長鏈脂肪酸厭氧消化抑制及緩解策略研究進展

中圖分類號：TQ111.19 文獻標志碼：A文章編號：1004-0935（2025）07-01237-03

油脂廢物作為厭氧消化的理想底物，因為其高熱值而受到廣泛關注。在厭氧環境下，脂質經胞外脂肪酶作用，分解為甘油和長鏈脂肪酸（longchainfattyacids，LCFAs)，LCFAs通過 β -氧化過程形成乙酸和氫，最后在產甲烷菌的作用下，生成甲烷等氣體[2-3]。此外，由于LCFAs 在細胞表面的逐漸積累，造成微生物細胞內部穩態失調4

因此，關于LCFAs厭氧消化機理、抑制原因及應對策略的研究對解決LCFAs引起的厭氧消化抑制問題，加快其降解速率顯得至關重要。

1 LCFA 厭氧消化過程及抑制機理 探討

LCFAs是油脂廢水厭氧消化的中間產物。油脂廢水的厭氧降解通常分為3步：首先，脂類經胞外脂肪酶作用，快速水解為LCFAs和甘油。其次，甘油快速降解為乙酸鹽和氫，而LCFAs經 β -氧化過程生成乙酸和氫。最終，在氫營養型產甲烷菌和乙酸營養型產甲烷菌的共同作用下轉化為甲烷、水和二氧化碳-]。LCFAs的 β? -氧化過程也被認為是含脂廢水厭氧消化的限速步驟。除此之外，由于長鏈脂肪酸密度較小，活性污泥被其吸附后，會引起污泥質量及密度等物理狀態的改變，致使厭氧消化過程失敗

以較難降解的硬脂酸為例，其厭氧消化過程中的產酸階段和產甲烷階段的摩爾吉布斯自由能變化情況如表1所示。硬脂酸經過 β -氧化產生乙酸的反應在標準狀況下的摩爾吉布斯自由能大于零，故該過程難以自發進行。為了解決熱力學上的這一不利條件，加快生成物氫和乙酸的降解，可以保持有利于反應物LCFAs的濃度梯度，確保 β -氧化過程順利進行[0-1]

注：DGO’是指在水溶液 ΔpH 為7，環境溫度為 25°C ，氣體分壓為100kPa 的標準條件下， 1mol ·L硬脂酸的摩爾吉布斯自由能；DG’是指在水溶液 ΔpH 為7，環境溫度為 25°C ，考慮到氫氣耗盡至分壓為 1Pa 及乙酸鹽化學計量積累時， 1mmol?L^-1 的硬脂酸的摩爾吉布斯自由能。表中C₁₇H₃₅COO^- 為硬脂酸鹽， _H2O 為水， CH₃COO^- 為乙酸鹽，H為氫離子， H₂ 為氫氣， HCO₃^- 為碳酸鹽，-為該狀況不存在。

2 緩解LCFA抑制作用的方法

2.1 導電材料的添加

常見的導電材料大致分為碳基和鐵基兩大類。碳基導電材料主要包括：活性炭、生物炭、碳布和碳納米管等[12-13]。生物炭因為其制備原材料來源廣、成本低，受到廣泛的關注。WU等4發現，在800、300、500 C 條件下分別添加玉米秸稈、蘑菇栽培廢棄物和馬尾藻生成的生物炭可顯著提高最大甲烷產率，縮短反應時間。

鐵基導電材料主要包括：零價鐵、納米零價鐵、磁鐵礦、水鐵礦等[15]。 Fe₃O₄ 具有磁分離特性和優良導電性，顯示出在未來實際應用的巨大潛力。MOSTAFA等在油酸的厭氧消化過程中，投加0.5gFe g?VSS^-1 的磁鐵礦，觀察到污泥電導率相較于對照組增加了 5.4μS?cm^-1 ，產氣量比對照組提高了114% 。WANG等發現在上流式厭氧污泥床反應器啟動初期，加入 10gFe^?L^-1 磁鐵礦可以建立有效的直接電子傳遞，減少核黃素和血紅素 ?_c 的合成，促進厭氧菌的生長，使反應時間縮短約 50% 。

