污泥發酵產酸資源化利用的研究進展

王保生，王柯丹，藺洪永，謝佳，黃龍，李海松，

（1. 鄭州大學 生態與環境學院，河南 鄭州 450001；2. 知和環保科技有限公司，河南 鄭州 450001；3. 中原環保股份有限公司，河南 鄭州 450006）

城鎮污水處理廠普遍采用活性污泥法進行污水處理，剩余污泥（以下簡稱污泥）是活性污泥法的主要副產物之一。據2021 年我國生態環境統計年報數據顯示，污泥產量為4 592.1 萬t[1]，預測至2025 年產生的污泥量將達到6 000 萬t[2-4]。污泥的處理與處置費用較高，一定程度上增加了污水處理廠的運營成本。在“雙碳”與“資源化利用”等政策下，污泥資源化利用是當前的研究熱點[5-8]。更多的研究聚焦于污泥中大量可利用有機物如蛋白質、多糖、纖維素、腐殖質等轉化為揮發酸（VFAs），作為碳源實現資源化利用[9-10]。

相較于污泥的厭氧消化技術，發酵產酸技術不釋放溫室氣體，可將污泥中的蛋白質、多糖以及其他難降解有機物轉化為VFAs。VFAs 因其生物降解性，可作為多種生物處理工藝的碳源。例如發酵液中的VFAs 可作為污水處理廠生物脫氮除磷工藝的補充碳源；同時也可作為生物法合成聚羥基脂肪酸酯（PHAs）的底物，將VFAs 轉化為高附加值產品PHA（可生物降解塑料），能夠實現污泥碳源與能源的回收利用，被認為是助力“碳中和”的重要技術途徑之一[11-12]。

研究表明，污泥中有機物的溶解和水解是限制產酸的主要因素之一[13-14]，因此較多研究采取措施加強污泥的水解產酸性能[5，7-8，15-16]。對污泥進行預處理破壞其結構，提高有機物的釋放；此外，還可通過控制發酵環境，基于發酵產酸的原理，實現水解產酸菌的富集，同時抑制產甲烷菌的活性，減少其對乙酸的消耗，提高污泥產酸效能。微生物的代謝路徑因產生VFAs 的成分不同而有差異，而VFAs 的組成很大程度上影響了其被資源化利用的途徑，以及在被利用過程中工藝條件的選擇。因此，綜合分析多種策略以及關鍵的控制因素提高污泥的產酸性能，從微生物的代謝途徑和分布等方面進行調控，為發酵液中的碳源利用奠定基礎，拓寬污泥資源化利用的渠道。

1 提高污泥產酸率的策略

污泥中的成分復雜，主要含有功能菌群、胞外聚合物（EPS）等微生物代謝的殘留物、大分子難降解物和污水攜入的無機物。此外，污泥中微生物被分泌物包裹，具有復雜的EPS 結構[17]。在污泥厭氧發酵產酸過程中，污泥的溶解性和水解速率是限速步驟。與有機物厭氧消化的原理相比[18]，污泥需要在多種酶的共同作用下將有機物釋放至溶液中。因此，可以采用物理、化學等預處理方法破壞污泥結構和微生物的細胞結構，促使有機物的釋放。隨后的反應過程與有機物的厭氧消化類似。為了提高產酸率，需要從兩方面進行綜合考慮：（1）提高有機物的水解率與酸化率；（2）抑制有機物轉化為甲烷。提高污泥產酸率的原理及措施如圖1所示。通過預處理促進污泥中有機物的釋放，從而實現污泥產酸率的提高；其次，通過控制污泥發酵的運行參數，由于在污泥發酵產酸過程中，污泥既作為待處理物質，又作為微生物，分解有機物。因此，根據不同功能的微生物對環境的敏感性，通過控制發酵條件，富集功能菌，實現水解酸化性能的提高，同時抑制產甲烷性能。減弱產甲烷菌的代謝活性，抑制VFAs 的消耗，從而強化污泥的產酸性能。

圖1 提高污泥產酸性能的原理及措施示意圖

1.1 通過對污泥的預處理強化污泥的水解性能

1.1.1 物理法預處理

為了強化污泥厭氧產酸效率，研究發現在發酵前對污泥進行預處理是一種可行的選擇。物理處理法如熱處理、微波處理、超聲波處理、機械處理、蒸汽爆破預處理等通過破壞污泥的結構，提高有機物在溶液中的釋放，從而進一步強化污泥的產酸率。

