引用本文  |
, 聶銘1 , 楊裕然1 , 張燦1 , 劉璟1 , Ming Nie1 , Yuran Yang1 , Can Zhang1 , Jing Liu1 隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷加快，污水處理總量和餐廚垃圾(Kitchen waste，KW) 數(shù)量逐年增長(zhǎng)，每年剩余污泥(Excess sludge，ES) 產(chǎn)量高達(dá)4 000–6 000萬(wàn)t[1]，KW年均產(chǎn)量約9 000萬(wàn)t[2]，預(yù)計(jì)到2025年，全球?qū)a(chǎn)生約22億t的KW[3]。目前KW和ES處理方法主要有填埋、熱能技術(shù)(焚燒、水熱處理)、生物轉(zhuǎn)化技術(shù)(堆肥、厭氧消化) 等[4-6]，其中，厭氧消化因其資源回收率高、環(huán)境影響小而被認(rèn)為是一種解決各類有機(jī)廢物的經(jīng)濟(jì)有效方法。厭氧發(fā)酵液中小分子物質(zhì)，如乙酸、丙酸、丁酸等揮發(fā)性脂肪酸(Volatile fatty acids，VFAs)，在合成生物塑料[7]、螯合重金屬[8]、提高土壤肥力[9]等方面均具有重要作用。此外，VFAs作為污水處理過(guò)程中反硝化菌的碳源，能顯著提高脫氮效率，增加微生物多樣性[10]，因此，利用ES和KW的厭氧發(fā)酵液作為外部碳源的方式在污水處理廠被廣泛研究和應(yīng)用，并在長(zhǎng)期運(yùn)行條件下實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)可行性。
本文總結(jié)分析了KW與ES單獨(dú)及其協(xié)同下厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的優(yōu)劣勢(shì)及其機(jī)理，以及控制厭氧共發(fā)酵產(chǎn)酸的關(guān)鍵因素，以期為降低城市有機(jī)固體垃圾處理難度、增加資源循環(huán)同時(shí)減少環(huán)境污染提供參考。
1 單一底物厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸面臨的困境及共發(fā)酵產(chǎn)酸的優(yōu)勢(shì)在厭氧發(fā)酵過(guò)程中，復(fù)雜有機(jī)物在降解菌的作用下轉(zhuǎn)化為有機(jī)單體后，可發(fā)酵生成各類VFAs，其蛋白質(zhì)釋放量是好氧發(fā)酵的4.5倍[11]。有研究發(fā)現(xiàn)[12]，不同發(fā)酵底物構(gòu)成對(duì)VFAs的生產(chǎn)速率具有較大影響，蛋白質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)酸過(guò)程明顯短于其他基質(zhì)，油脂水解速度快，但多以長(zhǎng)鏈脂肪酸(Long-chain fatty acids，LCFAs) 的形式存在，從而影響VFAs生產(chǎn)速率。
據(jù)報(bào)道，污水處理廠通過(guò)ES厭氧發(fā)酵產(chǎn)生VFAs，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)65%的廢水處理所需能源自給[13]。目前，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者分別針對(duì)ES厭氧發(fā)酵的產(chǎn)物回收率及穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，其中，碳氮比值(Carbon/Nitrogen，C/N) 低、水解過(guò)程中產(chǎn)堿度導(dǎo)致pH值偏高均被認(rèn)為是限制ES高效生成VFAs的重要原因[14-15]。通常建議發(fā)酵C/N在20/1–30/1之間，但原污泥中的C/N僅為7.2/1[16]，Morales-Polo等[17]發(fā)現(xiàn)，ES碳氮比多數(shù)介于6到9之間，劉和等[18]研究發(fā)現(xiàn)，增加碳源濃度后，ES的VFAs總量持續(xù)增加，發(fā)酵產(chǎn)酸途徑也由乙酸向丙酸、丁酸逐步轉(zhuǎn)變。
