新型3D微生物胞外电子捕获器强化废水厌氧生物产甲烷体系中直接种间电子传递研究

20250122

水利、环境和公共设施管理业

科技成果目前在技术上的成熟度：（1）该项成果中“基于微电场快速富集电活性微生物的方法”已成功实现实验室规模技术研发。通过调节导电材料的导电性能改善污泥中胞外电子传输动力学，可有效促进DIET功能菌的选择性富集。同时通过外加电场的方式可持续提高电活性微生物的富集效率。（2）“3D结构微生物胞外电子收集器的构建”已完成实验室规模的制备，目前需要进一步开展中试规模的技术验证，重点优化中试规模表面原位聚合法制备具有3D结构的胞外电子收集器的条件，以提升导电材料包覆后电活性微生物的活性。（3）“3D结构微生物胞外电子收集器强化废水厌氧生物产甲烷系统”已完成实验室规模技术开发。后续需进行中试规模的技术验证，重点优化3D结构微生物胞外电子收集器在中试系统中的固定和活性维持方法，以确保厌氧系统的稳定运行和性能提升。 工艺性能：（1）基于微电场快速富集电活性微生物的方法成功构建，使得厌氧系统中电活性细菌的丰度提升2.6倍，有效增强系统中DIET效率。（2）研发的3D结构微生物胞外电子收集器显著改善产电细菌胞外电子传递，使得微生物产电能力提高3倍，系统电阻降低80%以上，厌氧消化系统中电子转移路径缩短30%以上。（3）具有3D结构电子捕获器的电活性微生物杂化体提高废水资源化回收效率，使得厌氧系统中甲烷累积产量和产生速率均提高3倍以上。 科技成果转化所处阶段：“基于微电场快速富集电活性微生物的方法”已顺利完成实验室规模的技术研发，并已申报2项专利；“3D结构微生物胞外电子收集器的构建”及“3D结构微生物胞外电子收集器强化废水厌氧生物产甲烷系统”均已完成实验室规模的技术研发，尚需进一步申请国家发明专利。上述三项成果均需加快推进中试规模的技术验证工作，以确保其在更大规模下的可行性和应用潜力。目前，相关成果尚未实施转化。

若以技术合作的方式进行成果转化，则合作方需满足以下需求： 资金支持：合作方需提供充足的资金，涵盖设备费用（包括中试规模技术验证所需设备的建设或租赁费用、新型材料制备设备等）、材料费用（包括新型材料的原料费用、电活性微生物菌种的采购及培养费用等），以及中试过程中所需的设备维护费用等。 场地支持：合作方需提供足够的场地面积，包括用于新型材料制备和3D结构胞外电子捕获器制备的室内实验室或车间空间，以及支持废水厌氧生物产甲烷装置运行所需的相应场地。 人员配备：合作方需配备具备相关专业背景的人员，包括具有化学或材料学背景的工作人员用于新材料和3D结构胞外电子捕获器的制备，以及具有环境工程背景的工作人员负责废水厌氧生物产甲烷装置的运行与维护。 通过充分的资源和人员支持，确保合作项目能够顺利推进并实现技术转化。