2.2 天然吸附劑的投加

吸附劑通過對LCFAs的吸附，減少LCFAs的生物利用度，達到緩解厭氧消化中LCFAs抑制的目的。常用的吸附劑有沸石、膨潤土、黏土等。PALATSI等[18]采用Langmuir等溫線對膨潤土和厭氧顆粒污泥對油酸的吸附進行了表征，結果表明膨潤土具有較高的吸附能力。膨潤土的添加影響了LCFAs生物質吸附動力學，保護顆粒污泥表面不受LCFAs的影響有效提高系統的穩定性。為了增強天然吸附劑的吸附能力，之前研究了不同的活化方法，如熱活化[9]。熱活化既刺激吸附劑孔內的水分子脫水，又刺激內部陽離子的運動。MA等2發現，在 300°C 下預熱的膨潤土比未預熱的膨潤土甲烷產量提高了 29% 。在化學活化方面，PASTUKHOV等2發現用鹽酸處理沸石，由于改變了其多孔結構，比表面積增加了5倍，使沸石的吸附能力增強。另一種可能的活化技術是使用表面活性劑，如帶正電荷的陽離子表面活性劑。這種方法增強了沸石對LCFAs陰離子頭部及其非極性尾部的吸附能力[22]。天然吸附劑的投加，除了利用其吸附LCFAs來降低濃度緩解抑制外，可能還與其釋放的金屬離子與LCFAs的成鹽作用有關。FERNANDEZ等23指出，在厭氧條件下，沸石可以釋放 Mg²⁺ ， Mg²⁺ 隨后與介質中存在的帶負電荷的離子（ PO₄^3- ）發生反應，形成 MgNH₄PO₄ 沉淀。因此，LCFAs離子（ RCOO^- ）有可能與天然吸附劑釋放的陽離子反應，形成的LCFAs鹽以懸浮或沉淀狀態存在于溶液中，弱化了LCFAs對微生物的吸附抑制作用。

2.3 厭氧共消化

厭氧共消化是指在厭氧處理中同時對多種廢物進行生物降解[24]。由于脂質作為單一底物的生物降解性較低，因此在過去幾年中，人們對使用油脂廢物進行厭氧共消化的興趣有所增加。采用厭氧共消化的方法處理LCFAs可以調節LCFAs與污泥生物量的比，稀釋LCFAs濃度，提高反應器緩沖能力[25]。

SHAKERI等使用污泥和油酸鹽進行共消化，發現在高達 1.0g?L^-1 的負載速率下，能更有效地將油酸鹽轉化為沼氣，產氣總量相較于對照組提高 40% 。在實際操作中，參與共消化的底物的添加比例也很重要，如果比例添加不當，LCFAs仍會對厭氧消化產生抑制。LIU等2研究了不同油脂配比對中溫厭氧膜生物反應器慶氧共消化高脂食物垃圾的影響，發現當脂質濃度為 5% 時，最佳產氣量為 3?84L?d^-1 脂質去除率為 78% 。然而，在脂質含量為 8% 時，出現了明顯的抑制。除此之外，在厭氧共消化前對油脂進行預處理，可提高油脂廢物的厭氧共消化速率。在物理預處理、化學預處理和酶預處理中，酶預處理效率更高。而且酶解預處理不需要額外的設備和試劑。因此，共消化前的偶聯酶處理受到更多的關注。白世森等2研究表明，脂肪酶1和脂肪酶2在1000～1500μL 、 24h 和 40～50^°C 條件下取得了最大的降解結果。與未處理組相比，油脂的生物甲烷生成率提高了 40.7% 。

2.4 其他方法

Fe、Co、Ni、Ca、 M_g 等是厭氧消化微生物的必需元素[29]。廢棄物厭氧消化過程中通過添加金屬離子，可以提高厭氧降解效率和穩定性[3。WANG發現，在食物垃圾厭氧消化過程中，投加 Ca²⁺ 和 Mg²⁺ 的最適濃度分別為 10mg?L^-1100 和 5mg?L^-1 。此時重塑了群落結構，豐富了可以利用碳水化合物、蛋白質和LCFAs的功能細菌。SHARMA等[32在陽極中加入油脂作為新的底物，在陰極中加入微藻以加速電流生成。發現在 0.5% 油脂負荷的反應器中運行效果最為理想，油脂降解率和VFA利用率均超過 85% ，功率密度提高8倍，電流密度提高3.7倍。

3結束語

油脂類廢水在厭氧消化產甲烷方面具有廣闊的前景，但過程中極易受到中間產物LCFAs的抑制，使厭氧消化進程受阻。通過導電材料的添加、天然吸附劑的投加、與其他廢物厭氧共消化等方法可以有效地緩解LCFAs的抑制作用，確保含油脂廢物厭氧消化進程的順利進行。

參考文獻：

[1]SALAMAES，SAHAS，KURADEMB，etal.Recent trendsinanaerobic co-digestion: fat，oil，and grease (FOG) for enhanced biomethanation[J]. ProgressinEnergyand Combustion Science，2019，70:22-42.