相反，KW中充足的蛋白質(zhì)、碳水化合物和脂肪類物質(zhì)具有極高的生物降解性，各種微生物繁殖快，但由于KW存在高鹽、微量元素的限制以及水解過(guò)程酸化速度過(guò)快等特點(diǎn)[3]，單獨(dú)厭氧發(fā)酵易使微生物的生物活性受到嚴(yán)重抑制，擾亂產(chǎn)酸發(fā)酵過(guò)程的穩(wěn)定性。Zhao等[16]研究發(fā)現(xiàn)，相對(duì)低濃度(0–8 g/L) 的NaCl可促進(jìn)KW中可溶性物質(zhì)的釋放和蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化，為短鏈脂肪酸的生產(chǎn)提供更多的能源物質(zhì)，同時(shí)抑制產(chǎn)甲烷過(guò)程，但相對(duì)高濃度(16 g/L) 的NaCl則顯著抑制酸化過(guò)程。此外，由于KW極易腐敗發(fā)臭，滋生蚊蠅及病原菌，傳統(tǒng)厭氧發(fā)酵很難實(shí)現(xiàn)無(wú)害化處理，而污泥的穩(wěn)定性可以破壞病原體及減少刺激性氣味，因此，二者聯(lián)合發(fā)酵可以很好地彌補(bǔ)各自單獨(dú)發(fā)酵所存在的不足，實(shí)現(xiàn)協(xié)同效應(yīng)，顯著提升ES發(fā)酵系統(tǒng)的性能，增加VFAs產(chǎn)量[19-20]。
在20世紀(jì)80年代Hills首次提出厭氧共發(fā)酵概念，他將牛糞與大麥秸稈混合發(fā)酵后發(fā)現(xiàn)：較秸稈單獨(dú)發(fā)酵而言，聯(lián)合發(fā)酵效率明顯提高[21]。隨后，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)厭氧共發(fā)酵進(jìn)行了大量研究。Wu等[15]證明KW和ES聯(lián)合發(fā)酵可同時(shí)增加水解菌和產(chǎn)酸菌數(shù)量，平均VFAs產(chǎn)量與平均酸化率均比單獨(dú)發(fā)酵顯著提升。Li等[22]的研究也表明厭氧共發(fā)酵的VFAs產(chǎn)量比KW單獨(dú)消化增長(zhǎng)了8.38%。
2 厭氧共發(fā)酵產(chǎn)酸過(guò)程及其生物代謝機(jī)制厭氧發(fā)酵的水解與產(chǎn)酸并非相互獨(dú)立的過(guò)程，幾乎同時(shí)進(jìn)行。有機(jī)物在降解過(guò)程中，既是電子受體也是電子供體，葡萄糖經(jīng)糖酵解(Embden-Meyerhof pathway，EMP) 途徑轉(zhuǎn)化為丙酮酸，蛋白質(zhì)在水解成氨基酸后，首先由乙酰輔酶A和丁酰輔酶A分別通過(guò)磷酸轉(zhuǎn)乙酰酶(Phosphotransacetylase，PTA) 和磷酸轉(zhuǎn)丁酰酶(Phosphotransbutyrylase，PTB) 轉(zhuǎn)化為乙酰磷酸鹽和丁酰磷酸鹽，再分別由乙酰激酶(Acetyl kinase，AK) 和丁酰激酶(Butyryl kinase，BK)轉(zhuǎn)化為乙酸和丁酸[23]。脂類物質(zhì)則在脂肪酶的作用下生成LCFAs和甘油[24]，LCFAs遵循β氧化機(jī)理進(jìn)行生物降解，主要產(chǎn)物為乙酸和氫氣，甘油則在微生物的作用下分解成1, 3-丙二醇、乳酸、乙醇等(圖 1)[22-23]。
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| 圖 1 有機(jī)物厭氧發(fā)酵水解和酸化過(guò)程簡(jiǎn)圖[23]Fig. 1 Schematic diagram of the hydrolysis and acidification of organic matter in anaerobic fermentation[23]. |
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圖選項(xiàng)
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根據(jù)產(chǎn)酸末端產(chǎn)物組成，可將發(fā)酵產(chǎn)酸類型分為：丁酸型發(fā)酵、丙酸型發(fā)酵、乙醇型發(fā)酵。據(jù)報(bào)道，有機(jī)廢物組成差異與有機(jī)物代謝途徑相關(guān)聯(lián)，不同基質(zhì)將呈現(xiàn)出以某種VFAs或醇類為主的發(fā)酵產(chǎn)物或不同產(chǎn)率。研究發(fā)現(xiàn)，以可溶性碳水化合物為主的有機(jī)廢物在高溫條件下單獨(dú)發(fā)酵，其主要代謝產(chǎn)物為丁酸，稱為丁酸發(fā)酵途徑，當(dāng)pH低于5.0時(shí)，發(fā)酵液還原傾向增強(qiáng)，逐漸向丙酮-丁醇發(fā)酵途徑轉(zhuǎn)換[12, 25]，而以纖維素、蛋白質(zhì)和脂肪為主的有機(jī)物主要代謝產(chǎn)物則為乙酸[26]。
