隨著城市的發(fā)展和人民生活水平的提高，城市污水排放量也隨之增加，而且污水成分日趨復(fù)雜。活性污泥因含有多種復(fù)雜的微生物體系，常被用來處理城市污水，在此過程中，經(jīng)生化反應(yīng)和沉降處理后會產(chǎn)生大量的剩余污泥，其中含有大量難以生物降解的人工合成的有機物、重金屬、病原微生物，若直接將污泥填埋或焚燒，不僅是資源的極大浪費，也會對環(huán)境造成二次污染。污泥富含N、P、K等元素以及有機物和熱量，可以作為一種資源加以利用，以污泥減量化和資源化為目的的研究逐步成為近年來人們關(guān)注的熱點。厭氧消化方法由于處理費用低、無危害，是目前應(yīng)用最為廣泛的污泥減量化、穩(wěn)定化的處理方法，其中揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)是污泥厭氧消化過程中產(chǎn)生的重要中間代謝產(chǎn)物，包括乙酸、丙酸、丁酸、戊酸等。研究表明，這些產(chǎn)物不僅可以作為碳源去除污水中的氮和磷，還可以用作底物生產(chǎn)甲烷和氫氣等生物燃料，以及合成生物質(zhì)可降解塑料聚羥基脂肪酸酯(PHAs)。因此，在污泥厭氧消化過程中，將反應(yīng)控制在發(fā)酵產(chǎn)酸階段是實現(xiàn)污泥資源開發(fā)利用的最佳途徑。近年來國內(nèi)外學(xué)者利用廢棄物，如餐廚垃圾、污水廠生產(chǎn)的剩余污泥和有機生活垃圾作為底物進行厭氧發(fā)酵生產(chǎn)VFAs，具有一定的參考價值。本文重點介紹了污水中污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的代謝機理和微生物機理、影響因素及應(yīng)用，以期為后續(xù)污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸獲得高產(chǎn)量VFAs提供借鑒和參考。
1、污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸機理
1.1 污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的代謝機理
污泥厭氧消化是在無氧條件下，污泥中的有機物質(zhì)被微生物降解轉(zhuǎn)化，從而使污泥達到減量化、穩(wěn)定化的處理方法，是多種微生物參與的非常復(fù)雜的代謝過程，在該過程中，有機物既作為電子受體，同時也為微生物提供電子。如圖1所示，污泥有機物厭氧消化過程存在3種基本理論說法，即兩段論(Ⅰ)、三段論和四段論(Ⅱ)。兩段論包括產(chǎn)酸階段和產(chǎn)甲烷階段。產(chǎn)酸階段是污泥有機物在水解細菌作用下，被水解為小分子的氨基酸、單糖和長鏈脂肪酸等有機成分，隨后產(chǎn)酸菌利用水解產(chǎn)物進行厭氧發(fā)酵，生成乙酸、丙酸、丁酸、戊酸等短鏈有機酸及醇類等。由于此階段產(chǎn)生大量有機酸，導(dǎo)致pH值降低，因此稱作酸性發(fā)酵階段。產(chǎn)甲烷階段是在產(chǎn)酸發(fā)酵后期，由于氨含量的增加，pH值會有所回升，為產(chǎn)甲烷菌創(chuàng)造了有利的生長繁殖環(huán)境(最佳pH值為7.2~7.5)，微生物將產(chǎn)酸階段的產(chǎn)物短鏈有機酸和醇類進一步分解，生成CO2、CH4、NH3等。由于有機酸分解，使得系統(tǒng)中的pH值上升，因此稱之為堿性發(fā)酵階段。
隨著厭氧消化技術(shù)的深入研究，研究者認為兩段論不足以說明污泥厭氧消化的復(fù)雜過程。Bryant等認為兩段論中的“產(chǎn)甲烷菌”實際是由2種細菌共同組成的，一種細菌(產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細菌)首先將乙醇、丙酸、丁酸、戊酸等氧化為乙酸和H2，另一種細菌(產(chǎn)甲烷細菌———嗜氫產(chǎn)甲烷細菌)則利用H2和CO2產(chǎn)生CH4，因而Bryant提出了三階段理論，即水解酸化階段、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段和產(chǎn)甲烷階段。