高固含量厌氧膜生物反应器处理猪废水的操作阈值与微生物机制：从工艺性能到代谢途径

《Bioresource Technology》：Operational thresholds and microbial mechanisms in high-solid anaerobic membrane bioreactors treating swine wastewater: from process performance to metabolic pathways

HSAnMBR处理猪废水显示有机负荷率≤17 g COD/L/d时效率最优，但26 g COD/L/d导致VFA积累和甲烷产率下降39%，通过降低负荷至21 g COD/L/d可在10天内恢复。微生物分析表明细菌和古菌多样性动态变化，形成功能互补网络维持系统稳定，基因组学证实产甲烷菌代谢途径重构。

　　

李宇|王高军|杨远|刘凌森|党小红|李宇友|陈荣

中国教育部西北水资源、环境与生态重点实验室，西安建筑科技大学，西安 710055

摘要

本研究利用高固体厌氧膜生物反应器（HSAnMBR）处理猪废水，重点探讨了在逐步增加有机负荷率（OLR：5–26 g COD/L/d）条件下微生物的适应机制和工艺稳定性。当OLR ≤ 17 g COD/L/d时，HSAnMBR表现出高效的处理效果，COD去除率超过96%，甲烷产率达到最佳值（0.28 L CH₄/g COD_removed）。然而，当OLR升高至26 g COD/L/d时，挥发性脂肪酸（VFA）开始积累（5.57 g/L），导致甲烷生成受到严重抑制，甲烷产率下降了39%。在将OLR降至21 g COD/L/d后，系统功能在10天内迅速恢复。微生物分析显示：细菌的α多样性在14 g COD/L/d时达到峰值后开始下降，而古菌多样性持续增加，增强了系统的功能冗余性。污泥的适应性使关键功能类群（如Clostridium_sensu_stricto和产氢甲烷菌）得到富集，形成了一个具有韧性的“代谢互补-功能替代”网络，从而在VFA压力下保持了工艺稳定性。宏基因组证据证实了代谢途径的重构，包括产氢甲烷相关基因（如辅酶F₄₂₀合成基因）的上调以及乙酸分解菌优势的减弱。本研究揭示了HSAnMBR在高负荷运行下的微生物机制，为猪废水的能源高效利用奠定了基础。

引言

作为中国畜牧业的支柱，猪肉生产每年产生约39.8亿吨猪废水，由于其复杂的污染物成分（Su等人，2022年；Yu等人，2024年），这些废水对环境构成了严重威胁。这些废水中有机物质（化学需氧量COD）浓度高达5000 mg/L以上，氨氮（${\text{NH}}_{\text{4}}^{+}\text{-N}$）超过4000 mg/L，悬浮固体（SS）超过1.8 g/L，因此需要经济和技术上的综合解决方案（Huang等人，2025年）。厌氧消化已成为畜牧业中广泛采用的处理技术，具有能耗低、可产生可再生能源以及高有机负荷处理能力等优点（Bhatnagar等人，2022年）。然而，传统厌氧系统在处理此类高浓度废水时存在明显局限性。由于强烈的酸化作用导致挥发性脂肪酸（VFAs）快速积累，加上游离氨（FA）对甲烷生成活性的抑制以及在高固体负荷下的污泥滞留能力差，常常引发工艺不稳定。这些因素的协同作用使得猪废水尤为难以有效处理（Ye等人，2024年；Yu等人，2024年）。

厌氧膜生物反应器（AnMBRs）通过结合膜过滤和厌氧消化技术，实现了更高的出水质量（COD去除率>90%）和更高的甲烷产率（Cheng等人，2020年）。最近在高固体浓度AnMBR（HSAnMBR）方面的进展表明，该系统在处理各种复杂废水时表现出色，即使在总固体浓度超过20 g/L的情况下也能保持工艺稳定性并提高能量回收效率（Guo等人，2022年；Li等人，2020年）。

优化HSAnMBR性能的关键在于全面理解微生物群落动态的管理（Wu等人，2022年）。猪废水的复杂成分和高抑制潜力给微生物适应带来了独特挑战。逐步增加有机负荷率（OLR）的污泥驯化过程已被证明可以提高厌氧消化系统的微生物适应性和代谢效率（Wang等人，2023a；Xing等人，2020年）。例如，Wang等人（2023a）发现，将OLR从2 g COD/L/d逐步提高到6 g COD/L/d可使嗜热AnMBR中的产乙酸甲烷菌（Methanosaeta属）富集，从而提高甲烷产量35%。Xing等人也发现，将食物废弃物与牛粪共同处理可在高OLR条件下增强微生物多样性和有机物质降解速率（Xing等人，2020年）。然而，这些研究主要针对合成或定义明确的废水类型，而HSAnMBR在处理复杂实际猪废水过程中的微生物群落演替机制仍不明确。

本研究通过探讨HSAnMBR在逐步增加OLR（从5 g COD/L/d到26 g COD/L/d）条件下的运行性能和微生物机制，填补了这一空白。具体目标包括：（1）评估HSAnMBR处理猪废水的运行效果，重点关注有机物去除率、沼气产量和膜性能；（2）研究污泥驯化过程中微生物群落结构的变化；（3）探讨环境因素对微生物群落演替的影响；（4）阐明超高OLR条件下的关键代谢途径。通过实现这些目标，本研究旨在推动AnMBR在猪废水处理中的应用，并为更高效、可持续的废水管理策略的发展做出贡献。

原料和种子污泥的特性

种子污泥取自一个在温和条件下（35 ± 1 °C）处理猪废水的实验室规模AnMBR。猪粪原料来自中国西安的一家商业养猪场。使用前，原料用水（1:10 w/v比例）稀释，并通过0.15 mm不锈钢网过滤以去除大颗粒，防止堵塞。原料和种子污泥的特性见表S1。

实验装置

实验装置包括

处理效率和工艺稳定性

图1显示，在启动阶段，COD、PN和PS的出水浓度分别稳定在2.25 ± 0.91 g/L、1.10 ± 0.19 g/L和0.13 ± 0.06 g/L，VFA的平均浓度为0.51 ± 0.13 g/L。在此期间，系统pH值稳定在7.8 ± 0.2，表明在基线条件下厌氧消化性能良好。在逐步驯化阶段，随着OLR从7 g COD/L/d增加到17 g COD/L/d，出水浓度

结论

本研究确定15–21 g COD/L/d是HSAnMBR处理猪废水的最佳运行范围，此时COD去除率超过93%，甲烷产率为0.28 L CH₄/g COD_{removedMethanoculleus）大量增殖并发挥了补偿作用}

CRediT作者贡献声明

李宇：撰写 – 审稿与编辑，原始稿撰写，方法学设计，数据分析。王高军：资源提供，实验研究。杨远：撰写 – 审稿与编辑。刘凌森：实验研究，数据管理。党小红：实验研究，数据管理。李宇友：项目指导，概念构思。陈荣：撰写 – 审稿与编辑，项目管理。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家杰出青年科学基金（项目编号：52325002）、国家自然科学基金（项目编号：52300064）以及环境模拟与污染控制国家重点联合实验室专项基金（项目编号：24K16ESPCT）的支持。