奚永兰，王成成，叶小梅，等：微纳米气泡在厌氧消化中的应用研究进展
奚永兰，王成成，叶小梅，等：微纳米气泡在厌氧消化中的应用研究进展
huagongjinzhan
中国化工学会会刊，EI、SCOPUS等收录，中国科技期刊卓越行动计划入选期刊，百种中国杰出学术期刊，2020版《中文核心期刊概目要览》化工类第1名
文章信息
微纳米气泡在厌氧消化中的应用研究进展
奚永兰 1,2,3,4 ，王成成 1,2 ，叶小梅 2,3 ，刘洋 1,2 ，贾昭炎 1,2 ，曹春晖 1,2 ，韩挺 2,3,4 ，张应鹏 2,3,4 ，田雨 5
1 江苏大学农业工程学院，江苏 镇江 212013； 2 江苏省农业科学院，江苏 南京 210014； 3 农业农村部种养结合重点实验室，江苏 南京 210014； 4 农业农村部农村可再生能源华东科学观测实验站，江苏 南京 210014； 5 南京卫岗乳业有限公司，江苏 南京 210014
引用本文
奚永兰, 王成成, 叶小梅, 等. 微纳米气泡在厌氧消化中的应用研究进展[J]. 化工进展, 2023, 42(8): 4414-4423.
DOI： 10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1762
摘要：
微纳米气泡（micro/nano bubbles，MNBs）因其广泛的应用领域及良好的应用前景而备受关注。在厌氧消化（AD）领域，MNBs具备的高气体转移效率、产生ROS、高zeta电位、高表面电荷以及固有的微曝气能力（空气或O 2 -MNBs）等特性，可以提高AD过程的性能和效率，改善限速步骤（水解和产甲烷），这为AD工艺的改进提供了新的方向。近年来，越来越多的研究将不同MNBs以不同方式用于AD中，这些研究主要集中于利用富有纳米气泡的纳米气泡水来提高AD反应器性能，而有关微气泡在AD中的应用研究相对较少。考虑到纳米气泡和微气泡都拥有改善AD的潜能，本文从MNBs的特性、制备方法和设备、其在AD中的研究现状和可能的作用机理方面开展综述，并探讨了未来可能的应用方向，旨在为进一步利用MNBs增强AD的研究提供参考。
厌氧消化（AD）是利用微生物在厌氧条件下降解有机物并生产可再生能源沼气的过程。AD具有过程可控、易操作、运行成本低和发酵产物可再利用等优点，是处理有机废物的关键技术。AD包含了水解、产酸、产乙酸和产甲烷四个连续的阶段，其中水解和产甲烷阶段通常被认为是限速步骤。由于发酵底物的复杂性，AD常出现资源转化率低、反应速度慢、反应过程受到抑制等问题。因此，进一步改善AD效率并提高甲烷产量成为了人们研究的热点问题。除了通过共消化和优化操作参数来提高AD性能外，原料预处理以及使用添加剂也能增加AD过程的沼气产量。预处理可以促进有机物的水解，然而由于需要额外的能源或化学品，预处理通常会导致更高的成本。添加剂通过补充营养物质、充当电子载体、吸收氨氮、吸附重金属、去除H 2 S和强化微生物来提高沼气产量。然而，由于其经济不确定性和风险，其在大规模工厂中的应用仍然较少。微纳米气泡（micro/nano bubbles，MNBs）作为一种新型添加剂，近年来已被用于改善AD过程。MNBs技术因其无毒、低能耗、环保等独特的特点而受到越来越多的关注。
