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为解决厌氧消化（AD）过程中稳定性差、甲烷产量低的问题，研究人员探究微量元素影响，明确适宜浓度，意义重大。
厌氧消化（Anaerobic Digestion，AD）是一种能将有机废物转化为富含甲烷沼气的技术，就像是一个神奇的 “废物变宝工厂”，在处理生物质废物的同时，还能减少环境污染，产生的沼气可转化为电能或热能，为我们的生活提供能源。然而，这个 “工厂” 在运行过程中却存在一些麻烦，比如过程不稳定，会出现挥发性脂肪酸（Volatile Fatty Acids，VFA）积累、酸化或者营养缺乏等状况，而且甲烷产量也比较低，这就限制了它的广泛应用。为了让这个 “工厂” 更好地运作，提高能源回收效率，研究人员一直在寻找解决办法。
来自墨西哥国立自治大学工程学院的 Karina J. Salazar?Batres 和 Iván Moreno?Andrade 对微量元素在厌氧消化过程中的作用展开了研究，相关成果发表在《BioEnergy Research》上。
在研究方法上，研究人员进行了系统的文献回顾。他们通过在 “Web of Science”“Scopus” 和 “Google Scholar” 等数据库中，以 “anaerobic digestion”“trace metals” 和 “biogas” 为关键词搜索同行评审文章，筛选出 116 篇符合标准的文献。这些文献的筛选标准包括用于沼气生产的底物为固体、半固体或含有高浓度挥发性固体（Volatile Solids，VS）；金属以盐或纳米颗粒的形式添加；金属浓度以 mg/L、mg/kg 或 % (w/w) 为单位报告，以便分析每克用于甲烷生产的底物或接种物中添加的微量元素比例。同时，他们还运用了 Haldane 方程的变体对数据进行分析，以此来确定能促进甲烷产量增加的微量元素浓度范围，并识别可能的抑制浓度。
下面来看看具体的研究结果。
- 微量元素在不同底物厌氧消化中的应用：多种底物可用于厌氧消化生产沼气，不过部分废物存在微量元素匮乏的情况。在单一消化中，添加微量元素对提高甲烷产量至关重要，已有众多研究聚焦于此，涉及食物垃圾、污水污泥、玉米青贮等多种废物。此外，研究还发现，通过废物共消化也能利用底物中的微量元素，但为进一步提升甲烷产量，添加微量元素仍是常用手段。
- 微量元素对运行参数的影响：微量元素与反应器性能密切相关，其不足会对潜在沼气产量产生负面影响。有效生产沼气需要诸多适宜条件，包括温度、pH、搅拌等，而添加微量元素的效果也受底物组成、接种物来源和厌氧反应器操作模式等因素影响。例如，pH 会影响金属在溶液中的浓度，进而影响其生物利用度；不同的搅拌方式会影响营养物质、微生物等的分布，从而影响甲烷生产。
- 甲烷生产的最佳微量元素浓度：铁（Fe）、镍（Ni）、钴（Co）等微量元素是酶系统辅因子的成分，对厌氧消化至关重要。通过对不同研究数据的分析，利用 Haldane 方程确定了促进甲烷产量增加的微量元素浓度范围：铁为 0.56 - 1.67mg/g VS，钴为 0.01 - 0.1mg/g VS，钼（Mo）为 0.03 - 0.5mg/g VS，镍为 0.04 - 0.5mg/g VS。超过这些范围，甲烷产量会下降，表明高浓度微量元素可能抑制厌氧消化过程。
- 微量元素对有机固体废物厌氧消化的影响：研究人员分析了铁、钴、钼和镍等微量元素对有机固体废物厌氧消化中甲烷产量的影响。结果显示，在各自适宜浓度范围内，这些微量元素能提高甲烷产量，但浓度过高则会抑制产量。同时，研究还发现，随着微量元素浓度增加，达到最大沼气产量后，沼气生产会受到明显抑制，这表明在向反应器中添加微量元素时需谨慎操作。
- 影响厌氧消化效率的关键因素：多种因素会影响厌氧消化过程，添加微量元素可缓解过程不稳定问题，提高甲烷产量、去除 VFA、去除化学需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD），还能改善古菌和细菌活性。不过，高剂量添加微量元素可能导致过程抑制，因此需综合考虑各种因素来确定合适的添加量。
- 微量元素在水解过程中的作用：水解是厌氧消化的限速步骤，尤其是处理难降解底物时。添加微量元素可促进水解，例如添加酶和微量元素的双重策略能提高污水污泥的水解效率，增加甲烷产量；还有研究表明，添加微量元素能改变微生物群落组成，进一步证明其对水解的积极作用。
- 微量元素对挥发性脂肪酸去除的影响：VFA 积累是厌氧处理废物时常见的问题，会导致厌氧消化过程衰退。研究发现，添加微量元素能促进 VFA 降解，包括醋酸和丙酸等的降解，以及降低总 VFA 浓度。不同的微量元素组合和添加频率会对 VFA 去除效果产生影响，未来研究需关注添加频率，以避免金属过度使用和系统抑制。
综合来看，该研究明确了微量元素在厌氧消化过程中的重要作用。适量添加微量元素可提升甲烷产量、去除 VFA、提高 COD 去除率，还能改善微生物活性；但高浓度微量元素会因破坏酶的功能和结构而抑制厌氧消化过程。不同的操作条件，如反应器类型、pH、温度、底物类型和浓度等，都会影响微量元素的作用效果。由于这些复杂因素，难以确定一个普遍适用的微量元素浓度。该研究为后续优化厌氧消化过程提供了重要参考，未来还需进一步研究在不同条件下确定最佳微量元素添加策略，探索其在水解和产酸阶段的作用，以及研究反应器配置和共消化对微量元素需求的影响等问题。
