《Journal of Environmental Management》：Biogas upgrading via microbial electrolysis cell-integrated anaerobic digestion: A critical review of stabilization strategies towards practical application
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本文综述了微生物电解水系统耦合厌氧消化（MEC-AD）技术通过生物电化学过程实现CO?原位升级为甲烷的机理，包括氢营养型甲烷生成和直接电化学甲烷生成。针对复杂有机废料处理中存在的电子流动竞争、传质限制和微生物生态系统不稳定性等挑战，系统评估了优化电极系统、调控微生物协同网络及精确控制操作参数等协同增强策略，并提出了跨尺度精确调控的未来研究方向，以促进该技术从实验室向工程化应用转化。
谭莎|李雷|刘双|韩琳佩|段朝然|刘永利|王晓明
教育部三峡水库区域生态环境重点实验室，重庆大学，重庆，400045，中国
摘要
传统厌氧消化（AD）产生的沼气由于其较高的二氧化碳（CO?）含量需要进行提纯。微生物电解池与厌氧消化结合（MEC-AD）通过生物电化学过程增强微生物代谢，从而实现沼气的原位提纯。然而，MEC-AD在处理实际有机废物时的性能常常受到电子流动竞争复杂、传质限制以及微生物生态系统不稳定等挑战的制约。本文首先阐明了MEC-AD通过氢营养甲烷生成和直接电甲烷生成实现二氧化碳还原和甲烷富集的机制。随后，重点分析了从理想底物到实际废物流转变时性能差距及其根本原因。为了解决这些问题，本文系统评估了三种协同增强策略：优化电极系统以提高电子转移效率、调控微生物共生网络以增强电子利用，以及精确控制操作参数以引导电子流动。最后，提出了未来的研究方向，强调了对电子转移进行跨尺度精确调控、智能反应器设计以及全面评估能源效率的必要性，以促进MEC-AD技术的工程应用和碳减排潜力。
引言
厌氧消化（AD）是一种环保且成本效益高的生物技术，能有效降解有机废物并回收能量。它已被广泛应用于市政污泥、农业废物和有机废水处理（Xiao等人，2024b；Zhao等人，2021）。然而，传统AD技术存在处理效率低和运行不稳定的问题（Wang等人，2022b；Park等人，2018）。由此产生的沼气通常仅含有50.0%–60.0%的甲烷和30.0%–50.0%的二氧化碳（Tian等人，2023），这降低了其热值，限制了其在高价值应用中的直接使用。例如，热电联产、车辆燃料或注入天然气管道等终端应用通常要求甲烷含量超过87.0%，在某些情况下甚至需要超过95.0%（Kadam和Panwar，2017；Kim等人，2022）。因此，沼气提纯至关重要。
现有的沼气提纯技术主要包括物理化学方法，如水洗、物理/化学吸附、膜分离和低温分离。尽管这些方法可以达到92.0%–99.0%的甲烷纯度，但它们受到高资本成本、操作成本、溶剂损失、结垢和起泡问题的限制。更严重的是，这些方法并未从根本上促进二氧化碳的资源化利用，甚至可能产生二次排放（Kanso等人，2024；Sun等人，2024；Chu等人，2024）。相比之下，在AD过程中进行原位沼气提纯不仅简化了工作流程，降低了能耗，还能将二氧化碳就地转化为甲烷，符合碳循环的可持续理念（Liu等人，2021）。