Liu等[27]研究了不同比例的餐廚垃圾在酸性條件下(pH 5.5) 與污泥共發(fā)酵產(chǎn)酸的情況，結(jié)果表明，VFAs總濃度隨著KW占比的增加而增加，共發(fā)酵產(chǎn)VFAs的主要成分為丁酸(50.3%–73.2%)和乙酸(23.5%–37.6%)，KW單獨(dú)發(fā)酵的VFAs組成與之相似，而ES無(wú)論滅菌與否，其主要產(chǎn)物均為乙酸，占總VFAs的71.2%–75.2%。這說(shuō)明污泥中的微生物并不是影響ES單獨(dú)發(fā)酵與共發(fā)酵之間VFAs類型的差異的原因，KW中的有機(jī)物可能才是影響發(fā)酵過(guò)程的主要因素。隨著乙酸累積量的增大，部分乙酸向丁酸轉(zhuǎn)化，其他類型酸(甲酸、丙酸) 濃度仍保持相對(duì)穩(wěn)定，說(shuō)明高有機(jī)負(fù)荷率(Organic load rate，OLR) 有利于抑制乙酸型產(chǎn)甲烷途徑[28]。并且，當(dāng)KW與ES混合比例大于1︰1時(shí)，脂肪酸會(huì)出現(xiàn)二次積累現(xiàn)象[29]，可能是由于高負(fù)荷條件下，可溶性碳水化合物與蛋白質(zhì)優(yōu)先降解，脂肪酸在微生物利用后的剩余濃度未達(dá)到抑制餐廚垃圾中難降解的部分有機(jī)物(如纖維素) 降解的條件，纖維素隨著時(shí)間增加而溶出利用，進(jìn)而造成脂肪酸再次積累。另外，低負(fù)荷可能會(huì)使VFAs的主要類型由乙酸和丁酸向異戊酸、丁酸和乙酸轉(zhuǎn)變[30]，Jiang等[31]也得到了相似的研究結(jié)果，認(rèn)為降低負(fù)載會(huì)減緩乙酸的生成。
2.2 產(chǎn)酸途徑及發(fā)酵類型的生物代謝調(diào)節(jié)研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)酵類型的穩(wěn)定性，主要由NADH/NAD+、ATP產(chǎn)量和發(fā)酵產(chǎn)物酸性末端產(chǎn)物量這3個(gè)因素來(lái)控制，而NADH/NAD+是影響發(fā)酵類型的最主要因素，但由于NADH與NAD+的平衡在氧化還原過(guò)程中存在失衡現(xiàn)象，因此，需要通過(guò)代謝調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)平衡狀態(tài)。任南琪等[25]研究認(rèn)為，高OLR條件下產(chǎn)乙酸的速率加快，導(dǎo)致H2和NADH產(chǎn)量升高，當(dāng)NADH出現(xiàn)積累，代謝途徑會(huì)逐漸向產(chǎn)丙酸途徑轉(zhuǎn)變，所以，丙酸積累極有可能是由于NADH產(chǎn)率過(guò)高所導(dǎo)致的。任南琪等[32]和王勇等[33]研究還發(fā)現(xiàn)C/N可以影響NADH/NAD+水平，促使不同發(fā)酵產(chǎn)酸類型的形成。在低C/N條件下，污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸途徑為乙酸發(fā)酵，主要是通過(guò)氨基酸之間的Stickland反應(yīng)形成，而隨著C/N的增大，丙酸和丁酸的主要代謝途徑轉(zhuǎn)變?yōu)樘墙徒獾谋嵬緩?sup style="line-height: 0px; overflow-wrap: break-word; word-break: break-all;">[18]。
此外，通過(guò)調(diào)控其他限制性因子，也可實(shí)現(xiàn)定向選擇發(fā)酵類型。據(jù)趙丹等[34]分析，當(dāng)pH 5.0，較高的氧化還原電位(Oxidation-reduction potential，ORP)，可以使丁酸型發(fā)酵菌群和乙醇型發(fā)酵菌群被淘汰，轉(zhuǎn)變?yōu)楸嵝桶l(fā)酵，而低ORP則形成丁酸型發(fā)酵。但ORP較低時(shí)，低pH (4.2) 又形成乙醇型發(fā)酵，當(dāng)初始生態(tài)位形成后，ORP無(wú)論是降低或升高，發(fā)酵類型始終保持不變。由此可見，pH和ORP相互制約著產(chǎn)酸相的發(fā)酵類型。據(jù)報(bào)道，堿性條件更利于VFAs的生產(chǎn)，F(xiàn)eng等[23]對(duì)pH影響VFAs形成關(guān)鍵酶活性的研究發(fā)現(xiàn)，在堿性條件下(pH 8.0)，乙酸的產(chǎn)率最高時(shí)，AK比PTA活性高，在酸性條件下(pH 4.0–5.0)，BK的活性優(yōu)于PTB，此時(shí)生成了更多的丁酸，說(shuō)明由AK催化乙酰磷酸鹽及由BK控制丁酰磷酸鹽的生物轉(zhuǎn)化率更高。
