厭氧消化含油脂廢物的抑制緩解技術研究進展*

郝梓雯 吳麗杰# 呂永康

(1.太原理工大學省部共建煤基能源清潔高效利用國家重點實驗室，山西 太原 030024；2.太原理工大學煤科學與技術教育部重點實驗室，山西 太原 030024)

油脂是高級脂肪酸與甘油形成的酯。其中，油以不飽和高級脂肪酸甘油酯為主，常溫下為液體；脂肪以飽和高級脂肪酸甘油酯為主，常溫下為固體[1]。在生活中高油脂含量的廢物包括屠宰場、食用油精煉廠、牛奶奶油廠和食品加工廠的廢物，以及含油脂廢水、含油脂污泥、餐廚垃圾等。若處理不當極易引起廢物腐敗，對大氣、水體、土壤造成污染，危害人體健康，并對后續廢物資源化利用帶來不利影響[2]2。例如含油脂的廢水，若直接進入污水處理系統，油脂的附著會引起活性生物質漂浮，對污水處理系統、管道和節流器等產生負面影響[3]。所以選擇合適的含油脂廢物處理方式顯得尤為重要。與好氧處理相比，厭氧消化可以從廢物降解中生成甲烷，既節能環保，又能夠實現環境和經濟效益的協調統一，是處理含油脂廢物很好的選擇。LABATUT等[4]對玉米滲濾液、糞便、乳清、含油食品等約175個具有高度異質性特征的底物進行生物甲烷勢測試，其中富含油脂的底物平均比甲烷產率高達648.5 mL/(g·d)(以單位質量底物揮發性固體產生的的甲烷體積計)，含有高木質纖維素成分的底物產甲烷潛力最低，平均比甲烷產率為106.5 mL/(g·d)。且對比典型有機物的成分碳水化合物、蛋白質、脂類、乙醇、乙酸、丙酸等，脂類具有最高的產甲烷潛能且標準狀況下的甲烷產量是最高的[5]。故可利用這一優勢，選用厭氧消化技術，在無氧條件下，結合有機物去除和生產沼氣能源兩種形式，將廢物高度可持續降解。但在實際的厭氧消化操作中，還有很多的抑制因素，使得理論上的甲烷產量是不容易實現的。其中最重要的因素是中間產物長鏈脂肪酸(LCFA)的抑制[2]3。LCFA吸附于細胞膜表面，阻礙細胞的營養運輸，抑制細胞活性，最終導致厭氧消化過程受到抑制[6]16。而且抑制一旦發生，需要相當長的恢復期[7]316。為了促進含油脂廢物的厭氧消化過程順利進行、有效地生成甲烷，對緩解LCFA抑制和抑制后恢復的策略進行概括性論述。

1 LCFA的厭氧代謝機理

在厭氧消化過程中，油脂類化合物在水解菌及各種細胞外酶類作用下，水解產生LCFA和甘油，其中1 mol脂質可以分解為1 mol甘油三酯和3 mol LCFA[8]37。甘油在糖酵解的作用下直接分解為低級的揮發性脂肪酸，然后在產氫產乙酸菌作用下生成乙酸和氫氣。常見的LCFA有亞油酸(C18H32O2)、油酸(C18H34O2)、硬脂酸(C18H36O2)、棕櫚酸(C16H32O2)、肉豆蔻酸(C14H28O2)和月桂酸(C12H24O2)[9]258。根據有無飽和雙鍵又分為飽和LCFA和不飽和LCFA。飽和LCFA在同型產乙酸菌的作用下通過β-氧化降解為乙酸和氫，最后在產甲烷菌作用下生成甲烷[10]10。β-氧化過程可用式(1)表示，脂肪酸與輔酶A(CoASH)結合進行循環的β-氧化過程，即在每個循環中從脂肪乙酰輔酶A (CH3(CH2)nCO—S—CoA)中去除兩個碳原子，生成乙酸和氫氣[11]2。但降解LCFA 的微生物生長緩慢，且需要低氫分壓的條件，因此LCFA的β-氧化成為其降解的限速步驟。對于不飽和LCFA，WENG等[10]13提出了不飽和LCFA可能從鏈飽和開始，接著是β-氧化機制，也有部分不飽和LCFA可以直接進行β-氧化反應。不飽和LCFA比飽和LCFA的分解速率高[9]265。最后乙酸和氫氣在產甲烷菌作用下轉化為甲烷、二氧化碳和水，過程可用式(2)和式(3)表示[11]3。含油脂廢物的降解過程如圖1所示[8]24。

