间歇通电和电极反转对MEC-CSTR反应器污泥餐厨垃圾协同厌氧消化的影响

创新点

本研究将微生物电解池（MEC）引入到传统的厌氧消化（AD）体系中，通过构建厌氧微生物电化学耦合体系（MEC-AD）和长期示踪研究，深入剖析间歇通电和电极反转下系统的过程稳定性和缓冲能力，为MEC-AD耦合技术的实际应用提供了数据和理论参考，同时为MEC系统提升SS和FW规模化处置和厌氧能源化工程的优化实施提供了新的解决思路。

作者简介

甄广印教授

甄广印，华东师范大学生态与环境学院，紫江青年学者，教授，博导，有机固废生物转化与碳减排研究室负责人。曾入选全球前2%顶尖科学家（World’s Top 2% Scientists 2020/2022/2023）、全球顶尖前10万科学家（2021-全球学者库）、上海高校特聘教授（东方学者）、福建省闽江学者讲座教授、上海市浦江人才计划（A类）、上海市优秀博士学位论文、日本学术振兴会（JSPS）外国人特别研究员奖励等。在国内外知名能源与环境类期刊发表论文140篇，其中在Progress in Energy and Combustion Science、Water Research等发表SCI论文107篇，包括热点2篇、ESI 11篇。著英文专著1部、中文专著3部、参编学术专著6部。主持国家自然基金、上海市“科技创新行动计划”及企事业单位等项目10余项。获上海市青年五四奖章（个人）、上海市自然科学奖三等奖（排名1）、华东师范大学青年科学技术奖、华夏建设科学技术奖三等奖及华东师范大学研究生教育卓越育人奖、创新创业优秀指导教师奖等。兼任《环境科学领域高质量科技期刊》评价专家、Frontiers of Environmental Science & Engineering（FESE）青年编委、Results in Engineering (RINENG)青年编委、《工业水处理》青年编委、《能源环境保护》青年编委、IWA中国青年委员会委员、日本水环境学会国际会员、中国沼气学会青年专家委员会暨中国厌氧生物技术青年专家委员会“青年专家委员”等。指导学生12人次获大学生科创项目8项（国创重点1项）、上海市环境与生态高峰学科跨校合作专项培育项目1项，获“互联网+”、挑战杯、北控水务杯、六百光年杯等国家奖项10余项及“互联网+”和挑战杯上海赛区金奖、上海市“双碳”提案特等奖、校赛一/特等奖等20余项等。

间歇通电和电极反转对MEC-CSTR反应器污泥餐厨垃圾协同厌氧消化的影响

作者

支忠祥1，韩宇乐1，陆雪琴1,2，孙雨薇1，甄广印1, 3, 4, 5,*

单位

1. 华东师范大学生态与环境科学学院上海市城市化生态过程与生态恢复重点实验室

2. 崇明生态研究院

3. 上海有机固废生物转化工程技术研究中心

4. 上海污染控制与生态安全研究院

5. 自然资源部大都市区国土空间生态修复工程技术创新中心

基金项目

1. 上海市“科技创新行动计划”国际合作项目(21230714000)

2. 上海高校特聘教授(东方学者)计划项目(TP2017041)

3. 上海有机固废生物转化工程技术研究中心开放课题(19DZ2254400)

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摘要

城镇化快速发展导致大量污水污泥（Sewage Sludge, SS）和餐厨垃圾（Food Waste, FW）等有机固废的排放和产生。将微生物电解池（Microbial Electrolysis Cell, MEC）引入到厌氧消化（Anerobic Digestion, AD）过程可实现其高效的甲烷转化。本研究探究了间歇通电和电极反转对MEC-连续搅拌式反应器（Continuous Stirred Tank Reactor, CSTR）的影响。结果表明，在1.2V的外加电压和SRT=15d的条件下，MEC-CSTR运行良好，甲烷产率达到（741.9±99.2）mL/L-reactor/d。短暂断电（2d）未对系统各项性能造成不良影响，而过长断电（7d）则会降低反应器的有机物水解效果和甲烷产量；同时，连续电极反转会引起甲烷产量（（541.7±32.0）mL/L-reactor/d）的下降；然而，无论间歇通电亦或电极反转均未对消化液的理化性质和系统稳定性造成不良影响。本研究可为MEC系统提升SS和FW协同厌氧能源化工程的优化实施提供新的解决思路。