MNBs包含了微气泡和纳米气泡，微气泡（MBs）通常表示直径小于100μm且大于1μm的气泡，而直径小于1μm的超细气泡则被称为纳米气泡（NBs）。根据是否附着在表面上还是分散在液体中来区分，NBs还可进一步划分为界面纳米气泡和体相纳米气泡。除了拥有微小的尺寸外，MNBs还拥有高比表面积、高稳定性和寿命、高zeta电位以及高传质效率等特性。这些独特特性使得MNBs在农业、水产养殖、食品工程、废水处理、泡沫浮选和医疗等领域都有较好的应用前景。近年来，MNBs已被证明具有一定的潜力，可以有效且经济地提高有机固体废物AD的效率和甲烷产量。这些研究中包括了MBs和NBs。其中，对MBs的研究主要集中在将其作为代替微曝气以及沼气提质的潜在技术手段，在此基础上NBs的研究则更多地关注纳米气泡水（NBW）对AD的水解和产甲烷过程，以及工艺稳定性的影响和作用机理。本文总结了MNBs的特性、制备方法以及在AD中的应用研究进展，讨论了NBs与AD性能增强相关的潜在机制，展望了未来MNBs技术在AD中进一步应用的可能研究方向。
1
微纳米气泡特性
微气泡与纳米气泡具有相似的性质，由于尺寸的不同，性能不尽相同，二者之间以及与宏观气泡的特性差异如表1所示。受zeta电位和布朗运动等因素影响，NBs相较于MBs具有更高的稳定性，这使得NBs能够在水中停留更长时间。更高的界面稳定性也使得NBs比MBs更难产生OH自由基。相较于尺寸所带来的不同点，二者都拥有比普通气泡更长的停留时间、高传质效率、高zeta电位、高比表面积以及坍塌时产生自由基等特性。这些特性使得MNBs能够在较低的能源消耗下，改善传质并促进水解，在提高AD过程产气以及稳定性方面具有较好的应用前景。
表1 微米气泡、纳米气泡和宏观气泡的特征差异
1.1
水中停留时间长
微纳米气泡具有微小的尺寸，根据Stoke’s定律，气泡的上升速度 v 可以用气泡直径 d b 、气体密度 ρ t 、液体密度 ρ 1 、重力加速度 g 以及黏度 μ 表示，如式(1)所示。
微纳米气泡都拥有较低的浮力，而且气泡的尺寸越小，上升速度越慢，这使它们能够在溶液中具有更长的停留时间。与宏观气泡相比，MBs在水中的停留时间能够长达几分钟。而对于0.1μm或更小的气泡，由于可忽略的浮力，这些NBs的运动反而受布朗运动的支配，这使得NBs在水中能够停留更长的时间，能达到几天甚至数月。此外，在气泡分散的情况下，高zeta电位且具有相同电荷的MNBs之间会产生静电排斥，能够避免气泡聚结，有助于气泡的稳定。Wang等的研究发现几种NBs的稳定性按照H 2 >空气>N 2 >CO 2 的顺序降序排列。NBs更慢的上升速度和更大的比表面积，也为污染物黏附到其表面提供了更多机会。
1.2
高zeta电位
MNBs界面周围的带电离子可以形成双电层，从而产生了界面电势差即界面zeta电位。气泡表面的离子吸附和内表面反离子的产生共同导致了MNBs的高界面zeta电位。MNBs的界面电位是决定气泡界面吸附性能的关键因素。zeta电位的高低不受气泡大小的影响，而与气体类型和水中表面活性剂浓度有关。水中MBs和NBs的负zeta电位与OH - 离子从水分子吸附到气泡界面有关，并受pH影响，NBs和MBs在2~12的pH范围内通常都带负电荷。MNBs的高负zeta电位会增强对带正电离子的吸附。
1.3
高传质效率