圖1 含油脂廢物降解流程

CH3(CH2)nCOOH+2H2O→CH3(CH2)n-2COOH+CH3COOH+2H2

(1)

CH3COOH→CH4+CO2

(2)

4H2+CO2→CH4+2H2O

(3)

LCFA在微生物細胞表面的吸附被認為是其產生抑制的主要因素[2]3。LCFA很容易包裹或吸附在微生物表面，阻礙可溶性有機物與微生物細胞之間的傳質過程，可溶性中間體無法進入微生物細胞及時分解，進而加劇中間產物的積累，產酸菌和產甲烷菌的活性會受到抑制，最終導致厭氧消化過程的失敗[7]316。LCFA生物吸附還會引起污泥漂浮，也是導致厭氧消化過程惡化的主要因素之一[12]。由于油脂密度較小，在厭氧污泥中易漂浮，所以當LCFA在生物質的表層吸附后，生物質密度、質量等物理狀態發生改變，引起懸浮進而導致污泥大量沖刷流失，致使厭氧消化過程失敗。

LCFA對厭氧消化的抑制是一種快速抑制但恢復時間長的現象。KOSTER等[13]將厭氧污泥暴露在LCFA抑制濃度下僅7.5 min后，產甲烷活性就降低了50%。實驗中若LCFA產生抑制后，想要恢復重新產甲烷可能需要幾個月的時間[7]322,[14]。LCFA抑制后恢復時間長，甚至很難恢復的原因是，抑制后存活的產甲烷菌非常少。LCFA吸附在產甲烷菌表面，導致細胞通透性降低，阻礙了營養鹽等有機物與細菌的傳質過程，無法滿足其生長的活性條件，致使產甲烷菌失活甚至死亡。即使稀釋后LCFA濃度不足以產生抑制，厭氧消化也很難繼續順利進行。但實時熒光定量聚合酶鏈式反應分析結果表明，LCFA在厭氧消化過程中對產甲烷菌的抑制作用是可逆的[9]264。

2 抑制的影響因素

2.1 LCFA濃度和種類

LCFA的濃度是影響它對厭氧消化抑制的一大因素，LCFA與碳水化合物和蛋白質不同，即使在低濃度范圍也對細菌有阻礙作用，但程度不同[8]39。LCFA的抑制程度還隨著反應系統內LCFA濃度和微生物量的比率(也就是系統內LCFA/生物量)變化而變化[7]319,[8]39。PALATSI等[15]4595對比評估添加活性接種劑降低LCFA/生物量、添加吸附劑吸附LCFA降低LCFA/生物量兩種方式，結果發現前一種方式下高微生物含量使得LCFA降解速率更快，還可以提高反應對LCFA抑制的適應性。WU等[16]422在食物垃圾與隔油池廢物的厭氧共消化研究中，探明脂質負荷率的上限為1.61 g/(L·d)，當脂質/總固體增加到70%時將會發生抑制，導致厭氧消化過程失敗。在抑制后恢復方面，LCFA/生物量也是一個重要的影響因素。WU等[7]321將被LCFA抑制的污泥與接種劑混合，提高了混合液中的生物量，降低了LCFA濃度，使LCFA/生物量減小，觀察到受抑制污泥恢復產甲烷的時間縮短。但在LCFA對產甲烷菌活性的影響實驗中發現，LCFA濃度對抑制產甲烷菌活性起主要作用，而LCFA/生物量在其測試范圍僅起到次要作用[17]。

這種由于LCFA高初始濃度引起的抑制作用稱為濃度依賴性，它也與LCFA的鏈長和飽和程度有關。在對產甲烷菌的不利影響中，更長的鏈長和更多的不飽和鍵對其抑制更為明顯[18]。例如SOUSA等[19]4240研究發現不飽和油酸對產甲烷菌的抑制作用比飽和硬脂酸和棕櫚酸更大。