2.3 微生物的群落結(jié)構(gòu)影響發(fā)酵產(chǎn)酸途徑發(fā)酵產(chǎn)酸是酸化菌群利用水解產(chǎn)生的小分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化為更簡(jiǎn)單的化合物并分泌到細(xì)胞外，同時(shí)合成新的細(xì)胞物質(zhì)的過(guò)程，因此，微生物群落結(jié)構(gòu)組成對(duì)發(fā)酵途徑起著關(guān)鍵性作用。根據(jù)產(chǎn)酸微生物降解有機(jī)物的產(chǎn)物類型，可將發(fā)酵微生物分為乙醇型發(fā)酵菌群、丙酸型發(fā)酵菌群、丁酸型發(fā)酵菌群(圖 2)。
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| 圖 2 產(chǎn)酸發(fā)酵微生物代謝途徑及群落演替[26]Fig. 2 Metabolic pathways and community succession of acid-producing fermentation microorganisms[26]. |
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圖選項(xiàng)
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研究發(fā)現(xiàn)，豐富的有機(jī)物使3種群落在發(fā)酵前期同時(shí)存在，但仍以丙酸型發(fā)酵菌群為主。隨著發(fā)酵時(shí)間延長(zhǎng)，可供發(fā)酵細(xì)菌代謝所需的資源緊缺，各類細(xì)菌出現(xiàn)種間競(jìng)爭(zhēng)，優(yōu)勢(shì)菌群的組成及其生理代謝特性不斷發(fā)生改變，導(dǎo)致有機(jī)物代謝途徑變化。任南琪等[25]發(fā)現(xiàn)，整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中梭桿菌屬Fusobacterium均占據(jù)一定優(yōu)勢(shì)，其他優(yōu)勢(shì)菌屬逐漸從纖毛桿菌屬Leptotrichia、梭狀芽孢桿菌屬Clostridium向擬桿菌屬Bacteroides、氣桿菌Aerobacter轉(zhuǎn)變，發(fā)酵過(guò)程呈現(xiàn)丁酸→丙酸→丁酸→乙醇途徑變化。丁酸型發(fā)酵菌群在發(fā)酵過(guò)程中兩次成為優(yōu)勢(shì)菌群，但呈現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)菌屬組成卻不同，隨著酸性物質(zhì)積累，Leptotrichia被演替為擬桿菌屬Bacteroides。此外，穩(wěn)定的乙醇型發(fā)酵優(yōu)勢(shì)菌群除Bacteroides、Clostridium和Fusobacterium外，還有發(fā)酵單胞屬Zymomonas，但當(dāng)Bacteroides為唯一優(yōu)勢(shì)菌群時(shí)，乙醇發(fā)酵處于不穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)各脂肪酸含量均較低，說(shuō)明穩(wěn)定的發(fā)酵狀態(tài)及高VFAs產(chǎn)量是多類微生物共同作用的結(jié)果。當(dāng)廢水處理系統(tǒng)中以丙酸桿菌屬Propionibacterium、韋氏球菌屬Veillonella為主時(shí)，丙酸型菌群的主要產(chǎn)酸途徑為琥珀酸-丙酸途徑。
綜上所述，厭氧發(fā)酵定向產(chǎn)酸過(guò)程的有效性很大程度上取決于功能微生物的多樣性和豐度，這是一個(gè)多類微生物與環(huán)境相互作用、相互適應(yīng)的過(guò)程，因此，表征微生物群落動(dòng)態(tài)對(duì)定向提高VFAs的產(chǎn)量具有指導(dǎo)意義。