气体的传质速率取决于气液相的传质面积。MNBs具有高比表面积并且在液体中长期存在，能够增加液体和气体之间的接触面积和时间，从而促进了气/液界面的传质、吸附和化学反应。MNBs的内部压力随着半径的减小而增加，内部的这种高压倾向于使气体从高压区域扩散到周围的低压区域，从而使得MNBs收缩并最终崩溃。气体的扩散速率与压力梯度成正比，更小的气泡尺寸有利于提高气体传输效率。MNBs的自加压溶解可以增强气液传质，并且使水中含气量达到过饱和状态，从而使得MNBs能够持续进行气体传质过程并保持有效的传质效率。传统曝气工艺在消耗大量电能的同时，氧气传输效率却仅限于6%~10%，而利用MNBs可以将曝气效率提高两倍，且能耗更低。因此，较高的气体传输效率使MNBs曝气成为一种具有成本效益的氧气供应方法。然而，应该注意的是，MNBs的布朗运动以及塌陷产生的高水平热和冲击波可能会对生物细胞造成损害并去除生物膜。
1.4
产生活性氧
活氧性（ROS）产生的原理是当MNBs收缩坍塌时，气液界面的消失使得界面上高浓度正负离子积累的能量得到剧烈释放，从而产生大量羟基自由基。ROS的产生是由于在剧烈坍塌过程中绝热压缩引起的极高温度的结果。MNBs内的气体种类往往会影响自由基的产生量。与不含O 2 的MNBs相比，含有O 2 的MNBs更有利于生成羟基自由基。研究发现，适度ROS浓度可促进细胞增殖和存活。此外，生成的自由基还可以帮助降解各种难降解有机物或有毒化合物。
2
制备微纳米气泡方法及装置
MNBs的制备方法主要包括分散空气法、溶气释气法、空化法、膜法、电解法和溶剂交换法等。MNBs制备过程中较难使气泡尺寸完全统一。制备MBs的过程中会产生NBs，NBs的聚合又会形成MBs。微气泡中的一些制备方法同样适用于纳米气泡的制备。下文介绍几种常用的MNBs制备方法。
2.1
分散空气法
分散空气法主要利用高速剪切、快速搅拌、水力空化等方式，使气泡受剪切应力作用而被压碎形成MNBs。Ohnari等利用这一原理开发了一种圆柱形微气泡发生器，其液体流量可达12L/h，气液混合物的转速可达300~600r/s，气液流量比范围为（1/7）~（1/15），使用该装置可以产生直径10~50μm的微泡。由于需要将气液流体在装置内循环多次，该方法制备MNBs的操作时间较长，同时发生器内需要不断地供应气体。因此，需要开发更加紧凑、操作简单并在短时间内产生MNBs的发生器。
2.2
溶气释气法
溶气释气法是通过加压溶解气体后再降低压力从而产生MNBs的方法。溶气释气法的发生装置主要由气液混合泵、空压机和储气罐组成。气液混合泵和空压机通过加压分别将循环水和空气压入溶气罐，溶气罐内的高压使气体过饱和溶解，然后突然减压使气体以MNBs的形式从水中析出。MNBs的浓度受压力、减压时间和溶液表面张力影响。在考虑这些影响因素的基础上，可以利用活塞的反复移动来提供周期性的压力变化，从而制备高浓度的MNBs。
2.3
空化法
空化法包含了流体动力学、声学、光学和粒子空化。其中最常用的空化方式为流体动力学和超声空化。流体动力学空化是利用液体通过收缩部（节流阀、节流孔、文丘里管等），使得液体的动能/速度增加，压力急速降低并达到空化阈值压力，从而产生MNBs。文丘里管发生器是常用的MNBs发生装置，其具有尺寸紧凑、泵浦功率低和生成密度高等优势，生产出的MNBs平均直径通常低于100μm。Li等设计了一种文丘里式发生器，该装置将文丘里管、循环水泵、流量计、压力表、储气罐组成一个封闭的循环系统。在5~20min循环时间和2~5bar（1bar=0.1MPa）工作压力下，该装置能产生平均直径为180~210nm的NBs，这些NBs能够持续存在并稳定72h。
超声空化法能够产生直径为90~100nm的NBs。NBs的数量浓度随超声时间的延长而增加，并逐渐接近平衡值，约为1.5×10 9 m/L。当超声波照射到水中时，气泡核在超声波周期振荡作用下多次膨胀、压缩，成长为空化气泡，最后坍塌生成NBs。NBs是由于气泡核的生长和空化气泡的破裂产生，其数量浓度随着超声功率和频率的增加而降低。