熱處理方法提高污泥產酸效能的原因在于通過升高溫度破壞污泥的膠體和絮凝結構，被淘汰的不耐高溫微生物進一步被分解釋放有機物。有研究顯示提高溫度還可增強污泥的水解速率，例如Kor-Bicakci[19]在70 ℃處理污泥72 h 后進行發酵，VFAs 產量為4 850 mg/L，是對照組的4 倍。但是高溫處理（超過200 ℃）則不利于污泥產酸。由于Mailard 反應的存在，180 ℃以上會形成蛋白黑素、多相聚合物等難降解有機化合物，導致污泥團聚[20]。

微波處理的效果類似于熱處理，由于熱效應影響，微波輻照通過破壞污泥中細菌的胞內、胞外結構釋放有機物，從而實現污泥中有機物的轉化。Ebenezer 等[21]用微波處理污泥，可溶性化學需氧量（SCOD）的值比未處理的增加了83.4%。Guo 等[22]的研究結果使污泥的產酸率高達1.28 gVFA/g VSS。

通過剪切力的作用對污泥結構進行破壞，如超聲波和離心裂解、高壓均質等機械處理，增加有機物的溶解。Kang 等[23]研究發現在800 W 條件超聲處理污泥30 min，SCOD 為對照組的5.8 倍，發酵后VFAs 濃度達到1 753 mg/L。Zhang 等[24]采用高壓均質的機械預處理后，SCOD 提高了45%。

1.1.2 化學法預處理

化學法預處理是通過添加化學試劑如強堿、強氧化劑、游離氨（FA）與游離亞硝酸（FAN）等，破壞微生物的細胞結構，氧化分解大分子有機物如多糖和蛋白質等，加強污泥的水解性能，從而提高污泥的產酸率。

在化學處理中，堿處理為較常用的方法之一。堿處理（pH 值＞9）能有效促進EPS 水解，細胞壁破裂，分解大分子物質。此外堿性添加劑可以與EPS 和細胞膜發生脂質反應，增加對細胞膜的破壞程度[25-27]。竇等人研究結果表明，當pH 值為12 時污泥破解程度最大，達到44.69%。He 等[25]和Wang 等[27]的研究結果顯示，污泥在pH 值為9.5 條件下進行預處理后，SCOD 明顯升高，在隨后的發酵過程中產生的VFAs 也相應提高。

較多研究表明，通過硫酸根自由基、臭氧、高鐵酸鹽、CaO2、次氯酸鈣等對污泥預處理后，SCOD 值均增加[8，15-16，27-30]。Yang 等[28]研究結果表明適宜的過硫酸鹽預處理后，污泥的產酸率從29.69 mgCOD/gVSS 增加到311.67 mgCOD/gVSS。Li 等[29]研究了不同濃度高鐵酸鉀對污泥產酸的影響，當高鐵酸鉀濃度為0.9 g/g VSS時，VFAs 濃度高達2 835 mg COD/L。此外，研究發現用CaO2對污泥預處理時會產生Ca（OH）2，提高pH值；還會產生羥基自由基和超氧自由基等強氧化物質，促進污泥的破壞，增加內分泌干擾化合物的降解，進一步提供更多可生物降解的低分子量有機物[16]。

FA 與FNA 的預處理主要作用表現在對微生物的毒害性，FNA 及其衍生物已被證明對滅活細菌和EPS分解有效。Liu 等[31]、Duan 等[32]和Wang 等[33]的研究結果表明，通過游離的FNA 預處理后導致大量細胞裂解，增強污泥溶胞性，進而實現大量有機物的釋放，提高污泥的水解性及有機物的可生物降解性。