2.2 厭氧微生物和污泥的種類

不同的厭氧微生物受LCFA抑制影響的方式、敏感程度、耐受程度不同，這可能與其細胞膜特性和成分等不同有關[19]4239。相比革蘭氏陰性菌，革蘭氏陽性菌和產甲烷菌的細胞壁結構相似，更容易被LCFA抑制[20]432。與氫營養型產甲烷菌相比，乙酸型產甲烷菌更易受LCFA的影響，嗜高溫菌比嗜中溫菌對LCFA抑制更敏感[19]4239。

懸浮污泥和顆粒污泥、經過油脂馴化和未經油脂馴化的污泥等不同種類污泥受LCFA抑制的效果也不同。研究表明懸浮污泥、顆粒污泥和絮凝污泥的比表面積和粒徑不同，具有更大比表面積的懸浮和絮凝污泥更易受到油脂的抑制[21]。經過油脂馴化的污泥中具有更豐富的LCFA分解菌，因此對LCFA抑制的耐受能力更高[22]266。

2.3 反應條件

反應的溫度、pH及氫分壓等條件也會影響LCFA的抑制，由于LCFA的降解過程受不同反應條件的制約，若其降解過程受阻，大量的LCFA累積將對厭氧過程造成抑制。HWU等[23]在兩個中溫(30、40 ℃)和一個高溫(55 ℃)下進行LCFA抑制實驗，發現提高操作溫度使乙酸型產甲烷菌對油酸的抑制更加敏感。由于較高的溫度可以增加LCFA的溶解度，增強了其生物利用度，因此高溫下LCFA的抑制作用更加明顯。根據Monod型速率方程，在LCFA降解的產酸反應過程中，pH過低會對分解反應產生抑制，使反應難以繼續進行，因產甲烷菌適宜在中性條件生長，最佳pH一般在6.6～7.6之間[8]41。MONTAéS等[24]通過調控pH，使之在產甲烷菌的最佳pH范圍內，對比不調控pH的反應，其生物產甲烷速率明顯提高。從微生物和熱力學理論分析，為使LCFA進一步降解，需要低氫分壓的條件。由于LCFA在產乙酸菌作用下進行β-氧化生成乙酸和氫氣是非自發反應，且反應需要有利的熱力學條件即吉布斯自由能的變化量小于零，因此只有當氫氣濃度足夠低時，平衡發生移動，朝著生成氫氣的方向反應，整個消化過程才能順利進行[8]44,[20]431。

3 緩解抑制和抑制后恢復策略

3.1 LCFA抑制的應對策略

3.1.1 稀 釋

高濃度LCFA是影響含油脂廢物厭氧消化的一個重要因素，LCFA積累并在污泥及細菌表面吸附，造成厭氧消化過程的抑制[7]316。加水稀釋可以降低LCFA的濃度，減少它在污泥及細菌表面的吸附，從而緩解LCFA對厭氧消化的抑制作用。

也可以將稀釋作為厭氧污泥抑制后恢復的一種策略。例如WU等[7]318將被抑制的污泥按20%(體積分數)、40%、60%和80% 4種不同配比稀釋，發現80%的水稀釋對抑制污泥的快速恢復有積極作用，通過稀釋的方法降低了反應物中LCFA的濃度，使部分吸附的LCFA回到液相中，經過一段時間，受到抑制的污泥恢復產甲烷。

3.1.2 預處理

含油脂廢物具有很大的產甲烷潛力，但也因油脂成分對其厭氧消化過程造成抑制，所以需要對含油脂廢物進行適當預處理，促進油脂底物的分解和利用，這樣既不損失含油脂廢物的產甲烷能力，同時還能緩解抑制。例如劉伊等[25]利用高溫濕熱預處理餐廚垃圾，增加了油脂等有機大分子的溶解性。李洋洋[6]86利用熱調質預處理餐廚垃圾，使大分子有機質預水解，提高了油脂的溶出率，緩解了油脂對后續厭氧消化過程的不利影響。此外還可以輔助采用多種物理和化學手段，對含油脂廢物進行預處理。例如彭立宇[26]在餐廚垃圾的預處理階段加入油脂降解菌重點對油脂進行分解利用，同時輔助以超聲破碎和檸檬酸添加等手段促進高油脂底物的降解，進一步強化了餐廚底物的深度處理。徐一雯等[27]用超聲、堿熱、微波等手段預處理餐廚垃圾，促進了基質中脂肪等大分子有機物溶出分解，提高了反應器的產甲烷速率，緩解了廚余垃圾碳氮比較低、營養元素不均衡等問題。含油脂廢物僅靠微生物自身分泌的脂肪酶難以滿足油脂快速水解的要求，可以加入外源脂肪酶進行預處理，促進油脂的水解，厭氧消化的甲烷產量也會隨之增加[28]。但CIRNE等[29]發現，當脂肪酶添加量達到一定程度時，會加劇中間產物LCFA的累積，進而抑制甲烷生成，因此適當的脂肪酶添加量對預處理十分重要。