2.4
膜技术
多孔膜技术是将加压气体通过溶液中不同孔径的膜而产生MNBs的方法。能够制备MBs的多孔膜有陶瓷膜、金属膜和玻璃膜等，这些膜的孔径一般在5nm~200μm。使用极小的孔不一定能确保产生小气泡，气泡在其形成过程中生长，最终从孔径出口分离时，它们的直径通常比孔径大很多倍。流体振荡器能够通过限制气泡的生长时间以及降低摩擦损失来减小MBs的直径。多孔陶瓷膜也是一种较好的NBs发生装置，具有耐腐蚀的特点。多孔膜纳米气泡发生器一般由加压罐、气压调节器、气体流量计及多孔膜组成，其能够在较短时间内产生大量尺寸可控的NBs。Ahmed等使用管状陶瓷纳滤膜在水中生成NBs，该装置需要在414kPa的压力和0.45L/min的流量下连续注入气体90min，以达到稳定的气泡尺寸分布和饱和点。
除了上述的一些常用方法，MNBs还可以通过电解法、溶液交换方法等方式产生。电解法具有能耗高、气泡产量小等缺点，限制了该技术的实际应用。溶液交换方法依赖于交换具有不同气体溶解度的两种溶液来产生MNBs，例如乙醇-水交换。该方法是实验室研究MNBs特性的常用方法。此外，MNBs也可以用温差法生产。通过加热，空气在水中的溶解度降低，导致气体过饱和，多余的气体无法释放，因此MNBs在固体表面上形成。以上这些生产方法所用到的部分装置（原理）如图1所示。
图1 部分MNBs产生装置示意图
由于对气泡发生器的要求较低，因此MBs的产生比NBs便宜得多，而MBs的特性又与NBs相似。因此，MBs和NBs的混合可以在一定程度上降低运营成本，更有利于实际应用。
3
微纳米气泡在厌氧消化中的应用
3.1
微气泡的应用
微气泡可作为代替微曝气的手段。微曝气是将少量空气或氧气加入厌氧系统，目的是为兼性水解和产酸微生物的生长提供有利环境。微需氧环境可定义为参考标准氢参比电极（SHE）的氧化还原电位（ORP）值在0~-300mV范围内的水性介质。厌氧环境的平均ORP水平为-300mV或更低。之前的研究表明，微曝气（O 2 /空气）有利于增强AD中的水解过程、提高甲烷产量、过程稳定性并清除硫化氢，O 2 或空气在AD中的可能反应见表2。然而，微曝气过程中气体传输效率较低且存在容易逸出的情况，可能增加AD过程的成本和复杂性。MBs气液接触面积大和气体溶解速率快等特性能有效提高气液传质效率和增强气体的利用率，降低生物发酵过程的通气比。将O 2 /空气以MBs的形式通入到AD系统有望降低微曝气的风险。Tartakovsky等利用电解向AD反应器提供O 2 和H 2 的新型微曝气方法，能够从沼气中洗涤硫化氢，并且通过氢营养途径增强甲烷产量。除了向AD反应器中通入空气和氧气，其他种类的气体也会对AD造成影响。Al-Mashhadani等研究了间歇喷射不同MBs对AD过程的影响，这些MBs由陶瓷扩散器和流体振荡器产生，平均直径在550μm，研究结果发现在AD中使用N2微气泡会对沼气的生成产生不利影响，且与MBs的通入量呈负相关。这是因为N 2 除了能够去除溶解或残留的甲烷外，还会去除同型产乙酸菌和氢营养产甲烷菌所必需的CO 2 和H 2 。而CO 2 -MBs的通入将倾向于增强CO 2 和H 2 产甲烷途径，还可以通过促进丁酸盐和丙酸盐发酵来增加乙酸盐的产量，使乙酸盐的供应增加，有利于抵消反应中较高水平CO 2 的直接负面影响，从而提高了甲烷产量。Nugroho等通过陶瓷扩散器定期将平均气泡尺寸在350µm至450µm之间的CO 2 -MBs注入AD系统，最终使得甲烷产量和甲烷产率分别提高196%和400%；同时，在注入CO 2 -MBs后，AD早期也观察到了更高的底物降解率（140%）。因此，将含有CO 2 的沼气以MBs的形式循环到厌氧消化器也会提高混合效率和CO 2 利用率，增加甲烷产量和浓度。CO 2 和H 2 -MNBs在AD中的可能反应见表2。