利用氢气（H?）进行沼气提纯是一种成熟的原位提纯技术。然而，其效果受到传质限制和pH值波动等因素的显著影响。此外，氢气具有高度易燃性和爆炸性，需要严格的安全措施，并且其储存、运输和持续稳定供应的成本较高。这些因素也限制了该技术的大规模推广（Sun等人，2023）。近年来，生物电化学系统（BES）作为一种有前景的替代方案出现，因为它们能耗低、电子利用效率高且运行稳定（Zheng等人，2023）。特别是微生物电解池与厌氧消化结合的（MEC-AD）系统通过引入电极和外部电路，在较低电压下增强了微生物代谢和电子转移，从而显著提高了系统稳定性和甲烷产量，并促进了二氧化碳向甲烷的方向性转化（Zhang等人，2019）。研究表明，使用简单的底物（如醋酸钠和碳酸氢钠）的MEC-AD系统可以产生甲烷含量超过95.0%的高质量沼气（Wei等人，2024；Dykstra等人，2020）。然而，当底物替换为实际有机废物（如猪粪、食物垃圾或啤酒厂废水）时，甲烷含量通常仅保持在70.0%–80.0%。在多项研究中，未观察到显著的提纯效果，仅在甲烷产量和运行稳定性方面有所改善（Zheng等人，2023；Liu等人，2020b；Sasaki等人，2013；Li等人，2023a；Dong等人，2022；Yang等人，2022）。这一性能差距严重阻碍了MEC-AD技术从实验室规模研究向实际工程应用的转化。
为了系统地弥合MEC-AD的沼气提纯潜力与其实际应用之间的差距，本文首先比较了传统AD和MEC-AD在代谢途径和微生物群落方面的根本差异，以阐明其背后的生物电化学增强机制。然后，研究了从简单废物系统到复杂废物系统的性能演变，以确定阻碍稳定提纯效果的核心瓶颈。在此基础上，本文批判性地回顾了引导电子流动的先进策略，包括电极优化、调控微生物共生网络和精确操作控制。最后，提出了通过跨尺度精确调控来扩大该技术规模的未来路线图，旨在为未来的MEC-AD研究和开发提供清晰的理论框架和方向。
部分摘录
传统AD的基础及其沼气质量的限制
传统AD是一个将有机物转化为沼气的过程，分为四个阶段：水解、酸生成、乙酸生成和甲烷生成。虽然这一过程有助于能量回收，但产生的沼气通常仅含有50.0%–60.0%的甲烷，其余主要为二氧化碳。这一限制主要源于涉及的甲烷生成途径的固有特性（Zhao等人，2022）。
提纯效率的现实差距：从简单底物到复杂场景的挑战
虽然第2节系统阐述了MEC-AD在沼气提纯方面相对于传统AD的固有理论优势，但其在处理实际有机废物时的性能表现并不一致。为了弥合理论与实践之间的差距，本节通过分析近期研究，追溯了MEC-AD从使用纯底物的研究到应用于处理复杂有机废物的发展过程。表1总结了基于MEC-AD的沼气提纯的比较研究。
工程解决方案：MEC-AD系统中稳定沼气提纯的强化策略
为了解决复杂底物系统中的核心瓶颈——即低电子转移效率、显著的电子分流和微生物生态不稳定（如第3节所述），需要针对性的策略将沼气提纯从理论可能性转化为现实。当前的研究确定了三种互补的强化途径（图3），这些途径共同致力于促进高效且定向的电子流动。
展望
基于MEC-AD“理想”操作与“现实世界”操作之间的性能差距，以及对当前增强策略的系统性回顾，该技术的未来发展必须从优化单个参数转向跨尺度精确调控的新阶段。总体目标是实现“电子流动”和“碳流动”的协同控制，最终促进从实验室规模向实际应用的转化。
结论
电化学场的整合使MEC-AD成为一种有前景的沼气原位提纯技术。本综述表明，其核心优势在于能够驱动二氧化碳的原位还原，从而通过促进氢营养甲烷生成和直接电甲烷生成来提高沼气中的甲烷含量。然而，处理复杂的实际废物流仍面临重大挑战。
CRediT作者贡献声明
谭莎：撰写——初稿，正式分析，数据管理，概念化。
李雷：撰写——审稿与编辑，监督，项目管理，资金获取。
刘双：可视化，概念化。
韩琳佩：可视化，方法学。
段朝然：可视化，方法学。
刘永利：可视化，方法学。
王晓明：可视化，方法学。
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
本工作得到了中国国家重点研发计划（2023YFC3905802）和中国自然科学基金项目（项目编号：CSTB2024NSCQ-QCXMX0088）的支持。