3 影響厭氧共發(fā)酵過(guò)程及產(chǎn)VFAs的因素微生物是厭氧共發(fā)酵過(guò)程的主體，然而溫度、pH值、預(yù)處理手段、水力停留時(shí)間(Hydraulic retention time，HRT)、OLR、混合比例等外部環(huán)境因素會(huì)影響微生物群落組成與活性，從而影響產(chǎn)酸過(guò)程與效率。
3.1 高溫有利于微生物代謝產(chǎn)酸及VFAs積累溫度對(duì)KW和ES的降解速率和產(chǎn)酸效率具有較大影響。適宜的溫度會(huì)加速厭氧微生物群落的代謝活動(dòng)及種群動(dòng)態(tài)變化，并對(duì)各種化合物的水解動(dòng)力以及各階段中間產(chǎn)物的溶解度造成一定影響[15, 35]。據(jù)報(bào)道，產(chǎn)酸菌的最佳溫度在35 ℃左右，當(dāng)溫度低于20 ℃時(shí)，產(chǎn)酸效率將降低50%以上[25]，Cha等[36]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度從30 ℃降到15 ℃時(shí)，底物的降解速率從92%降低到25%。Yuan等[37]研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，ES在24.6 ℃發(fā)酵6 d時(shí)的VFAs產(chǎn)量相當(dāng)于14 ℃發(fā)酵14 d的量，是4 ℃發(fā)酵9 d的VFAs產(chǎn)量的3.57倍。
而且高溫明顯促進(jìn)底物粒徑變小，更有利于蛋白質(zhì)等有機(jī)氮的轉(zhuǎn)換，促進(jìn)丙酸積累，并緩沖發(fā)酵系統(tǒng)的pH[12]，因此，厭氧消化一般是在中高溫(35–60 ℃) 條件下進(jìn)行[38]。Zamanzadeh等[39]研究發(fā)現(xiàn)，高溫(55 ℃) 條件下KW的水解率和VFAs產(chǎn)量高于中溫條件，并顯著降低甲烷產(chǎn)率，Hao等[40]的研究也證明了這一觀點(diǎn)。鄭舍予[38]分析不同溫度對(duì)ES和KW共發(fā)酵產(chǎn)酸效果后發(fā)現(xiàn)，高溫(55 ℃) 條件下的VFAs產(chǎn)量是常溫(25 ℃)下的3.05倍，兩者共發(fā)酵的產(chǎn)量較污泥單獨(dú)發(fā)酵而言提高了1.24–1.87倍，說(shuō)明高溫和共發(fā)酵，均能極大程度提高VFAs產(chǎn)量。
3.2 發(fā)酵液pH值影響VFAs生成及類型pH值是厭氧發(fā)酵系統(tǒng)最重要的參數(shù)，產(chǎn)酸菌的敏感性稍低，可在pH 3.0–11.0的范圍內(nèi)發(fā)揮作用[20, 41]，其中，中性pH值更有利于產(chǎn)酸菌的生長(zhǎng)，堿性pH值更利于發(fā)酵產(chǎn)酸積累。Chen等[42]和Wu等[43]研究指出堿性條件下產(chǎn)生的VFAs要大于中性和酸性條件，但同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生許多生物無(wú)法降解的化合物，并對(duì)后續(xù)VFAs的產(chǎn)生具有抑制作用[44-45]。研究發(fā)現(xiàn)KW和ES共發(fā)酵有利于VFAs產(chǎn)生的原因是：KW在水解起始階段會(huì)形成大量的有機(jī)酸，導(dǎo)致反應(yīng)系統(tǒng)pH迅速降低，不利于水解菌和產(chǎn)酸菌生長(zhǎng)[46]，而ES厭氧發(fā)酵初始pH呈堿性，可緩沖KW水解酸化的沖擊，使pH維持在水解作用的適宜范圍，加速蛋白質(zhì)和多糖的水解速率，增強(qiáng)底物的溶解[47-48]。
此外，pH還間接影響發(fā)酵液中可被產(chǎn)酸菌群利用的可溶性底物質(zhì)量，進(jìn)而影響有機(jī)物厭氧發(fā)酵產(chǎn)VFAs類型和含量的差異。如徐杰[49]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)pH < 5.0時(shí)，主要進(jìn)行乳酸發(fā)酵，當(dāng)pH 5.0–6.0時(shí)，丁酸發(fā)酵占優(yōu)勢(shì)，當(dāng)pH > 6.0時(shí)，主要代謝產(chǎn)物為乙酸和丙酸，且在最優(yōu)條件下的丙酸濃度達(dá)(7.13±0.61) g/L[50]。綜上所述，鑒于產(chǎn)甲烷菌的最適pH為6.8–7.2，因此，厭氧發(fā)酵系統(tǒng)pH調(diào)節(jié)至6.0–6.8或7.2–11.0，既有利于產(chǎn)酸微生物生長(zhǎng)，又能減少產(chǎn)甲烷菌對(duì)VFAs的利用，實(shí)現(xiàn)VFAs的積累。