表2 空气、O 2 、H 2 和CO 2 -MNBs在AD中的可能反应
为了使AD过程中的CO 2 更多地转化为甲烷，提高甲烷含量，可以加入额外的H 2 来升级沼气。在AD中加入H 2 -MBs是一种潜在的沼气提质技术。MBs通过提高H 2 的气-液传质效率，来促进氢营养产甲烷菌利用H 2 将沼气中的CO 2 转化为CH 4 。Liu等对比了两个分别配备微纳米分布器（MNS）和普通微分布器（CMS）的厌氧搅拌釜反应器的产甲烷性能，并测试比较了H 2 的气液传质效果，发现MNS和CMS产生的平均气泡尺寸分别为220μm和845μm，其中能产生更高比表面积气泡的MNS实现了更高的气液传质以及更高产甲烷速率。MNS较高的能源产品比和经济性，使其具有可提高大型工厂中CO 2 和H 2 转化为CH 4 的应用潜力。Jensen等利用文丘里式喷射器来减小AD反应器中通入H 2 气泡的尺寸，以此来改善原位沼气升级的效率，通过利用基于过程数据构建CFD模型，分别模拟了2.5mm、10mm和40mm气泡的传质效果，结果发现气泡尺寸对有效的气体传输至关重要，气泡尺寸越小，气体传输效率越高。然而，沼气提质技术的进一步应用受到H 2 的来源和高成本限制。一种低成本和环境友好的选择是利用合成气代替H 2 ，将生物质经热解气化产生的合成气用于AD，可以生产高品质的生物燃气。同样的，这些合成气（CO+H 2 ）向CH 4 的生物转化也会受到合成气低溶解度和气液传质的限制。而通过利用微型气泡发生装置将合成气以MNBs的形式添加到AD系统中，可以有效克服这些问题。
3.2
纳米气泡的应用
NBs已在改善AD的水解和产甲烷步骤，以及提高工艺稳定性等方面得到应用，具有较好的应用前景。目前已制备出不同类型气体的纳米气泡水（NBW），并将其用作AD系统的添加剂。NBW将发生设备与厌氧反应器分离开来，有利于降低运行成本并且能够较为精准地控制NBs的添加量。目前有关于将NBW用于AD的相关研究，所用到的不同气体类型的NBW均通过加压机械循环结合螺旋液体流装置（气水循环）制备。该装置生产的不同类型NBW，包括H 2 -NBW、空气-NBW、N 2 -NBW和CO 2 -NBW，它们的总体气泡粒径均分布在100~300nm之间，且都能稳定存储14天。对于空气和O 2 -NBW，研究发现制备的空气-NBW中的溶解氧（DO）为（6.32±0.3）mg/L，与初始的去离子水或自来水中的DO浓度相似，表明其对DO的影响较小。Yang等利用气水循环装置生成了平均气泡直径为（159±2）nm的N 2 -NBW，将其用于废活性污泥（WAS）的AD后，发现N 2 -NBW能够显著增强WAS的水解过程，最终使总甲烷产量提高了29%。除了N 2 -NBW，空气、CO 2 和H 2 -NBW也被添加到废活性污泥的AD中，研究发现这些NBW都能有效提高水解酸化的效率，同时降低TOC和VFA的含量。NBW产生的ROS还能促进木质素降解。Yang等将N 2 -NBW用于木质素与WAS的厌氧共消化后，发现木质素降解量增加10%，甲烷产量提高了17%。