從圖1可以看出，三階段理論中增加了產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段，此階段由發(fā)酵產(chǎn)酸后的產(chǎn)物在產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌和同型產(chǎn)乙酸菌的作用下繼續(xù)轉(zhuǎn)化，生成乙酸、H2和CO2，同時同型產(chǎn)乙酸菌能促進乙酸形成甲烷。但此階段的反應(yīng)只有在乙酸濃度和溶液中氫分壓較低時才發(fā)生，轉(zhuǎn)化反應(yīng)見式(1)~式(4)。第三階段產(chǎn)甲烷菌利用乙酸脫羧分解生成甲烷或利用H2和CO2轉(zhuǎn)化生成甲烷，轉(zhuǎn)化反應(yīng)見式(5)和式(6)。厭氧消化系統(tǒng)中，大多數(shù)的甲烷是由乙酸分解生成的，僅有少部分是由H2和CO2轉(zhuǎn)化的。以上幾個階段是瞬時連續(xù)發(fā)生的，它們之間相互聯(lián)系且相互影響，而且各個階段的微生物種群由于階段產(chǎn)物不同有明顯的區(qū)別。隨后又有研究報道將厭氧消化分為4個階段：水解階段、產(chǎn)酸階段、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段和產(chǎn)甲烷階段。但在實際的厭氧消化過程中，即使嚴格控制工藝條件，水解和產(chǎn)酸階段也無法明顯區(qū)分，所以目前廣泛采用的是較為全面的三階段理論。
1.2 污泥發(fā)酵產(chǎn)酸的微生物機理
1.2.1 水解發(fā)酵產(chǎn)酸菌
根據(jù)污泥厭氧消化三階段理論，參與的厭氧微生物主要有發(fā)酵產(chǎn)酸菌、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌及同型產(chǎn)乙酸菌、產(chǎn)甲烷菌。污泥厭氧水解發(fā)酵是由多種發(fā)酵細菌協(xié)同合作完成的，最主要的兩大菌屬為擬桿菌屬(Bacteroides)和梭狀芽孢桿菌屬(Clostridium)。發(fā)酵產(chǎn)酸菌主要包括梭菌科(Clostridiaceae)、鏈球菌科(Streptococcaceae)、芽孢乳桿菌科(Sporolactobacillaceae)產(chǎn)芽孢細菌。厭氧菌群的結(jié)構(gòu)是由發(fā)酵底物成分決定的：以碳水化合物為底物的菌群體系以厭氧的梭狀芽孢桿菌屬為主。以蛋白質(zhì)為底物的菌群體系以梭菌屬和消化鏈球菌屬(Peptostreptococcus)為主。以脂肪為底物的菌群體系以弧菌屬(Vibrio)為主。由于微生物菌群結(jié)構(gòu)及底物成分不同，發(fā)酵產(chǎn)酸的最終產(chǎn)物組成也不同，研究顯示，發(fā)酵產(chǎn)酸形式主要有乙醇型發(fā)酵、丙酸型發(fā)酵和丁酸型發(fā)酵等。乙醇型發(fā)酵的微生物優(yōu)勢菌群主要為擬桿菌屬、發(fā)酵單胞菌屬(Zymomonas)及梭狀芽孢桿菌屬等。丙酸型發(fā)酵的微生物優(yōu)勢菌群主要為丙酸桿菌屬(Prpooinibacteruim)。丁酸型發(fā)酵體系中，丁酸梭狀芽孢桿菌(Clostridiumbutyricum)為具有優(yōu)勢的微生物產(chǎn)酸菌群。對于混合型發(fā)酵體系，微生物優(yōu)勢菌群主要為志賀氏菌屬(Shigella)、埃希氏桿菌屬(Escherichia)、沙門氏菌屬(Salmonella)、變形桿菌屬(Proteus)和假單胞菌屬(Pseudomonas)。
1.2.2 產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌
