市政工程系张少辉团队 – 生物电化学系统中未经脱硫预处理的沼气利用

第一作者：谢泽翔

通讯作者：张少辉

通讯单位：武汉理工大学土木工程与建筑学院

论文DOI:

https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.162239

近日，武汉理工大学土木工程与建筑学院张少辉课题组在环境领域著名学术期刊  Science of the Total Environment上发表了题为“Biogas utilization without desulfurization pretreatment in a bioelectrochemical system”的研究论文。以沼气为燃料的热电联产技术通常需要脱硫预处理。本研究中，探索了生物电化学系统（BES）利用沼气的可行性。用不同的接种物启动了以沼气为燃料的BES。在沼气燃料BES成功启动后，研究了其在不同缓冲和温度条件下的性能。随后，研究了以沼气为燃料的BES在各种有机硫化合物（甲硫醇、L-半胱氨酸和L-甲硫氨酸）存在下的性能。最后，利用宏基因组学方法对微生物群落和相关功能酶基因进行了探索。研究结果提供了一种无需脱硫预处理即可利用沼气的新方法。

热电联产是将沼气转化为热能和电力的成熟技术，但沼气燃烧通常伴随着硫化氢转化为有害的SO _{x 。} 因此沼气的热电联产需要脱硫预处理以及其他预处理。本文通过研究探索了BES在未经脱硫预处理的条件下对沼气的利用。结果表明，以沼气为燃料的BES在36天内成功启动，硫化氢的存在促进了甲烷的消耗和发电。在碳酸氢盐缓冲溶液和40°C条件下，BES获得了最佳性能。1 mg/L硫化物和5 mg/L L-半胱氨酸的添加促进了甲烷的消耗和发电。在阳极生物膜中，优势细菌为 Sulfurivermis , unclassified_o__Ignavibacteriales 和 Lentimicrobium， 而 Methanobacterium , Methanosarcina 和 Methanothrix 是优势古菌。此外，宏基因组学图谱显示，厌氧甲烷氧化和发电与硫代谢密切相关。研究结果为低纯度沼气的利用提供了一种新方法。

污水处理厂产生大量污泥，并通过厌氧消化转化为低纯度的沼气，这些低纯度的沼气直接排放会引起环境问题。尽管热电联产是将沼气转化为热能和电力的一种成熟技术，但通常需要脱硫和其他预处理，增加运行费用。燃料生物电化学系统（BES）可以甲烷为燃料产电。在以往有关甲烷BES的研究中，高纯度甲烷（甲烷含量超过90%，二氧化碳含量低于10%的混合物）通常用作阳极燃料，很少应用BES来利用含有甲烷和硫化氢的低纯度沼气（甲烷含量在50%-80%）。BES的发电性能和微生物活性受到温度以及缓冲溶液的影响。以BES利用沼气时，需要评估缓冲液和温度对BES性能的影响。含硫化合物可能参与并加速厌氧甲烷氧化过程。本研究的目的是探索BES利用沼气的可行性。用不同的接种物启动了以沼气为燃料的BES。在沼气燃料BES成功启动后，研究了其在不同缓冲和温度条件下的性能。随后研究了以沼气为燃料的BES在各种有机硫化合物（甲硫醇、L-半胱氨酸和L-甲硫氨酸）存在下的性能。最后，通过宏基因组学方法对微生物群落和相关功能酶基因进行了探索。

本研究构建了如图1所示的两个双室型BES（称为BES1和BES2），分别以厌氧消化污泥和猪场堆粪池污泥为阳极接种物进行启动。启动过程分为两个阶段。在第一阶段（过渡阶段），将模拟沼气引入BES，同时间歇性补充甲酸盐。在培养物逐渐适应模拟沼气和甲酸盐作为电子供体后，两种BES的峰值电压、库仑产量和甲烷消耗在12天内达到相对稳定的水平。随后，于模拟沼气作为唯一的电子供体被提供时，这两个BES的峰值电压、库仑产量和甲烷消耗在第36天之前达到稳定水平。此外，从第4天起，硫化氢被完全去除（数据未显示）。因此，BES可以用于去除甲烷和硫化氢，同时回收少量电力。在第二阶段，由于接种的污泥不同，BES1的峰值电压总是高于BES2的峰值电压。在36天内成功启动后，BES1的甲烷消耗量为0.17±0.02 mmol/d，峰值电压为303±3 mV，库仑产量为13.60±0.01 C/d，CE为11.50±0.04%。本研究的峰值电压和甲烷消耗量远高于之前的甲烷燃料BES的研究结果，表明硫化氢的存在促进了甲烷的消耗和发电。