研究背景

随着中国城市化进程的发展，城市人口逐渐增多，能源需求也逐步提高。然而，过高的能量需求和有限的化石燃料储备促使研究者探索更多的替代能源，尤其是可再生能源。根据国际能源署最新的报告，在2040年，全世界使用的能量中，有60%为可再生能源。由于易获取和可再生的特性，固体废物处理是回收能源的一种可持续解决方案。据报道，中国的餐厨垃圾（Food Waste，FW）产量在2020年达到了1.3亿吨，并且随着城市化和工业化进程的推进，这一数字将会持续增加。污水污泥（Sewage Sludge，SS）是污水生物处理过程中产生的副产物，据《中国统计年鉴-2021》统计，2021年我国污水处理量为862.1亿吨，化学需氧量（COD）为1955.2万吨，SS产量为4592.1万吨。SS和FW中含有大量、微生物（包括病原体）、无机和有机有毒污染物（持久性有机污染物等）、重金属污染物等有害物质，同时亦含有丰富的C、N、P等高值/营养元素，未稳定化安全化处理处置不仅会造成严重的环境污染，也会形成巨大的资源浪费。厌氧消化（Anaerobic Digestion，AD）作为一种常见的污泥处理技术，不仅可以实现废物的减量化和稳定化，而且可以生成一定的生物质能来缓解能源危机，同时也可以回收C、N、P等高值/营养元素。然而，传统的厌氧消化也存在着许多不足之处，如厌氧微生物生长缓慢、厌氧消化过程不稳定、低沼气产量，使得处理效果不佳。

微生物电解池（Microbial Electrolysis Cell，MEC）是由微生物燃料电池改造而成的一种清洁或可再生能源（即甲烷或氢气）生产技术，该技术已经被应用到厌氧消化（MEC-AD）过程中，以提高沼气产量。在AD过程中，固定的外加电压通过电流回路进行电化学控制，可以作为氧化还原反应的电子源或回收处。混合培养的适应性微生物可以通过电调控或刺激来选择，这不仅可以增强微生物之间的相互作用，还可以通过细胞间联系增强微生物与电极表面的细胞外电子传递。这项技术的应用可以促进生物气（如甲烷、氢气）的生产。先前研究表明，单室MEC不断运行150d可促进藻类Egeria densa的降解和生物能源回收，同时电化学过程提升了Egeria densa的稳定发酵并改善其甲烷产率，在电压1.0V时的平均甲烷产量达到（248.2 ± 21.0）mL/L-reactor/d；LIU等采用污水污泥作为MEC反应器产甲烷的基质，其甲烷产率是传统AD的1.3倍。相关的研究更多针对MEC-AD运行性能提升，还没有对间歇通电和连续电极反转的条件进行深入研究。前期研究实验发现，短期断电下系统也能保持正常工作的状态，未对系统造成不利影响，并能极大地降低电能的损耗；同时MEC-AD系统中阴阳电极生物膜虽有各自的主要功能，但又各自兼有相对电极的功能微生物。因此反转电极有利于补充完善每个电极的功能，使得系统朝着更有利的方向发展。

本研究在生物电催化技术基础上建立了一套MEC-CSTR反应器，系统评估间歇通电和电极反转对反应器甲烷产量、二氧化碳产量、有机物去除效果、系统稳定性参数和电能利用效率的影响，为MEC系统提升SS和FW规模化处置和厌氧能源化工程的优化实施提供新的解决思路。

部分图片

图1 在不同条件下 MEC-CSTR 的甲烷产量、甲烷浓度和二氧化碳浓度变化

图2 在整个实验进程中 MEC-CSTR的VFAs变化

图3 在整个实验进程中MEC-CSTR运行机制

引文格式

支忠祥,韩宇乐,陆雪琴,孙雨薇,甄广印.间歇通电和电极反转对MEC-CSTR反应器污泥餐厨垃圾协同厌氧消化的影响[J/OL].能源环境保护:1-8[2023-10-18].https://doi.org/10.20078/j.eep.20231010.

ZHI Zhongxiang, HAN Yule, LU Xueqin, SUN Yuwei, ZHEN Guangyin.Effects of intermittent power-on and electrode inversion on anaerobic co-digestion of sludge and food waste in MEC-CSTR system[J/OL].Energy Environmental Protection: 1-8[2023-10-18].https://doi.org/10.20078/j.eep.20231010.

　　责任编辑：宫在芹

间歇通电和电极反转对MEC-CSTR反应器污泥餐厨垃圾协同厌氧消化的影响

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