1.2 通過控制發酵條件提高污泥的水解酸化性

污泥的厭氧發酵產酸通常采用半連續運行方式，可以通過設置溫度、pH 值、氧化還原電位（ORP）、水力停留時間（HRT）或污泥停留時間（SRT）等參數調控發酵環境。適宜的溫度與酸堿環境均有利于微生物的生長。相較于水解酸化菌，產甲烷菌對環境的變化更敏感。在實際運行過程中往往采用中溫發酵，污泥發酵溫度為35～40 ℃。產甲烷菌生長的最適pH 值范圍在6.8～7.2，水解酸化菌的pH 值范圍廣，尤其是在堿性環境中更容易實現富集。此外，堿性環境（pH 值為10）已被認為是實現污泥發酵產酸資源化利用的最有效方法之一[34]，既促進污泥水解，又抑制產甲烷菌的活性減少對VFA 的消耗，提高污泥的產酸效能。通常情況下，采用投加氫氧化鈉、CaOH、CaO2等試劑控制發酵條件為堿性，其pH 值為10[35]。在污泥半連續發酵的過程中，污泥中的細菌作為接種微生物，而大分子有機物、殘留物與淘汰的細菌作為發酵的底物，HRT 與SRT 的值一樣，通過控制反應與代謝時間從而提高系統內的VFAs 產量。

無論是預處理還是通過控制運行參數，均可實現提高污泥的產酸性能。實際中常采用多種技術聯合使用，在達到提高污泥產酸量的前提下，減少藥劑成本并降低能耗。堿處理為常用方法之一的原因在于在工藝中易操作且效果好。FNA 的預處理后，在發酵液中會存在稍高濃度的亞硝態氮，因此不適宜用于污水廠脫氮除磷的碳源；但是可以用于合成PHA 的碳源，其中高濃度的亞硝態氮可以替代氧氣作為電子供體，促使污泥發酵液中VFAs 轉化為高附加值產品PHA。因此，在資源化利用過程中還需考慮到VFAs 的組成。

2 污泥產酸的代謝途徑

污泥中的有機物轉化為VFAs 過程中通過微生物發生一系列的化學反應[36]，單體葡萄糖在水解酸化過程具有多條途徑，根據最終產生VFAs 的組分，主要闡述了污泥發酵液中乙酸、丙酸、丁酸等小分子有機酸的代謝途徑：（1）乙酸型代謝途徑（AET）；（2）丙酸型代謝途徑（PTF）；（3）丁酸型代謝途徑（BTF）；（4）混合酸代謝途徑（MAF），如圖2 所示。

圖2 污泥發酵產生VFAs 的代謝途徑

在AET 中產生的副產物之一為乙醇，其積累對微生物產生滅活作用。丙酮酸轉化為乙酰輔酶A 后直接被轉化為乙酸。在此代謝途徑中，pH 值總是至關重要的影響因素。據報道，pH 值從4.0 增加到7.0，可以增加乙酸的產生，但是減少丁酸的產生，而乙酸和丁酸的產生在pH 值為6.5～7.0 變得同樣豐富。除了操作參數之外，代謝工程技術如某些途徑的刪除、添加和修飾也可以是控制乙酸產生途徑的措施。

在PTF 中，產物丙酸是污水廠生物脫氮的良好碳源[37]。在酸性條件下更易獲得丙酸（pH 值為4.0～4.5）[38]。但是在實際過程中，由于未解離的丙酸對產丙酸菌有較強的抑制作用，導致丙酸產率較低。也有研究表明，通過提高ORP 可以提高丙酸的產率。

在BTF 中，代謝產物為丁酸鹽和乙酸鹽。作為制藥、化妝品和化學工業中的工業原料，丁酸鹽是比乙酸鹽更有吸引力的產品[39]。影響因素除了溫度與pH 值外，還有還原當量（NADH2）。從圖2 中可以看到，NADH2越多，產生丁酸的占比越高。此外，提高污泥負荷與蛋白質占比也會富集丁酸。

污泥在堿性半連續發酵條件下，常見的代謝途徑為MAF。在MAF 中，VFA 產物是乙酸、丙酸、丁酸和戊酸的混合物。其中，乙酸的占比遠高于其他有機酸。這些代謝產物的分布取決于細菌的類型和微生物中功能酶的表達。