3.3 有機(jī)負(fù)荷率影響產(chǎn)酸發(fā)酵類型及VFAs產(chǎn)量OLR是指每天每體積反應(yīng)器中輸入的有機(jī)底物量，能反映厭氧消化過(guò)程中微生物處理有機(jī)物的能力[51-52]。研究發(fā)現(xiàn)，高OLR對(duì)厭氧產(chǎn)酸過(guò)程的影響是多方面的。首先，大量有機(jī)可溶性底物的持續(xù)供給，有利于提高VFAs的濃度[31]，并縮短HRT[48]。Wainaina等[52]發(fā)現(xiàn)，增加OLR 15 d后，所有反應(yīng)系統(tǒng)的VFAs濃度均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。李浩[48]也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)OLR提升至5.05 g/(L·d) (HRT=15 d) 時(shí)，VFAs出現(xiàn)少量積累，提升至15.93 g/(L·d) (HRT=5 d)，VFAs濃度提高到5.81 g/(L·d)。其次，OLR也影響VFAs的類型[52]，Shen等[53]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)OLR低于2.0 g/(L·d) 時(shí)，整個(gè)消化過(guò)程主要為乙醇型發(fā)酵，隨著OLR升高(> 2.0 g/(L·d))，丙酸會(huì)迅速積累，占領(lǐng)主導(dǎo)地位。此外，改變OLR也會(huì)影響微生物群落結(jié)構(gòu)[52]。Ma等[54]分析表明，隨著OLR的增加，預(yù)發(fā)酵處理氨基酸厭氧降解菌Proteiniphilum的相對(duì)豐度由12%增加到32%，成為體系中的優(yōu)勢(shì)菌群，并增加了VFAs積累。這可能是由于高OLR條件下，蛋白質(zhì)降解導(dǎo)致氨基酸濃度升高，為Proteiniphilum的繁殖提供了充足的營(yíng)養(yǎng)，同時(shí)形成的高濃度氨氮也抑制產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)。
3.4 HRT過(guò)長(zhǎng)會(huì)抑制產(chǎn)酸微生物活性HRT是厭氧共消化中另一個(gè)重要參數(shù)，它關(guān)系到底物在發(fā)酵過(guò)程中與厭氧微生物接觸的時(shí)間，從而影響VFAs的產(chǎn)量。隨著HRT的增加，水解效率和VFAs產(chǎn)量隨之增加，但如果HRT過(guò)長(zhǎng)，累積的VFAs會(huì)導(dǎo)致發(fā)酵液過(guò)酸，影響水解菌和產(chǎn)酸菌的生長(zhǎng)，導(dǎo)致脫氮效率降低和運(yùn)行成本增加[55-56]。Miron等[57]研究表明：在HRT低于8 d時(shí)，產(chǎn)酸菌為優(yōu)勢(shì)菌群，而后逐漸被產(chǎn)甲烷菌代替，這可能是不同微生物的世代時(shí)間不同導(dǎo)致的。Chen等[58]利用響應(yīng)面法探究VFAs產(chǎn)量與HRT間的相關(guān)性表明，VFAs濃度隨著HRT增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，在HRT 8.8 d時(shí)，VFAs達(dá)到最高濃度26.48 g/L。綜上，對(duì)于KW和ES的厭氧共消化，必須嚴(yán)格分析和優(yōu)化HRT，以避免VFAs不足或累積而影響發(fā)酵系統(tǒng)效率。
3.5 預(yù)處理促進(jìn)生物降解速率及VFAs產(chǎn)量由于KW中參與厭氧發(fā)酵的有機(jī)物多以固態(tài)形式存在，而污泥發(fā)酵受到胞外聚合物膠結(jié)和絮凝的限制，微生物胞外酶很難與這些固態(tài)底物直接有效接觸，導(dǎo)致整個(gè)過(guò)程中的水解速率和VFAs的產(chǎn)率降低。因此，采取適當(dāng)?shù)念A(yù)處理方式來(lái)增加底物的溶解度，并強(qiáng)化有機(jī)廢物的生物降解速率具有重要意義。目前，促進(jìn)VFAs從KW和ES中生成的有效途徑主要包括物理預(yù)處理(超聲[59]、微波[60]、熱水解[61]、凍融/解凍[62])、化學(xué)預(yù)處理(氧化法[38]、堿解[63]、表面活性劑、零價(jià)鐵[64])、生物預(yù)處理(生物酶、生物強(qiáng)化[65]) 等。