Ho等比较了N 2 和CO 2 -NBW对木质素AD产甲烷的影响，发现在使用相同气泡制备方法的前提下，CO 2 -NBW的效果要略弱于N 2 -NBW，这与之前的研究恰好相反，分析不同结果的原因可能是由于底物的差异。此外，空气和O 2 -NBW也被用于木质纤维素的AD，其中O 2 -NBW反应器中检测到最高的ORP值(-412±14)mV，其次是空气-NBW(-475±1.4)mV，这些ORP值未达到抑制AD产生甲烷的条件。O 2 -NBs创造的微氧环境，能够增加兼性细菌活性，从而促进了秸秆中木质纤维素的水解并提高了甲烷产量。以上有关不同类型NBW的研究均表明添加NBW具有良好的促进水解效果，可用于难降解有机物的AD。除了增强水解，最近的研究还发现NBW还能够缓解高固厌氧消化（HSAD）过程中挥发酸（VFAs）以及氨氮的抑制，提高高固厌氧消化过程的稳定性。不仅如此，H 2 -NBs和CO 2 -NBs通过改善传质以及提高氢化物载体辅酶F 420 活性，可用于增强氢营养产甲烷途径，从而促进沼气提质。Fan等将H 2 -NBW添加到猪粪的AD中，使得CH 4 产量提高了39.3%，CH 4 含量也从50%提高到60%。Wang等发现添加H 2 -NBW的AD拥有比添加其他NBW更高的平均累积甲烷产率，并比未添加NBW的反应器高21%。
目前MBs在AD应用还处于中试规模，其对AD的影响还需要进一步研究。而有关NBs的研究主要是将NBW作为AD的添加剂，一种可行的替代方法是通过使用膜在AD系统中原位生成NBs。此外，在难降解废弃物的厌氧预处理以及厌氧膜生物反应器中的除垢等方面，NBs也有潜在的应用前景。
4
纳米气泡对厌氧消化的影响及可能的作用机理
到目前为止，有关MBs对AD影响的研究以及机理解释相对较少，其中O 2 -NBs主要起到微曝气的作用，N 2 -MBs通过降低CH 4 分压来减少CH 4 生成的热力学障碍，H 2 和CO 2 -MBs则通过促进氢营养产甲烷来提高甲烷产量，这些MBs均通过提高传质效率以及对应阶段微生物的活性来提高产甲烷性能。而对于NBs，特别是NBW，在AD的作用以及机理方面的研究相对较多。下面重点介绍NBs对AD的影响及可能的作用机理。由于NBs与MBs相似的性质，对NBs的相关研究也能在一定程度上反映MBs对AD的影响。MNBs对AD的可能影响如图2所示。
图2 微纳米气泡对厌氧消化的影响
4.1
增强水解酸化过程
NBW中的NBs可以促进液相和固相之间的接触，其疏水吸引力特性也有助于它们黏附在固体表面，从而促进传质和吸附。NBs表面可吸附小分子有机物和微量元素，与微生物一起作用于纤维素表面的寡糖层，然后通过增加水解产物（VFA）的产量来实现高负载纤维素水解酸化的增强，从而使产甲烷菌产生更多的CH 4 。NBs生成的·OH也可能有助于木质素分子内的C—C或C—O键的断裂。从促进传质的思路，也可以解释NBW对水解的增强。Wang等在研究NBW对纤维素AD的影响时，发现较高的zeta电位以及更长的质子自旋弛豫时间，导致了水分子较高的流动性和迁移率，这些特性提高了水分子对纤维素基质的渗透，增强了纤维素的水解。此外，NBW可以促进营养物质向微生物细胞的传质，这可能增强相关微生物的生物活性，从而促进底物的分解。特别的是，空气和O 2 -NBW通过创造微氧环境，促进了兼性厌氧菌的生长，有利于增强水解酸化过程。之前的研究也表明，微曝气可以刺激兼性细菌的生长，并产生更多的细胞外酶，从而提高水解速率。
4.2
缓解抑制并提高厌氧消化过程稳定性