在污泥有機物利用轉化為PHA 的過程中，對VFA的組成要求為混合酸或是具有較高含量的乙酸。因此通過控制發酵環境，發生的主要代謝途徑為MAF、PTF和BTF。

3 污泥產酸的主要功能菌分布

在污泥的發酵產酸系統中，發揮主要作用的功能菌為水解酸化菌。水解菌將多糖和蛋白質等轉化為單糖和氨基酸，之后在酸化菌的作用下轉化為乙酸、丙酸、丁酸和戊酸等小分子揮發酸。水解產酸功能菌在門水平有Proteobacteria（變形菌門）、Bacteroides（擬桿菌門）、Actinobacteria（放線菌）和Firmicutes（厚壁菌門）等，這些微生物是在厭氧發酵體系內常見的水解酸化菌[40-42]。變形菌門是一種在各種環境中常見的微生物，涵蓋了多種好氧-厭氧-兼性厭氧菌，可以降解大分子有機物，較易適應微生態環境的變化[43]。擬桿菌門主要參與污泥中固體成分的分解，可以分泌溶細胞酶，將有機物轉化為乙酸[42]。污泥產酸發酵的研究中還發現Chloroflexi（綠彎菌門），綠彎菌門在厭氧消化中也發揮至關重要的作用，促進水解過程，破壞復雜的有機物產生VFAs[44]。

在屬水平，一種微生物可以實現多種代謝功能，而同種代謝功能可以有多種微生物協同作用。在污泥發酵產酸的復雜體系中，常見的功能菌有Tissierella（泰氏菌屬）、Clostridium（梭菌）、Guggenheimella（產氫產乙酸菌）、Corynebacterium（棒狀桿菌）、Proteiniborus（產乙醇食蛋白質菌）、Anaerolinea（厭氧繩菌）、Butyrivibrio（丁酸弧菌）、Bifidobacterium（雙岐桿菌）等。這些水解酸化菌既可在不同的環境中進行富集，也可在同一發酵環境中協同作用。泰氏菌屬是一種嗜堿菌，在堿性環境中可以將蛋白質和葡萄糖轉化為VFAs[45]。產氫產乙酸菌作為產乙酸菌，可以將有機物轉化為乙酸并釋放H2和CO2；棒狀桿菌分解氨基酸轉化為VFAs。

不同的處理方式或運行參數，其微生物群落結構具有差異，優勢功能菌的組成不同[8，14，26，46-47]。Wang 等[26]研究了3 種不同堿添加劑（NaOH、Na2CO3、Ca（OH）2）調節發酵pH 值，添加Na2CO3時富集優勢菌為Proteiniphilum（嗜蛋白菌）、泰氏菌屬、Irregularibacter（不規則桿菌）等；NaOH 調節pH 值時，優勢功能菌是Acetoanaerobium（厭氧醋酸菌）、Exiguobacterium（微桿菌）、Faecalibacterium（糞桿菌）、Alkaliphilus（嗜堿菌）。Chen 等[8]研究結果表明高溫堿性條件下發揮功能的微生物是放線菌門和變形菌門（41.77%）。Huang 等[14]研究了發酵溫度對微生物群落的影響，在45 ℃時，優勢菌為Acidobacteria（酸桿菌門），55 ℃時放線菌門、變形菌門為優勢菌。

4 結論和展望

通過物理與化學等多種方法進行預處理強化污泥的溶解，加強有機物的釋放，提高污泥的水解率。此外控制發酵的運行參數如中溫（35～40 ℃）、堿性（pH值為10），提高厚壁菌門、Tissierella、產氫產乙酸菌、梭菌等功能菌的產酸性能，同時抑制產甲烷菌如產甲烷絲菌與產甲烷桿菌的代謝活性，最終實現將固體污泥中的有機物轉化為液體中可被利用的碳源，進行資源化利用。然而物理法操作相對簡單但前期設備投入較高，運行中耗能較大；化學法促進水解、酸化效果比物理法更顯著，化學試劑的投加一定程度增加了成本。因此，在實際應用中，會結合發酵液中碳源的使用途徑采取多種方法聯合預處理或者控制運行參數的方法，提高污泥的產酸率。

通過控制污泥發酵參數如ORP、溫度等，使微生物主要發生PTF 代謝途徑，污泥發酵液中的丙酸可以作為污水處理廠生化工段脫氮除磷工藝中的碳源；通過FNA 預處理后污泥堿性發酵液不適用于生物法脫氮除磷工藝；但其發酵液中的亞硝態氮可作為電子供體促使VFAs 生物轉化為高附加值產品PHA。因此，通過控制發酵條件采取合適的代謝途徑推進發酵液中VFAs 的資源化利用。然而發酵液中非VFA 成分例如氨氮、磷酸鹽等在被利用過程中對后續工藝產生的影響尚不明確，還需要進一步的研究。