可国（境）内外转让

预期经济效益：（1）建设成本低。该技术的主要建设成本包括厌氧消化罐、填料、土地和地基建设等。例如，构建一个100吨有效容积的消化罐，成本约30万元；按容积比1%投加填料，成本约5万元；进料、沼气收集等附属设施费用约30万元。相较传统系统，该技术显著提高废水甲烷转化速率，厌氧消化反应装置的容积缩小至传统系统的1/3以下，主体设备占地减少50%左右，总体建设成本降低约50%。（2）运行成本低。由于主体设备体积缩小至传统系统的1/3，加温保温所需能耗大幅降低，同时所需泵、搅拌器等电耗设备的能量需求也减少，使得整体运行成本较传统系统降低约60%。尽管建设时增加了填料成本，但综合考虑建设与运行费用，成本整体减少近60%。（3）高效能源回收。该技术产生的沼气中甲烷含量可达60%以上，比传统技术高出约5%，从而显著降低后续生物气提纯的成本。提纯后的生物气可作为工厂的能源补充，进一步减少工厂的电能消耗。 预期社会效益：基于胞外电子传递路径优化的废水厌氧生物产甲烷技术具有显著的环境和经济优势。该技术不仅有效减少了传统好氧生物处理过程中将有机污染物氧化为二氧化碳所造成的资源浪费，还能显著降低曝气带来的高能耗，从而节约处理成本并减少温室气体排放。从能源回收角度来看，厌氧微生物将废水中的有机污染物转化为甲烷的过程具有重要的应用潜力。通过优化胞外电子传递路径，该技术显著提高了有机废水的产甲烷效率和能源化利用效率，为废水资源化和能源回收提供了更加高效的解决方案。此外，该技术紧密契合国家发展改革委等三部委联合发布的《推进污水处理减污降碳协同增效的实施意见》中提出的政策目标，尤其是在“协同推进污水处理全过程污染物削减与温室气体减排”和“研发高浓度有机废水资源化处理技术列为重点突破”的战略要求下，能够有效服务国家在“有机废水处理减污降碳”方面的需求，具有广泛的应用前景和政策支持。

北京市自然科学基金面上项目

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

科技成果来源：基于北京市自然科学基金项目“新型3D微生物胞外电子捕获器强化废水厌氧生物产甲烷体系中直接种间电子传递研究”（8222068）研究，形成了科技成果“基于胞外电子传递路径优化的厌氧生物产甲烷技术”。 技术原理：（1）通过直接向废水厌氧生物产甲烷系统中投加导电材料的方式，改变厌氧体系电子和物质流动方向，调控氧化还原物质生成进而提高胞外电子的定向传递；实现对电活性细菌和古菌的高效富集，提高微生物代谢能力并强化产甲烷基因表达；同时充分发挥导电材料“储存-再分配”的特性，提供额外能量促进电活性微生物的生长；基于此提出构建以Geobacter和Methanobacterium为代表的核心菌群增强导电材料通过DIET理论强化厌氧生物产甲烷的过程。因此通过调控导电材料的理化性质可改变厌氧生物系统中的胞外电子转移动力学，调控电活性微生物的富集生长，进而促进废水回收资源化效率。（2）通过表面原位聚合法制备具有3D结构的胞外电子捕获器的电活性微生物杂化体，实现单细胞水平上功能菌电子空闲管道和“死管”的连接，增加胞外电子的释放量并降低电子转移阻力；同时3D结构导电材料层收集“远端”电子，并以电子跃迁的方式传递至与古菌的直接接触位点，克服了胞外电子以扩散形式传递导致效率缓慢的难题；极大降低了胞外传递过程中的能量损耗，提高厌氧体系中甲烷转化效率。 关键性技术指标：（1）导电材料空隙和缺陷是改善生物/非生物界面电子传递的关键因子，通过导电材料优化实现电活性细菌丰度提高2.6倍，厌氧生物产甲烷速率提高2.3倍。（2）3D结构的胞外电子捕获器使电活性微生物产电能力提高3倍，电子传递阻力降低81.78%，厌氧体系中的胞外电子传递路径缩短30%以上。（3）聚吡咯@希瓦氏菌杂化体实现厌氧系统累积甲烷产量提高3.83倍，甲烷产率提高3.68倍。 应用前景：强化废水厌氧生物处理系统中的DIET过程是提高产甲烷和能源回收的关键途径，不仅减少传统好氧生物处理将有机污染物转化为二氧化碳所造成的资源浪费，也能降低好氧处理过程中高能耗曝气的需求，从而节省处理成本并减少二氧化碳排放。研究表明，当废水中COD浓度为500 mg/L时，产电量可达到1.93 kW/m??。若能有效回收废水中50%的有机污染物能量，将能实现能源回收的预期目标。根据统计，北京市年均排放废水超过14亿吨，且该排放量呈逐年增长趋势，污水中有机物含量丰富。因此，从能源回收角度看，利用厌氧微生物将废水中的有机污染物转化为甲烷，具备广阔的应用前景。