云南大学化学科学与工程学院
蒋峰芝和季四平团队在《Communications Engineering》（《Nature》工程学子刊）上发表重要成果——乳制品废水处理实现“变废为能”闭环技术
近日，云南大学化学科学与工程学院蒋峰芝教授团队季四平副教授课题组，在《Nature》旗下工程学子刊上发表题为“From waste to energy: a closed-loop two-phase anaerobic digestion system for sustainable dairy wastewater management”的研究论文。该研究成功构建了自调节两相厌氧消化（TPAD）系统，实现了乳业废水的高效处理与能源回收，为行业提供了可规模化推广的可持续解决方案。
攻克行业难题：从高负荷废水到清洁能源的转化
乳制品废水因富含脂类、蛋白质等高浓度有机物，传统处理方法普遍面临能耗高、运行不稳定、资源未回收等挑战。研究团队创新集成厌氧折流板反应器（ABR）与上流式厌氧污泥床反应器（UASB），构建“吸附水解酸化-产甲烷”闭环处理体系。该系统通过分区代谢，无外源药剂的情境下逐步完成脂质吸附、蛋白质水解与高效甲烷转化，形成稳定运行的废水能源化流程。
综合效益：高效、低碳、资源化三重效益
在120天的实验室运行中，系统对化学需氧量（COD）的去除率达到97.06%-99.01%；氨氮浓度显著升高，印证了有机物充分水解；系统pH达到适宜产甲烷的弱碱性环境。同时，通过在云南、安徽、湖南三地开展工程化应用表明：COD去除率维持在78.13%-93.46%，沼气中甲烷含量稳定在83.20%-83.94%，污泥减量率超过75%。相较于传统工艺，该系统能耗降低64.71%-85.03%，温室气体排放减少88.01%-97.09，沼气产量可达0.35-0.48 m³·kg-¹ COD，真正实现“以废产能”（图1所示）。
图1两相厌氧消化系系统（TPAD）的运行性能、电耗及沼气产量对比
机制解析与可持续性评价
研究结合微生物群落分析（图3）、代谢通路图谱（图3）及生命周期评估（图2），揭示了TPAD系统的运行机制。微生物分析表明，系统具备地理适应性，不同省份项目中菌群结构各异但均能高效降解污染物。代谢分析明确了丙酸与丙酮酸代谢为核心酸化路径，乙酸营养与氢营养型产甲烷为主要气化途径(图3所示）。生命周期评估证实，该系统在全球变暖潜能等环境指标上显著优于传统单相工艺，投资回收期约4年，兼具环境与经济可行性(图2所示）。
图2.两相厌氧消化系统（TPAD）在湖南、安徽及云南三省的LCA环境影响
图3.微生物群落、甲烷代谢的宏基因组分析
推动行业绿色转型，服务双碳战略
该成果不仅为高浓度有机废水处理提供了新技术范式，实现“废水-沼气-能源”的闭路循环，更契合循环经济与可持续发展目标。技术具备向酿酒、食品加工等类似废水场景推广的潜力，其模块化设计也适应不同排放标准要求。估算表明，推广该技术每年可助力减排二氧化碳7.64-75.80 Mt，为中小型企业提供碳减排与能源自给的新路径，为产业绿色低碳转型提供关键技术支撑。
论文信息
· 论文链接：https://doi.org/10.1038/s44172-025-00568-2
· 资助项目：国家自然科学基金（No. 52360011）、云南省“兴滇英才支持计划”项目
· 合作单位：大连理工大学、广州大学等