She等[62]利用凍融/解凍的方法對(duì)ES進(jìn)行–24 ℃預(yù)處理8 h，35 ℃解凍2 h，循環(huán)操作5次，結(jié)果表示，該處理增溶作用顯著，化學(xué)需氧量(Chemical oxygen demand，COD) 釋放量為955.4 mg/L，12 d內(nèi)VFAs最大累積量為4 852 mg/L，并顯著增加了Bacteroidetes和Firmicutes的豐度。Li等[66]研究表明，適當(dāng)?shù)母邷啬軌驈?qiáng)化ES中微生物的溶胞效果，對(duì)縮短發(fā)酵時(shí)間、提高乳酸、VFAs產(chǎn)量具有積極作用，經(jīng)110 ℃熱處理后VFAs產(chǎn)量得到提高。Jiang等[67]采用超聲預(yù)處理提高KW水解速率，發(fā)酵液中碳氮源的含量均出現(xiàn)不同程度的提高，70 h后VFAs的產(chǎn)量高達(dá)98.1 g/L。
事實(shí)上混合預(yù)處理更能達(dá)到低成本、高能源回收率的效果。據(jù)報(bào)道，游離亞硝酸(Free nitrous acid，F(xiàn)NA) 與堿、十二烷基苯磺酸鈉、茶皂素或烷基聚葡萄糖苷等配合使用，可產(chǎn)生大量VFAs[68-71]。Wu等[72]證明，F(xiàn)NA和冷凍協(xié)同處理可促進(jìn)增溶和有機(jī)物的釋放，短鏈脂肪酸最高濃度分別是冷凍和FNA單獨(dú)預(yù)處理的1.6倍和1.3倍。王率率等[73]研究發(fā)現(xiàn)，ES經(jīng)熱-堿混合預(yù)處理后，COD比原污泥提高了29倍，VFAs最高為9.1 g/L，可能是由于高溫和堿協(xié)同作用，加速了污泥胞外聚合物的溶解和胞內(nèi)有機(jī)物的釋放。
3.6 其他因素交互影響甲烷及VFAs產(chǎn)量在厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的過(guò)程中必然伴隨產(chǎn)甲烷過(guò)程，因此要提高有機(jī)廢物厭氧發(fā)酵積累VFAs需要適當(dāng)調(diào)整發(fā)酵條件，從而抑制甲烷生產(chǎn)。目前，對(duì)甲烷的抑制主要是針對(duì)產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌之間的生理生化特性差異來(lái)實(shí)現(xiàn)的，例如通過(guò)添加甲烷抑制劑、利用甲烷菌對(duì)氧的敏感性、避開其喜好的中性偏堿pH以及降低HRT等方法[25]。有研究表明，ES單獨(dú)發(fā)酵時(shí)，短時(shí)間內(nèi)使用1 μmol/mL的2-溴乙烷磺酸(2-Bromoethanesulfonate，BES) 可完全抑制甲烷菌的活性，并增加乙酸積累[74]，然而當(dāng)KW與ES以1︰1混合發(fā)酵時(shí)，添加BES或增加初始O2對(duì)VFAs的產(chǎn)率均沒有顯著影響，因此，在底物高負(fù)荷時(shí)，不需要外加BES抑制，底物本身代謝生成的高濃度脂肪酸或者氨氮就能抑制甲烷菌生長(zhǎng)[30]。據(jù)報(bào)道，當(dāng)總氨濃度控制在1.7–14.0 g/L或NH3-N濃度為0.2–0.5 g/L時(shí)，會(huì)導(dǎo)致甲烷產(chǎn)量降低約50%[29, 75]。在中溫條件下，0.05–0.07 g/L的油酸可抑制50%的消化性能，當(dāng)油酸濃度達(dá)到3 g/L時(shí)，可減少約73%的甲烷產(chǎn)生，并積累VFAs[76]。
C/N同樣是影響厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的一個(gè)重要因素，通常的發(fā)酵最佳C/N在20–30之間，而KW為高C/N基質(zhì)，ES的C/N僅6–9，因此采用合適的比例混合厭氧處理，對(duì)于改善發(fā)酵過(guò)程具有重要意義[17]。付勝濤等[77]發(fā)現(xiàn)KW和ES以1︰1的中溫混合共發(fā)酵可顯著提高脂肪酸產(chǎn)量，且緩沖效果、系統(tǒng)穩(wěn)定性和處理效率也較理想。但趙宋敏等[78]和Pan等[79]研究發(fā)現(xiàn)，同樣是中溫發(fā)酵，當(dāng)混合物質(zhì)量比為4︰1時(shí)，脂肪酸的產(chǎn)量達(dá)到最高，這可能是KW中基質(zhì)組成不一樣導(dǎo)致的。采用中心復(fù)合設(shè)計(jì)和響應(yīng)面法對(duì)KW和ES生產(chǎn)VFAs的工藝參數(shù)分析表明：KW成分占88.03%，水力停留時(shí)間為8.92 d，有機(jī)負(fù)荷為8.31 g VSS/(L·d)，發(fā)酵pH為6.99時(shí)，VFAs產(chǎn)值最高[59]。此外，適當(dāng)提高發(fā)酵底物中溶解鹽(即鈣、鎂、鉀和鈉) 含量會(huì)增強(qiáng)鹽析作用，降低脫氫酶活性，導(dǎo)致微生物生長(zhǎng)受到抑制，降低甲烷產(chǎn)量。
