甲烷生成，尤其是在壓力條件下。針對這些限制，先前研究探索了多種策略，包括與富碳底物的協同消化、無機和生物添加劑的利用以及微生物電化學技術（Yu等人，2019年；Lourinho等人，2020年）。食物廢棄物（FW）的協同消化已被廣泛用于彌補營養失衡，并提供易于生物降解的底物，從而緩解SM因生物降解性低和C/N失衡帶來的限制。例如，當SM與FW協同消化時，甲烷產量據報道可增加40–60%（Dennehy等人，2016年）。盡管有這些改進，但單獨使用協同消化仍無法完全解決發酵中間產物積累和下游轉化的問題，尤其是在連續操作條件下。導電材料（如生物炭和粉末活性炭（PAC）已被研究用于促進種間電子轉移（DIET），改善電子流動并加速甲烷生成（Kim等人，2023年）。特別是PAC，據報道能增強共生相互作用并穩定中間產物的轉化，而不改變底物輸入，從而支持下游代謝效率。DIET是一種替代的電子轉移機制，它將有機酸共生氧化過程中產生的電子直接傳遞給產甲烷古菌，無需依賴H?或甲酸等可擴散的中間產物（Rotaru等人，2014年）。低電壓刺激（LVS，<1 V）也被證明是一種有前景的策略，因為它能降低氧化還原障礙，增強丙酸和丁酸等中間有機酸的降解，并促進氫營養型甲烷生成（Sun等人，2020年；Kim等人，2025年）。盡管這些方法具有顯著優勢，但它們大多是在獨立條件下或有限條件下研究的，其在連續AD操作下的綜合和交互效應尚不完全清楚。
每種策略針對SM AD中的不同過程限制：FW協同消化主要解決底物可用性和營養失衡問題，PAC添加通過增強共生相互作用來支持發酵中間產物的下游轉化，而LVS則與甲烷生成相關的氧化還原條件變化有關。然而，現有研究大多分別評估了這些方法，它們在連續操作下的綜合或順序效應仍不夠明確。通過逐步和綜合的方式評估這些策略，可以區分它們的單獨貢獻和綜合交互作用，而不僅僅是單一技術的優化。
因此，本研究評估了FW協同消化、PAC添加和LVS在SM AD中的單獨、雙重及同時應用效果。進行了批次實驗以表征每種策略的反應模式。隨后，在間歇供料連續攪拌罐反應器中進行長期運行，驗證了它們在連續條件下的綜合性能。監測了包括甲烷產量、COD去除率和有機酸動態在內的工藝參數，并通過微生物群落分析提供了對觀察到的性能響應的機制性解釋。這種綜合評估闡明了逐步應用互補策略如何緩解SM AD中的多個瓶頸問題，并提高整體甲烷回收率和過程穩定性。
部分摘錄
底物和種子污泥的制備
SM來自韓國清州的一個牲畜廢水處理廠，作為本研究的主要底物。FW來自韓國清州忠北國立大學的食堂。為確保均勻性，使用商用攪拌機混合FW后再使用。SM和FW均儲存在密封容器中，溫度保持在4°C，以抑制微生物活動并保持其原始特性直至實驗。
單一技術條件下的甲烷生成動力學
在所有測試條件下，累積甲烷生成曲線都能很好地用修正后的Gompertz模型描述，決定系數超過0.98，證實了動力學擬合的可靠性。與僅使用SM相比，所有三種單一技術條件下的甲烷生成量均有所增加；然而，改進的程度和動力學特征在不同策略之間存在顯著差異（圖2a，表1）。
結論
本研究考察了FW協同消化、PAC添加和LVS對SM AD的單獨和聯合效應。甲烷生成量根據所采用的策略不同而有所差異，聯合應用在長期反應器運行中實現了最高的甲烷回收率。FW協同消化對甲烷生成的促進作用超出了單獨添加共底物的預期效果，而PAC添加則在不改變其他條件的情況下提高了甲烷轉化效率。
CRediT作者貢獻聲明
金恩碩（Eun-Sol Kim）： 數據整理。
金泰勛（Tae-Hoon Kim）： 文稿撰寫——初稿編寫、驗證、實驗研究。
鄭允珠（Yun-Ju Jeon）： 文稿撰寫——審閱與編輯、方法學設計。
尹葉明（Yeo-Myeong Yun）： 文稿撰寫——審閱與編輯、監督。
利益沖突聲明
作者聲明沒有已知的財務利益沖突或個人關系可能影響本文所述的工作。
致謝
本研究得到了韓國農村發展行政部的農業科學技術發展合作研究計劃（項目編號PJ017005）、韓國環境部（MOE）的廢物轉化為能源-人力資源開發項目（YL-WE-23-001）以及韓國國家研究基金會（NRF）資助的全球基礎研究實驗室（BRL）計劃的支持，后者由韓國科學技術信息通信部（MINISTERY OF SCIENCE AND ICT）提供資金。