如表1所示，BBS条件下的甲烷消耗量在统计学上高于PBS条件下（配对样本t检验，p=0.05）。这表 明BBS条件比PBS条件更有利于ANAMO。然而，BBS条件和无缓冲液条件之间的差异不显著（配对样本t检验，p=0.05）。此外，PBS条件下的出水硫酸盐浓度显著高于BBS和无缓冲条件下的硫酸盐浓度（配对样本t检验，p=0.005）。在BBS条件下也获得了最佳的发电性能，峰值电压为567±3 mV，库仑产量为38.33±0.98 C/d，CE为13.55±0.58 %，最大功率密度为1.883W/m 。在BBS条件下，优越的发电性能伴随着高甲烷消耗但低硫酸盐产量（表1），表明发电主要来源于电化学甲烷氧化。考虑到甲烷消耗和发电性能，BBS被认为是这种以沼气为燃料的BES的合适缓冲液。

如表2所示，在不同的温度下，甲烷消耗量有很大的变化。温度升高（从20°C至40°C）导致甲烷消耗量显著增加（配对样本t检验，p=0.05）。不同温度下出水硫化物浓度差异不大，但30°C时的出水硫酸盐浓度显著高于20°C和40°C时的值（配对样本t检验，p=0.05）。当温度从20°C升高到30°C时，峰值电压、库仑产量和CE显著增加（配对样本t检验，p=0.05）。当温度进一步升高到40°C，峰值电压和库仑产量没有显著差异，但CE显著降低（配对样本t检验，p＝0.05）。库仑产量和CE在30°C时获得，而最大功率密度在40°C时达到最高水平。相比之下，由于温度降低（从30°C到20°C）导致的发电性能变化大于由于温度升高（从30°C到40°C）造成的发电性能变化。当温度从30°C降低到20°C时，库仑产量的减少量远大于甲烷消耗的减少量。这表明低温对电活性细菌的抑制作用大于对厌氧产甲烷菌的抑制作用。尽管40°C下的发电性能与30°C下相当，但在40°C时获得了最高的甲烷消耗量。因此，以沼气为燃料的BES在40°C时获得了最佳性能，甲烷消耗量为0.523±0.004 mmol/d，峰值电压为577±1 mV，库仑产量为37.86±0.43 C/d，CE为9.37±0.06%，最大功率密度为2.070 W/m ³ 。

如表3所示，当进水硫化物浓度从0 mg/L增加到1 mg/L时，最大功率密度、峰值电压、库仑产量和甲烷消耗逐渐增加。然而，进水硫化物浓度的进一步增加导致发电量和甲烷消耗量的减少。此外，添加不同浓度的硫化物导致CE降低。在硫化物浓度不超过1 mg/L的情况下，这些物质有助于促进发电和甲烷消耗。当硫化物浓度超过1mg/L时，电活性细菌和厌氧产甲烷菌受到抑制，但SOB没有受到抑制，发电性能和甲烷消耗的降低以及出水硫酸盐浓度的增加就是明证。在硫化物浓度为1mg/L的条件下，BES获得了最佳性能，甲烷消耗量为0.554±0.013mmol/d、峰值电压为166±6mV、库仑产量为5.67±0.12C/d和最大功率密度为0.782W/m ³ 。

如表4所示，5mg/L L-半胱氨酸的添加显著增加了甲烷的消耗，而其他有机硫化合物的添加甚至抑制了ANAMO过程。推测L-半胱氨酸可能促进了逆产甲烷关键酶的合成，添加5mg/L L-半胱氨酸后甲烷消耗量增加就是明证。加入甲硫醇及其前体L-甲硫氨酸后甲烷消耗减少，表明甲硫醇也可能是该系统中ANAMO的中间体。加入各种有机硫化合物后，出水硫化物浓度变化不大，但出水硫酸盐浓度下降。这可能源于SOB优先利用有机硫化合物，而不是将硫/硫化物氧化为硫酸盐。添加各种有机硫化合物后，BES1的发电性能得到了改善（表4），因为这些有机硫化合物可以直接用作发电的阳极电子供体。其中，10 mg/L L-蛋氨酸的实验组发电性能最佳，其次是5 mg/L L-半胱氨酸和10 mg/L L-半胱氨酸的实验组。添加5mg/L L-半胱氨酸后，甲烷消耗和发电量的增加表明L-半胱氨酸可能参与了甲烷的电化学氧化。值得注意的是，当L-半胱氨酸浓度增加到10mg/L时，峰值电压和库仑产量降低，伴随着甲烷消耗的显著下降。原因在于：半胱氨酸可以被厌氧降解产生硫化氢，而硫化氢的增加抑制了甲烷营养古菌和电活性细菌的活性。