不同于水解發(fā)酵產(chǎn)酸菌，產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌只能利用揮發(fā)性脂肪酸(丙酸、丁酸、戊酸、乳酸)和醇類等作為碳源，將其氧化分解為乙酸、H2和CO2。此階段只能在氫分壓非常低的條件下才能正常進行，否則會對產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸的代謝活動產(chǎn)生抑制。因而產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌也被稱為互營產(chǎn)乙酸細菌，產(chǎn)生的氫只有經(jīng)耗氫產(chǎn)甲烷菌等細菌消耗后，才能促進反應(yīng)順利進行。目前主要的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細菌多為互營單胞菌屬(Syntrophomonas)、互營桿菌屬(Syntrophobacter)、互營肉毒梭菌屬(Syntrophobotulus)、暗生孢菌屬(Pelospora)等，主要是兼性或絕對厭氧菌。同型產(chǎn)乙酸菌合成乙酸時利用的底物為CO2和H2，合成乙酸得率較低，僅為4%左右。同型產(chǎn)乙酸菌可分為以伍氏醋酸桿菌(Acetobacteriumwoodii)為代表的Na+依賴性同型產(chǎn)乙酸菌和以熱醋穆爾氏菌(Moorellathermoacetica)為代表的H+依賴性同型產(chǎn)乙酸菌兩類。
1.2.3產(chǎn)甲烷菌
產(chǎn)甲烷菌主要利用產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌的產(chǎn)物(乙酸和H2/CO2)轉(zhuǎn)化生成CH4，使反應(yīng)繼續(xù)進行。參與的微生物主要為乙酸營養(yǎng)型和H2營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌。厭氧消化反應(yīng)中，中間產(chǎn)物乙酸是生成CH4的最主要基質(zhì)，具體的生成反應(yīng)見反應(yīng)式(5)，此階段的微生物是絕對厭氧菌。研究表明，約70%的CH4是乙酸的氧化脫羧分解得到的。
2、污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的影響因素
2.1 預(yù)處理技術(shù)
近年來，為了提高VFAs產(chǎn)量，國內(nèi)外學(xué)者對污泥預(yù)處理工藝進行了大量研究。張聞多等研究了3種堿對剩余污泥熱堿預(yù)處理效果以及厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的影響，結(jié)果顯示：氫氧化鈉的預(yù)處理效果優(yōu)于混堿和過氧化鈣，處理后污泥中溶解性化學(xué)需氧量(SCOD)是預(yù)處理前的8.45倍，水解率達到64.26%。但使用過氧化鈣進行預(yù)處理獲得的總揮發(fā)性脂肪酸(TVFAs)的平均質(zhì)量濃度最高，為7.93g/L，產(chǎn)酸率(以COD計)為273.93mg/g，且總酸中乙酸的量達到60.35%。Duan等對比了氫氧化銨(AH)、硫酸(SA)和熱輔助堿(TA)3種典型的預(yù)處理方法對以醬油渣(SSR)為碳源的廢活性污泥生產(chǎn)VFAs的影響，結(jié)果表明：AH預(yù)處理后污泥水解率(以COD計)高達4449mg/d，比TA和SA預(yù)處理高出1.12~1.23倍，比未經(jīng)預(yù)處理的污泥水解率高7.8倍，同時，VFAs的產(chǎn)量為401.2mg/g。Luo等采用鐵活化過硫酸鹽(PS/Fe)處理活性污泥進行厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸，在較短的發(fā)酵時間內(nèi)，乙酸的產(chǎn)量顯著增加，表明PS/Fe可以加速水解產(chǎn)酸過程，并抑制了甲烷的產(chǎn)生。
Hallaji等就游離亞硝酸(FNA)和Fenton兩種預(yù)處理方法相結(jié)合與單種方法對混合污泥厭氧消化的效果作了比較研究，結(jié)果顯示：與單用FNA和Fenton預(yù)處理(產(chǎn)甲烷率分別為25%和27%)相比，聯(lián)合預(yù)處理(產(chǎn)甲烷率達72%)可顯著提高甲烷產(chǎn)量，同時聯(lián)合預(yù)處理對COD的去除率達59%。Park等對紙漿廠的廢活性污泥離心濃縮后，進行了堿性和超聲波聯(lián)合預(yù)處理，經(jīng)預(yù)處理后，揮發(fā)性固體(VS)和COD比未處理的污泥增加3~14倍。