[2]HOLOHANBC，DUARTEMS，SZABO-CORBACHOMA，etal.Principles. advances，andperspectivesofanaerobicdigestionoflipids[J]. Environmental Science Technology，2022，210:121643.

[3]ELSAMADONY M. Advances towards understanding long chain fatty acidsinduced inhibition and overcoming strategies for effcient anaerobic digestion processJ].Water Research，2021，36(16): 3265-6271.

[4]USMANM，SALAMAES，ARIFM， etal.Determinationof theinhibitory concentration level of fat，oil，and grease (FOG)towardsbacterial and archaeal communities in anaerobic digestion[J].Renewable and Sustainable EnergyReviews，2020，131:110032.

[5]佟爽，趙燕，祝明，等．屠宰及肉類加工廢水處理現狀及研究進展[J]. 工業水處理，2019，39(3):6-10.

[6]程曉格，王琬，鄧冠勇，等.油脂和鹽分對餐廚垃圾厭氧消化影響及 緩解抑制研究進展[J].應用化工，2023，52(2):534-539.

[7]郝梓雯，吳麗杰，呂永康.厭氧消化含油脂廢物的抑制緩解技術研究 進展[J].環境污染與防治，2022，44(9):1241-1247.

[8] USMANM， ZHAO S， JEONBH， et al. Microbial β -oxidationof synthetic long-chainfattyacids to improve lipid biomethanation[J].WaterResearch， 2022，213:118164.

[9]席鈺，魯斌，陳豪，等.LCFAs降解動力學特性及對厭氧消化各階段 的影響[J].中國環境科學，2023，43(8):4080-4088.

[10]KURADE MB，SAHAS，SALAMA E S，et al.Acetoclastic methanogenesisled by methanosarcinainanaerobic co-digestionof fats， oiland greasefor enhanced production of methane[J].Bioresource Technology，2019，272:351-359.

[11] EFTAXIAS A，DIAMANTIS V， MICHAILIDIS C， et al. Comparison of anaerobicdigestersperformance treatingpalmitic， stearic and oleic acid: determination of the LCFA kinetic constants using ADM1[J]. Bioprocess andBiosystems Engineering，2020，43:1329-1338.

[12]PANJ，MAJ， ZHAI L，etal.Achievements of biochar application for enhanced anaerobicdigestion: areview[J].Bioresource Technology，2019， 292:122058.

[13] WU Y， WANG S， LIANG D， et al. Conductive materials in anaerobic digestion: From mechanism to application[J].Bioresource Technology， 2020，298:122403.

[14]WUZF，WANGZK，LIJB，etal.Effects of biocharsderived fromdifferent feedstocksand pyrolysis temperatures on the anaerobic digestion of kitchen waste[J].Renewable Energy，2024，230:120833.

[15]LIANGJL，LUOL W，LIDY，et al. Conductive materials supplement altersdigestate dewaterability during anaerobic co-digestion of food waste and sewage sludge and promotesfollow-up indigenousperoxides activation[J]. Chemical Engineering Journal，2022，431: 133875.

[16] MOSTAFA A，IMS，SONGYC，et al.Enhanced anaerobic digestionoflong chain fatty acid by adding magnetite and carbon nanotubes[J]. Microorganisms，2020，8(3): 333.

[17]WANG C，LIUY，JIN S，etal.Responsiveness extracellular electron transfer(EET) enhancement of anaerobic digestion system during start-up and starvation recovery stagesvia magnetiteaddition[J].Bioresource Technology，2019，272:162-170.

[18] PALATSI J， AFFESR， FERNANDEZ B， et al.Influence of adsorption and anaerobic granular sludge characteristics on long chain fattyacids inhibition process[J]. Water Research，2019，46(16): 5268-5278.