3.1.3 共消化

厭氧共消化是在反應器中同時對不同種類的廢物進行生物降解，有利于創造所需營養元素的適當比例，含油脂廢物采用厭氧共消化還可以調節LCFA/生物量，稀釋LCFA等抑制成分，提高反應器的緩沖能力[15]4593。目前餐廚垃圾和污水、污泥和牛糞等其他成分的厭氧共消化已經越來越普遍。且大多數共消化的研究在緩解LCFA抑制、提高處理效率和甲烷產量方面都觀察到顯著的改善。AMHA等[30]同時添加食物垃圾、油脂進行厭氧共消化，發現共消化對甲烷生成具有積極影響。在共消化中油脂成分分散更均勻，緩解了中間產物的累積，使微生物能更大程度地降解油脂[16]423。但在實驗操作過程中，對參與厭氧共消化的底物添加比例有一定要求，若添加比例不當，反應仍會受到過量LCFA的抑制，導致運行失敗。WU等[16]425將食物垃圾和隔油池廢物以脂質/總固體為55%(質量分數)的比例進行厭氧共消化，甲烷產量比食物垃圾的單獨消化提高了68%，而當脂質/總固體為70%時將會導致厭氧過程失敗。PAN等[31]將餐廚垃圾與污泥按1∶1(體積比)混和時，其共消化的產甲烷量是單獨消化的4.49倍。

厭氧共消化也可作為一種使LCFA抑制后快速恢復的策略。PALATSI等[15]4594通過添加活性接種劑，觀察到抑制污泥的恢復時間縮短。WU等[7]321將受抑制的污泥與接種劑混合，一段時間后受抑制的污泥恢復產甲烷，且接種劑的比例越高，恢復產甲烷時間越短。

3.1.4 添加劑

添加吸附劑將LCFA吸附、添加一價陽離子將LCFA轉化為可溶性懸浮鹽、添加二價或三價陽離子產生LCFA的沉淀鹽等，都可減少LCFA的生物利用度，達到緩解其抑制的目的[32]。常用的吸附劑有沸石、膨潤土、氯化鈣、黏土、氫氧化鐵、陽離子等。表1介紹了一些使用不同添加劑以緩解LCFA抑制的方法及產生的效果。

表1 不同添加劑對緩解LCFA抑制的效果

WU等[7]317在受LCFA抑制的污泥中加入膨潤土，一定程度上加快了其抑制后恢復的速度，是一種可行的LCFA抑制后恢復策略。但與添加膨潤土相比，添加氯化鈣在縮短抑制后恢復時間、減少試劑用量方面效果更好[40]。ROY等[41]在含硬脂酸和油酸的培養基中添加氯化鈣培養，可以有效逆轉LCFA抑制消化的現象。

3.2 微生物對抑制影響的應對策略

3.2.1 微生物馴化

許多研究證明，經油脂馴化的接種劑能有效緩解LCFA引起的抑制，提高反應器的穩定性[22]267。這是由于油脂馴化后的接種劑充分增殖了具有分解LCFA能力的細菌，可提高對油脂的生物降解能力。也有研究將添加脂肪后污泥受抑制情況解釋為厭氧微生物對脂類的適應程度，因此可將經過油脂馴化的接種劑對LCFA的耐受性解釋為一種適應性[42]。PEREIRA等[43]614研究發現，添加油脂馴化的接種劑比未添加的產甲烷率提高了50%。ALVES等[22]269證明了添加預先與油脂接觸的污泥可增加反應對油酸抑制的耐受性。

WU等[7]319將受抑制污泥與經過油脂馴化的污泥按不同比例接種，發現隨著經過油脂馴化的污泥接種比例的提高，受抑制污泥的恢復時間縮短，且在中溫條件下，添加經過油脂馴化的接種物甚至比添加膨潤土的策略能更快地恢復產甲烷。PEREIRA等[43]620也在添加經油脂馴化的接種劑后，發現因LCFA抑制引起的恢復期變短。

