我国畜禽粪污年产量超38亿吨，厌氧发酵产沼气和中链羧酸是实现畜禽粪便资源化及升值化利用的主流技术。但是，厌氧发酵过程中存在厌氧细菌种间电子传递效率低，高浓度氨氮抑制，传质效率低等问题，导致发酵效率低，底物转化率低，甲烷和中链羧酸产量低。针对这些问题，畜牧所养殖污染控制与资源化创新团队开展了一系列工作，取得了显著成效。相关研究成果发表一区SCI论文5篇，授权中国发明专利5项，授权美国发明专利1项。
（1）针对养猪场产生的养殖废水，设计了微生物电解池耦合厌氧发酵装置。研发了NiCo-BDC复合水热炭材料修饰阴极，将风能光能互补发电装置用于微生物电解池的供能，并通过设置不同供电时间的方式进一步减少能源消耗。通电18h后断电6h的复合水热炭阴极组实现了最高的累计甲烷产量（305.11 mL/g COD），比传统反应器提高了36.89%。间断供电提高了阴极生物膜的活性，实现了更高的能量回收效率，有效减少了微生物电解池厌氧发酵系统的能量消耗。微生物群落分析发现，阴极表面富集了大量的氢营养产甲烷菌（Methanoculleus），使其在最高氨氮浓度下仍保持高产甲烷性能。论文发表在一区SCI期刊Renewable and Sustainable Energy Reviews（IF 16.3）。
（2）针对高固体含量厌氧发酵存在的氨氮抑制问题，研发了多种氨氮吸附材料吸附过量的氨氮，以解除氨氮抑制。氨氮吸附材料包括MOF基改性材料和普鲁士蓝类化合物纳米颗粒基纳米纤维膜复合材料。在总固体含量为10%的半连续运行条件，MOF材料的加入大大减轻了氨氮的抑制作用。与对照组相比氨氮浓度降低40.21%。纳米纤维膜复合材料的添加降低了挥发性脂肪酸和氨氮的浓度，甲烷产量最高（301.31 mL/g VS），是空白对照组的 2.8 倍。且发酵结束后纳米纤维膜复合材料被成功回收，实现外源添加材料的重复利用。论文发表在一区SCI期刊Fuel（IF 7.0），以及一区SCI期刊Renewable Energy（IF 9.0）。
（3）针对畜禽粪便等复杂底物厌氧发酵效率低的问题，采用外源添加酰基高丝氨酸内酯调控。在发酵的第5天添加酰基高丝氨酸内酯后累积甲烷产量最高可达310.7 ± 2.56 mL/g VS，比对照组增加 47.71%。外源 加酰基高丝氨酸内酯促进了厌氧系统中复杂底物的水解和酸化以及释放的低分子量有机酸的利用。甲烷古菌的作用得到加强，细菌的优势相对减弱，建立平衡的共生代谢关系。富集的甲烷菌加强了养氢型甲烷生成途径。论文发表在一区SCI期刊Applied Energy（IF 10.1）。
（4）针对畜禽粪便厌氧发酵产中链羧酸电子传输效率低，传质效率低，中链羧酸产量低的问题。研发了高曲率纳米气泡技术强化发酵过程，提高链延伸法制备中链羧酸的收率。该技术使得己酸浓度显著提高至15.10 g/L，较对照组提高55.03%，参与链延伸的细菌以及电子转移的细菌富集。高曲率纳米气泡的独特能力可以分解纤维素等难降解物质，提高底物转化率；增强了厌氧发酵系统的电子传递能力，加速氧化还原反应，提高了反应活性。论文发表在一区SCI期刊Waste Management（IF 7.1）。
以上研究工作获得国家自然科学基金（No. 42377485），江苏省农业自主创新项目（CX(21)2015），江苏省自然科学基金（BK20201242）支持。成果主要完成人为叶小梅研究员、奚永兰研究员、南京工业大学联合培养博士生刘洋、江苏大学联合培养硕士生王成成、贾昭炎。
文章链接：
https://doi.org/10.1016/j.rser.2024.114947
https://doi.org/10.1016/j.renene.2023.119564
https://doi.org/10.1016/j.fuel.2023.129536
https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2024.122621
https://doi.org/10.1016/j.wasman.2024.05.029
授权发明专利：
[1]叶小梅,奚永兰,王成成,等.一种铁镍MOF/聚丙烯腈纳米纤维膜复合阴极及其制备方法和应用[P].授权中国发明专利，ZL202210601362.0,2024-01-23.
[2]叶小梅,奚永兰,刘洋,等.MEC-AD系统的改性阴极制备方法及其高效低能耗应用[P].授权中国发明专利，ZL202311552068.6, 2024-02-09.
[3]奚永兰,刘洋,叶小梅,等.一种微生物电解池辅助厌氧折流板反应器及应用[P].授权中国发明专利，ZL202311552077.5, 2024-03-01.
[4]奚永兰,曹春晖,刘洋,等.以厨余垃圾为原料的腐殖酸改性生物炭制备方法及其应用[P].授权中国发明专利，ZL202410363269.X,2024-05-31.
[5]奚永兰,刘洋,叶小梅,等.一种利用具有高曲率界面纳米气泡水增强有机废弃物厌氧发酵生产中链羧酸的方法[P].授权中国发明专利，ZL202311292542.6,2024-06-28.
Xiaomei Ye;Yonglan Xi;Yang Liu et al., Preparation method for modified cathode MEC-AD system and application of system with high efficiency and low energy consumption[P].授权美国发明专利12145873,2024-08-06.