Hassan等采用熱化學(xué)預(yù)處理方法，將玉米秸稈與污泥共同厭氧消化處理，使得木質(zhì)纖維原料降解率高達45%，COD去除率為67.74%。Ruffino等對堿和混合熱堿(NaOH和Ca(OH)2)預(yù)處理改善厭氧消化的效果進行了初步研究，結(jié)果表明：NaOH在污泥崩解和COD釋放中的表現(xiàn)優(yōu)于Ca(OH)2。近幾年來發(fā)展起來的濕法氧化預(yù)處理工藝被認為是處理有機物濃度高的廢液、泥漿和污泥的理想方法，而且不會產(chǎn)生N2O、SO2、鹽酸、二噁英等有害物質(zhì)，其中復(fù)雜的有機物部分溶解，從而產(chǎn)生可生物降解的COD。
許多學(xué)者還研究了在濕法氧化過程中使用催化劑來提高增溶效率。Urrea等研究發(fā)現(xiàn)使用催化劑可促使污泥中的難溶化合物更易溶解，并可確保溫和的操作條件。其他預(yù)處理方法還有熱、超聲波、微波及多種方法結(jié)合使用等。一些有關(guān)污泥預(yù)處理的研究概況如表1所示。
結(jié)合表1，從以上研究看，目前對污泥的預(yù)處理技術(shù)大多傾向于提高污泥中有機質(zhì)的增溶效率或提高甲烷產(chǎn)量，也有研究是為了提高污泥厭氧發(fā)酵時的水解速率，從而促進發(fā)酵產(chǎn)酸順利進行。
2.2 底物種類
底物種類對污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸也有重要影響。國內(nèi)外研究較多的底物主要包括有機廢水、污泥和餐廚垃圾等。Wang等分別以好氧活性污泥和厭氧活性污泥為接種物，對餐廚垃圾進行厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸。研究結(jié)果表明：厭氧活性污泥對水解有明顯的促進作用，pH值為6、發(fā)酵4d和20d后，揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)產(chǎn)量(以揮發(fā)性懸浮物質(zhì)量計)分別為0.482和0.918g/g，其中以丁酸為主。Wainaina等使用一種新型厭氧浸沒式膜生物反應(yīng)器，對餐廚垃圾進行厭氧發(fā)酵，在未控制pH值的條件下，獲得了0.54g/g的高產(chǎn)量VFAs。Lee等等利用棕櫚油磨坊污水(POME)在中溫(30和40℃)和高溫(55℃)下進行產(chǎn)酸發(fā)酵生產(chǎn)VFAs，中溫條件下的VFAs生成量明顯優(yōu)于高溫條件下的VFAs生成量，30和40℃下的VFAs生成量均為48%，55℃下的VFAs生成量僅為7%。Janke等將釀酒廠產(chǎn)生的廢棄甘蔗渣制成濾餅作為底物，研究NaOH預(yù)處理量對其厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸過程的影響，發(fā)現(xiàn)當NaOH預(yù)處理量(以底物質(zhì)量計)為0.06g/g時可大大提高水解效率，同時VFAs產(chǎn)量增加了37%，其中主要成分為正丁酸和乙酸。
楊瑾等還探究了餐廚垃圾中葡萄糖和甘油的發(fā)酵產(chǎn)酸方式，結(jié)果顯示：葡萄糖更易被分解，且產(chǎn)酸量為6.2g/L，高于甘油的4.5g/L，主要以丁酸為主。趙宋敏等則發(fā)現(xiàn)餐廚垃圾與活化后活性污泥接種體積比4∶1時，厭氧發(fā)酵產(chǎn)生VFAs的產(chǎn)量最大，為15.13g/L。總的來說，不同的底物對水解酸化速率有很大影響，從而影響產(chǎn)物VFAs的含量及酸種類分布。
2.3 pH值
2.3.1 酸性發(fā)酵