[19] GANIYU SA， SULEIMAN MA，AL-AMRANI WA， etal.Adsorptive removal of organic pollutants from contaminated waters using zeolitic imidazolate framework composites: a comprehensive and up-to-date review[J].Separationand Purification Technology，2023，318:123765.

[20]MAJ，AMJAD BASHIR M，PANJ，etal.Enhancing performance and stability of anaerobic digestion of chickenmanureusing thermally modified bentonite[J].Journal ofCleanerProduction，2018，183:11-19.

[21]PASTUKHOVAV，JRILYINMM， CHKANIKOVND.Acid-activated natural zeolite and montmorilloniteas adsorbentsdecomposing metsulfuron-methyl herbicide[J].InorganicChemistry Communications， 2023，158:111615.

[22] KUMARI S， CHOWDHRY J， KUMAR M， et al. Zeolites in wastewater treatment: a comprehensive review on scientometric analysis，adsorption mechanisms，and future prospects[J]. Environmental Research，2O24，260: 119782.

[23] MILAN Z， MONTALVO S， ILANGOVAN K， et al. The impact of ammonia nitrogen concentration and zeolite addition on the specific methanogenic activity of granular and flocculent anaerobic sludges[J]. JournalofEnvironmental ScienceandHealthPartA-Toxic/Hazardous SubstancesEnvironmental Engineering，201o，45(7):883-889.

[24] ZHUL，CHENG K.Enhanced biogas production efficiency of kitchen waste byanaerobicco-digestionand pretreatment[J].BiomassConversionand Biorefinery，2024，14(20): 24949-24962.

[25] KUMARI R， SINGHA， SHARMAR， etal. Conversion of food waste into energyand value-added products: areview[J].Environmental Chemistry Letters，2024，22(4):1759-1790.

[26] SHAKERI YEKTA S，LIU T，MENDES ANACLETO T， et al.Efluent solidsrecirculation to municipal sludge digestersenhanceslong-chain fattyacids degradationcapacity[J].BiotechnologyforBiofuels，2O21，14(1): 56.

[27] LIU Y，XI Y，LI Q， et al. Biokinetic and microbial insights into regulatory mechanisms of long-chain fattyacid degradation during food waste-lipid co-digestion within anaerobic membrane bioreactor[J]. Bioresource Technology，2024，408: 131223.

[28]白世森，田振宏，劉民章.金屬添加劑和熔劑中的堿/堿土金屬對熔 鋁爐爐襯破損的影響及對策[J].鋁加工，2018(2):48-52.

[29] 楊佳榕.金屬添加劑在氧化物熔鹽電脫氧過程中的界面反應機制 [D].武漢：武漢大學，2024.

[30]梅冰，李欣雨，張強，等.金屬添加劑在厭氧消化過程中的研究進 展[J].遼寧化工，2024，53(4):583-585.

[31]WANGDH. Enhanced anaerobic digestion offoodwastebymetal cations and mechanisms analysis[J].Renewable Energy，2O23，218:119386

[32] SHARMAM， JALALAHM， ALSAREII SA， et al.Fat， oil，and grease as newfeedstock towards bioelectrogenesisinmicrobial fuel cells:microbial diversity，metabolicpathways，and key enzymes[J]. Journal of Energy Chemistry，2023，85:418-429.

Research Progress on Anaerobic Digestion Inhibition and Mitigation Strategies of Long-Chain Fatty Acids

ZHAO Ziqiang， SHI En

(School ofMunicipalandEnvironmental Enginering，Shenyang Jianzhu University，Shenyang Liaoning 1O168，China)

Abstract:Theuseofanaerobicdigestionofoilwastewatertoproducebiogasisa greenandenvironmentallyfriendlywayofoiland Wastewaterdisposal.However，telong-chainfattcidsproducedduring teanaerobicdigestionofoilandwastewatercansously inhibittheanaerobicdigestion processHowtoalleviatetheinhibitionofanaerobic digestioncausedbylong-chainfatyacids has becomethefocusofresearch.Tisarticlebrieflyintroducestheresearchprogresoftheanaerobicdigestionmechanismiibition causes and mitigation strategies of long-chain fatty acids.

KeyWords:Anaerobic digestion; Grease wastewater; Review