綜上所述，ES和KW協(xié)同高效生產(chǎn)VFAs是多種因素共同作用的結(jié)果，最主要的原因還是發(fā)酵全程各環(huán)境因子的動(dòng)態(tài)變化，導(dǎo)致微生物活性、功能微生物的豐度等發(fā)生改變，從而引起的產(chǎn)酸代謝途徑的不同。
4 厭氧共發(fā)酵積累VFAs的總結(jié)與展望KW和ES作為一種廢物原料，其厭氧發(fā)酵液具有較高的資源回收意義[7-10]，但KW發(fā)酵產(chǎn)酸受高鹽、水解過(guò)程酸化速度過(guò)快及病原物多等因素抑制，而ES存在C/N低、發(fā)酵過(guò)程產(chǎn)堿度高、功能微生物物種單一等缺點(diǎn)[3, 14-15]，單一底物進(jìn)行發(fā)酵很難實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可行性。目前大量學(xué)者利用不同廢棄物混合發(fā)酵的方法以獲得更優(yōu)的微生物產(chǎn)酸條件及VFAs產(chǎn)量[15, 22]，但由于發(fā)酵底物組成差異導(dǎo)致KW與ES協(xié)同發(fā)酵產(chǎn)物重現(xiàn)性差，VFAs類型難以實(shí)現(xiàn)定向產(chǎn)出。KW與ES協(xié)同發(fā)酵過(guò)程中，底物粒徑對(duì)產(chǎn)酸效果影響頗大，前期研究多采用超聲波或機(jī)械破碎減少餐廚垃圾粒徑從而增加接觸面積[80]，生產(chǎn)工藝相對(duì)復(fù)雜。生物強(qiáng)化也限于本土微生物馴養(yǎng)或添加生物酶，而馴養(yǎng)本土微生物厭氧發(fā)酵是通過(guò)改變底物組成及環(huán)境因子形成某一特定功能的頂級(jí)微生物群落，但在實(shí)際商業(yè)化應(yīng)用中很難實(shí)現(xiàn)環(huán)境條件的實(shí)時(shí)監(jiān)控并對(duì)它的改變做出及時(shí)響應(yīng)，因此，通過(guò)馴化種群繁多的本土微生物來(lái)實(shí)現(xiàn)高效VFAs生產(chǎn)仍然面臨許多挑戰(zhàn)。
大量研究表明，底物粒徑直接影響消化速率及VFAs的生成量，本實(shí)驗(yàn)室前期篩選得到部分高效降解餐廚垃圾的菌株，可在24 h內(nèi)快速液化餐廚垃圾，使其粒徑迅速減小，有助于后期VFAs快速生產(chǎn)。結(jié)合該研究結(jié)果及目前面臨的問題，未來(lái)需要從以下方向開展進(jìn)一步研究：1) 結(jié)合地區(qū)飲食差異，削減環(huán)境因素(鹽度、油度、辣度等) 對(duì)VFAs產(chǎn)量帶來(lái)的影響，實(shí)現(xiàn)VFAs高效及定向生產(chǎn)。2) 接種外部微生物，構(gòu)建新的微生物產(chǎn)酸發(fā)酵體系。將上述實(shí)驗(yàn)室篩選得到的菌株定向接入發(fā)酵系統(tǒng)，探索外部微生物迅速在發(fā)酵系統(tǒng)中成為優(yōu)勢(shì)菌群的條件，通過(guò)改變?cè)形⑸锶郝浣Y(jié)構(gòu)，逆向影響環(huán)境條件，形成穩(wěn)定高效的發(fā)酵產(chǎn)酸系統(tǒng)。3) VFAs的分離提取，是一項(xiàng)非常復(fù)雜的工藝，為避免分離技術(shù)帶來(lái)的影響，在后續(xù)的研究中，將KW與污水處理廠的原廢水進(jìn)行協(xié)同處理，接入實(shí)驗(yàn)室高效反硝化菌株，可能會(huì)表現(xiàn)出更好的消化及反硝化潛能，同時(shí)有助于進(jìn)一步降低污水處理在商業(yè)化應(yīng)用中的運(yùn)行成本，成為一種新的城市有機(jī)固體垃圾處理方法。
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