3.2.2 生物質再循環

生物質再循環，一方面將馴化后具有更強脂質降解能力的生物質保存并再循環利用；另一方面，通過再循環，改善了反應器內物質分布，調節系統內LCFA/生物量，有效緩解LCFA對厭氧消化的抑制。有研究發現生物質再循環可顯著降低LCFA對產乙酸菌和產甲烷菌的抑制效應[44]。在處理含脂質廢水時，循環會對含脂質廢水起保護作用，并通過降低LCFA濃度提高反應的穩定性[43]612。PEREIRA等[43]617研究發現，再循環降低了β-氧化過程的速率限制，流動稀釋了LCFA的濃度，對緩解因LCFA引起的抑制有顯著效果。

3.2.3 微生物固定

在傳統的厭氧消化過程中，大量厭氧微生物隨著出料被排出，反應器內無法保持很高的微生物活性。添加微生物載體，為微生物的存留和生長提供了良好的條件，可以將微生物細胞停留時間延長，促進LCFA的降解，緩解其抑制作用。WANG等[45]將聚氨酯泡沫立方作為生物膜載體加入厭氧序批式反應器中，在有機負荷速率3.5～5.0 g/(L·d)、水力停留時間13.3 d下運行，微生物細胞停留時間為89～150 d，污泥停留時間為24～36 d。已有研究論證了LCFA/生物量會影響厭氧消化效率[15]4593。因此，添加微生物載體，使反應器內微生物的數量和種類在一個很高的活性水平，降低LCFA/生物量，可以起到緩解LCFA對厭氧消化的抑制作用，提高厭氧消化效率[46]。SHAO等[47]添加聚酯無紡布填料作為微生物載體，對比不添加填料的空白對照組產甲烷率提高了161%。CHEN等[48]利用碳布這種導電性微生物載體，使微生物附著，同時通過載體自身的導電性促進互營菌之間的直接電子轉移，提高了厭氧消化速率。

3.2.4 反應器的改良

研究者們考量厭氧消化含油脂廢物的優勢與弊端，對反應器進行改良、開發并設計了新型反應器，以緩解LCFA的抑制作用，提高反應器處理效率。ALVES等[49]設計了一種專為處理富含LCFA的廢水的高效厭氧消化反應器，將廢水中LCFA在生物質上包裹造成的污泥漂浮問題，作為保留生物量的一種手段，并設置了一個用于保留沉降生物質的二次處理系統，使微生物保留并循環利用，起到緩解LCFA抑制的作用。HARIDAS等[50]在反應器中設置由浮力聚苯乙烯顆粒組成的顆粒濾床，將生物質過濾，并在過濾器反沖洗過程中，將固體重新返回反應器的反應區，很好地保留了其生物產甲烷能力。KIM等[51]利用連續攪拌式產酸反應器和上流式厭氧污泥床產甲烷反應器組成兩相反應器，對比傳統的上流式厭氧污泥床的單相反應器，更多的LCFA被降解，反應器的產甲烷率提高。WANG等[52]采用厭氧序批式反應器處理含油脂廢物，與傳統的攪拌釜反應器相比，能更好地適應高有機負荷的環境，設置固液分離板還可以阻隔大塊污泥上浮，保證了厭氧共消化反應體系的穩定性。

4 結 語

含油脂廢物具有很高的產甲烷潛力，但厭氧消化含油脂廢物很容易受到LCFA的抑制，阻礙厭氧消化進程，因此探究緩解LCFA抑制及其抑制后的恢復策略具有重要意義。根據不同策略所對應的抑制影響因素，可將其劃分為以下3種：為解決LCFA濃度對抑制的影響，采用共消化、預處理、添加吸附劑等方式，減少LCFA在微生物表面的吸附量，從而緩解LCFA對厭氧消化的影響；應對微生物對LCFA抑制的影響，可選用接種油脂馴化的接種劑、生物質再循環、微生物固定等方式保留和豐富可降解LCFA的細菌，使LCFA充分降解，緩解其抑制作用；另外可從反應器著手，利用LCFA厭氧代謝機理設計改良反應器，緩解LCFA對厭氧消化的抑制。