研究發(fā)現(xiàn)，pH值是污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸過程中最重要的影響因素之一。產(chǎn)酸發(fā)酵細菌對pH值的適應(yīng)性較廣泛，即使在酸性條件下，仍然能夠發(fā)酵產(chǎn)酸，生成VFAs。此外，同一產(chǎn)酸發(fā)酵細菌由于環(huán)境pH值不同，生長繁殖的速率和代謝途徑均可發(fā)生改變，進而累積不同種類的代謝產(chǎn)物。因此，雖然厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸過程可在pH值為3.0~11.0范圍內(nèi)進行，但是不同的pH值條件會導(dǎo)致酸化產(chǎn)物的種類和含量不同。一些國內(nèi)外學(xué)者認為污泥發(fā)酵產(chǎn)酸在酸性條件下更易進行。朱鳳霞等研究了酸/堿2種啟動模式下污泥停留時間對污泥水解產(chǎn)酸特性的影響，結(jié)果顯示：采用酸性啟動(pH值6.0)，污泥停留時間保持6d，水解酸化液中SCOD、VFAs最高為6235.8、1683.5mg/L，比堿性啟動模式(pH值10.0)分別提高了21.4%、37.5%。Calero等考察了pH值(5、5.5和6)對乳清發(fā)酵產(chǎn)酸的影響，得出pH值為6、污泥停留時間10d時，酸化程度達到85%，隨著pH值升高，乙酸和丙酸含量增加，而丁酸和戊酸含量減少。Fang等在不控制酸堿度和控制酸堿度(pH值4~8)條件下對淘米水的發(fā)酵特性進行了研究，當pH值從4升到8時，主導(dǎo)脂肪酸由丁酸變?yōu)楸?，當由酸性變?yōu)閴A性時，占主導(dǎo)地位的乙酸、丁酸等偶數(shù)脂肪酸轉(zhuǎn)變?yōu)楸?、戊酸等奇?shù)脂肪酸，當pH值為8時，奇數(shù)和偶數(shù)脂肪酸的比例為1∶1。Yarimtepe等研究發(fā)現(xiàn)pH值為5.5時，橄欖研磨廠廢水發(fā)酵可獲得27000mg/L的VFAs產(chǎn)量，酸化率為68%，乙酸比例最高。
Cysneiros等研究pH值對厭氧發(fā)酵過程產(chǎn)酸效率的影響發(fā)現(xiàn)，當pH值控制在6.5左右時，VFAs的產(chǎn)量是對照組(不控制pH值)的1.5倍左右，并且以丁酸和乙酸為主。Xiong等以酸性、中性和堿性條件下的浸出床反應(yīng)器為研究對象，對食品垃圾發(fā)酵過程進行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在14d的反應(yīng)時間內(nèi)，在pH值7條件下，以最小的混合量可以獲得87%的最高固體還原率。在pH值7下，VFAs的質(zhì)量濃度增加到28.6g/L，而在pH值為6時，最高的丁酸為16g/L，此時VFAs的質(zhì)量濃度為24.3g/L。
2.3.2 堿性發(fā)酵
研究者們對污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸是處于酸性還是堿性條件下更有利一直存在爭議，所以在研究酸性條件對厭氧產(chǎn)酸影響的同時，也有大量研究考察了堿性條件的影響。目前較多研究認為堿性條件可以有效提高污泥厭氧產(chǎn)酸的效率及產(chǎn)量。Lin等研究了pH值對鋁污泥水解和VFAs產(chǎn)量的影響結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在污泥水解和后續(xù)的VFAs生產(chǎn)中，將pH值調(diào)整到8.0和10.0之間比調(diào)整到2.0和6.0之間更有效，初始pH值為10.0時，VFAs的產(chǎn)量可達275mg/g，比對照組(不調(diào)節(jié)pH值)提高了46%。Li等對堿性發(fā)酵過程中VFAs的積累規(guī)律進行了研究，結(jié)果表明：乙酸占VFAs總量的84%，因為大多數(shù)微生物都能產(chǎn)生乙酸。Esteban-Gutierrez等研究了pH值對污水污泥、釀酒廠廢水產(chǎn)VFAs的影響，得到產(chǎn)酸最佳pH值為9，并在高溫(55℃)和堿性條件下，對農(nóng)產(chǎn)品廢棄物和污泥進行共發(fā)酵，使VFAs的質(zhì)量濃度提高了1.7~2倍。