高浓度的氨氮、VFAs、盐度会抑制AD过程，容易造成AD的失败。NBW的高迁移率和zeta电位等特性有利于缓解AD过程中的抑制，提高反应过程中的稳定性。空气和O 2 -NBs还可以创造微需氧环境，提高电子传输系统的效率，通过增强兼性细菌活性来降低VFAs浓度。Fan等研究发现，添加空气NBW增加了氨抑制下甲烷产量并缩短了反应的滞后期。NBW的加入使得总碱度（TA）迅速增加，VFA/TA迅速下降，从而提高了发酵系统的缓冲能力并减轻了氨抑制。与此同时，NBW组中还检测到更高水平的细胞外水解酶和辅酶F 420 ，这些酶有利于保证AD的稳定运行。此外，空气NBW还可以通过改善AD各阶段的微生物电子传递和相应的酶活性，来减轻高盐度对AD过程的影响。
4.3
影响酶活和微生物群落
有机废弃物的降解依赖相关微生物产生的各种酶的催化。酶活性的增加有利于促进AD过程。NBW可能通过改善传质速率、吸附作用以及促进微生物代谢来提高酶的活性。Wang等将O 2 -NBW用于纤维素的AD，发现AD期间纤维素酶活性提高了10%~38%，而最终测得的纤维素减少量增加了8%~14%。NBW的添加，还提高了脱氢酶（DHA）的活性，这有利于加速微生物代谢和底物降解。此外，NBW的添加还能够刺激产生更多的细胞外酶，以增强微生物的生长和代谢。Yang等在WAS的AD中发现，添加N 2 -NBW可以将四种细胞外水解酶（酸性磷酸酶、碱性磷酸酶、α-葡萄糖苷酶和蛋白酶）的活性提高14%~17%，有效促进了蛋白质和多糖的降解。除了提高水解阶段的酶活外，NBW还促进了产甲烷阶段辅酶F 420 含量的提高，体现出产甲烷过程的增强。
疏水和带负电的表面NBs还能够吸附厌氧微生物所必需的微量金属，这可能对厌氧微生物的生长有利。在不存在抑制的情况下，不同的MNBs都能够有效增强水解酸化阶段的微生物活性，从而间接促进产甲烷阶段的相关微生物的活性。特定的MNBs补充剂还可以直接增强产甲烷古细菌的相对丰度。在空气和O 2 -NBs诱导产生的微需氧条件下，兼性细菌活性和氢营养产甲烷的活性都得到了增强。活性自由基和离子具有高度氧化性，会破坏微生物的细胞膜、蛋白质和DNA。好氧和兼性细菌可以产生抗氧化酶并中和这些氧化物质，使它们能在有氧条件下生存；一些严格的厌氧菌也可以产生抗氧化酶以适应有氧环境。而在微需氧AD过程中，兼性细菌会迅速消耗氧气并保护对氧敏感的产甲烷菌和其他专性厌氧菌。因此，MNBs的加入必须保持不同微生物群之间的平衡和共生关系才能使AD稳定运行。
5
展望
作为一种无污染、无化学物质和低成本的技术，MNBs不仅可以增强复杂有机物的水解，还能缓解AD过程中可能存在高浓度氨氮、VFAs以及盐度的抑制，提高AD系统稳定性，最终促进CH4的生产。然而，MNBs在提高AD性能方面所涉及的机制还没有很好地描述，因此需要进一步研究含有MNBs的AD系统中底物转化的机制和途径，根据不同种类MNBs的不同特性，充分发挥其增强各种底物降解的潜力。
此外，随着MNBs技术的不断发展，MNBs的制造设备将变得简化，能耗也将越来越低，这对MNBs在AD中的应用十分有利。在此基础上，如何高效制备小粒径、高浓度、粒径均一的MNBs是未来需要研究的方向。
作者简介 ● ●
第一作者：奚永兰 ，副研究员，硕士生导师，研究方向为农业废弃物资源化利用。
通信作者：叶小梅 ，研究员，硕士生导师，研究方向为废弃物资源化利用。
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