如图3a所示， Sulfurivermis (8.18%), unclassified_o__Ignavibacteriales (7.18%) 和 Lentimicrobium (6.23%)是阳极生物膜中的优势细菌。 Sulfurivermis 是一种硫氧化自养生物，可以利用硫化物、硫代硫酸盐、四硫代硫酸盐和元素硫。 Lentimicrobium 是一种严格的厌氧菌，被检测为甲烷燃料BES中的优势微生物，可以进行沼气脱硫。 unclassified_o__Ignavibacteriales 外，还观察到其他电活性细菌，包括 Geobacter (5.32%) and unclassified_c__Gammaproteobacteria (5.03%), unclassified_c__Actinobacteria (2.15%), unclassified_c__Ignavibacteria (1.88%)和 Ignavibacterium (1.21%)。 Methanobacterium (66.42%), Methanosarcina (15.37%)和 Methanothrix (10.38%)是阳极生物膜中的主要古菌（图3b）。 Methanobacterium 的丰度明显高于其他古菌，因为它对高浓度的硫化物更具抵抗力。 Methanobacterium 可以与 Geobacter 通过种间电子传递来实现ANAMO。 Methanosarcina （ Methanosarina.barkeri ） 可以通过ANAMO发电，而 Methanothrix （ Methanosaeta ） 能够通过逆产甲烷过程将甲烷氧化为CO ₂ 或有机物。

如图4所示， unclassified_o__Anaerolineae （10.72%）对甲烷代谢的贡献最大，但在硫代谢中所占比例相对较低（4.78%）。 Anaerolineae 是一种异养细菌，广泛存在于ANAMO富集培养物中。 Sulfurivermis (19.32%), unclassified_c__Gammaproteobacteria (13.54%) 和 Desulfomonile (2.69%)是参与硫代谢的主要微生物。 Sulfurivermis 是最丰富的SOB（图3a）。一些SOB能够使用乙酸盐作为碳源，并可能通过与其他电活性细菌相互作用而存活并产生更高的电能。 Desulfomonile 是一种硫酸盐还原细菌，有助于发电，对甲烷代谢有很大贡献。 Gammaproteobacteria 一种电活性细菌，可以通过同化甲烷氧化所产生的甲醛或甲酸盐来获得其部分或全部细胞碳。此外，作为广泛接受的电活性细菌， Geobacter (5.70% and 3.20%), unclassified_c__Actinobacteria (5.35% and 0.92%), unclassified_p__Actinobacteria (5.06% and 0.46%)和 unclassified_o__Ignavibacteriales (2.69% and 4.59%)也是甲烷和硫代谢的贡献者。这种贡献可能源于这些电活性细菌利用硫化物和ANAMO中的中间体发电。这意味着ANAMO和发电可能与硫代谢密切相关。

如图5a所示，L-丝氨酸和硫化物分别在丝氨酸O-乙酰转移酶（cysE）和半胱氨酸合成酶（cysK）的作用下转化为L-半胱氨酸。随后，甲烷代谢和硫化物通过L-半胱氨酸参与半胱氨酸和甲硫氨酸代谢。硫化物途径可以通过甲烷生成的最核心前体物质甲基辅酶M与甲烷代谢建立桥梁，而在该系统中没有检测到EC:2.1.1.251。这表明逆产甲烷过程而不是产甲烷过程占主导地位。试验检测到与反甲烷生成相关的多种功能酶基因（附表S1）。ackA（K00925）、pta（K00625和K13788）和acs（K01895）的存在表明，逆乙酸型产甲烷过程可能是ANAMO的主要途径。甲酸脱氢酶（K00122、K00123、K00124、K00125、K00126、K00127、K05299、K15022和K22516）的存在说明可能存在逆氢营养型产甲烷过程。此外还观察到mtaA（K14081）、mtaB（K04480）和mtaC（K14082）），表明也存在逆甲基营养产甲烷过程。各种各逆产甲烷过程所生成的中间体（甲酸盐、乙酸盐和甲基化合物）可被电活性菌用来发电。

本研究使用不同的接种物启动以沼气为燃料的BES，通过预富集适应甲酸盐的电活性培养物后， 36d内成功启动了沼气燃料型BES。沼气燃料型BES在重碳酸盐缓冲液和40oC条件下获得了最佳性能，甲烷消耗量为0.523±0.004mmol/d，峰值电压为577±1mV，库仑产量为37.86±0.43C/d，CE为9.37±0.07%，最大功率密度为2.070W/m ³ 。1 mg/L硫化物和5 mg/L L-半胱氨酸的添加促进了甲烷消耗和发电。L-半胱氨酸参与了甲烷的电化学氧化，甲硫醇可能是沼气燃料BES中ANAMO的中间体。在阳极生物膜中，优势细菌为 Sulfurivermis , unclassified_o__Ignavibacteriales 和 Lentimicrobium ，而 Methanobacterium , Methanosarcina 和 Methanothrix 是优势古菌。宏基因组学图谱显示，ANAMO和发电与硫代谢密切相关。研究结果提供了一种无需脱硫预处理即可利用沼气的新方法。

第一作者：谢泽翔 ，武汉理工大学土木工程与建筑学院，硕士研究生。研究领域为污水处理与资源化。

通讯作者：张少辉 ，武汉理工大学土木工程与建筑学院，副教授，研究生导师。研究领域为污水脱氮除磷、废水处理与资源化、排水管网碳排放与甲烷减排等。