張娟研究初始pH值對皂苷強化污泥產(chǎn)酸時發(fā)現(xiàn)，pH值為11時可加速污泥的水解速率，抑制甲烷產(chǎn)生，產(chǎn)生的VFAs為2149mg/L。張晶晶等分別研究了酸性、中性和堿性條件下，紡織印染污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)VFAs的發(fā)酵類型，結(jié)果顯示堿性條件有利于有機酸的發(fā)酵，pH值為10是厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸并累積乙酸的最佳值，該條件下乙酸和總酸的質(zhì)量濃度最高，分別為8.21和14.08g/L，同時乙酸和總酸產(chǎn)率也達最高，為34.97%和75.72%。曾薇等[50]研究pH值對污泥水解酸化溶出物及微生物群落結(jié)構(gòu)影響時發(fā)現(xiàn)，pH值為10.0時VFAs的質(zhì)量濃度最高(4156.4mg/L)，其中乙酸是主要產(chǎn)物，占VFAs總量的52%。
從以上研究可看出，污泥厭氧發(fā)酵的最佳pH值并不相同，酸性、中性和堿性都可能促進厭氧產(chǎn)酸效率，提高其產(chǎn)量，所以針對不同的污泥種類、不同的產(chǎn)酸條件所需的最優(yōu)pH值不同。
2.4 發(fā)酵溫度
溫度是影響微生物生命代謝活動的最主要因素，研究表明：厭氧水解酸化細菌可在低溫(15~20℃)、中溫(30~35℃)和高溫(50~60℃)，甚至更高的溫度(100℃)下生存，而且溫度越高，對厭氧水解有機物的溶出及生成越有利，還可以縮短VFAs的累積時間。
Esteban-Gutierrez等研究了溫度(35~55℃)對污水污泥和釀酒廠廢水發(fā)酵產(chǎn)酸的影響，結(jié)果表明：溫度為55℃、pH值為9時，污水污泥發(fā)酵產(chǎn)乙酸的產(chǎn)率為30%~65%。釀酒廠廢水發(fā)酵產(chǎn)丁酸的產(chǎn)率為60%。Ferreiro等在考察溫度對初沉污泥水解發(fā)酵的影響時發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，溶解性COD和VFAs的產(chǎn)量都有所增加，此外，溫度對VFAs的分布也有一定的影響，對于相同的碳源質(zhì)量濃度(約5g/L)，當溫度由10℃升至35℃的過程中，乙酸含量逐漸升高，丙酸含量逐漸下降，丁酸含量基本不變。Han等研究了溫度(25~45℃)對食品廢棄物循化廢水發(fā)酵產(chǎn)酸的影響，得出在最佳工藝條件下，獲得的產(chǎn)酸量為0.4g/g，對揮發(fā)性懸浮固體(VSS)、碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)的最大降解率分別為47.5%、92.0%、17.7%和73.7%。Cai等比較了21、35和60℃時剩余污泥發(fā)酵的VFAs產(chǎn)量，研究發(fā)現(xiàn)：在污泥厭氧發(fā)酵過程中，溫度越高，VFAs產(chǎn)量越大，在堿性條件下，高溫縮短了VFAs生產(chǎn)的時間，這是由于較高的溫度加快了生物適應(yīng)階段。解競等考察了溫度對超聲波與堿聯(lián)合促進污泥發(fā)酵產(chǎn)酸的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在10~37℃時，VFAs的產(chǎn)量隨著溫度的升高而增加，10℃時VFAs產(chǎn)量為1078mg/L，37℃時VFAs產(chǎn)量增加到3705mg/L。而當溫度升高到55℃時，VFAs產(chǎn)量反而下降至2469mg/L。這是因為水解酶的活性隨著發(fā)酵溫度的升高而逐漸增強，溫度的升高有利于污泥中大分子有機物向小分子有機物的轉(zhuǎn)化，同時與產(chǎn)乙酸、丙酸和丁酸密切相關(guān)的產(chǎn)酸酶的活性均在37℃時最高，繼續(xù)升溫至55℃時各產(chǎn)酸酶活性較37℃時大幅度下降。綜上所述，較高的溫度雖然可以縮短發(fā)酵產(chǎn)酸過程中VFAs的累積時間，提高其產(chǎn)量，但當溫度超過37℃時，會浪費加熱設(shè)備的運行費用，增加成本。因此，發(fā)酵產(chǎn)酸過程中一般不采用高溫來增加產(chǎn)酸量。
3、污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的應(yīng)用
污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸可作為微生物的能量和碳源，用于生物脫氮除磷、生物能源和生產(chǎn)可生物降解的聚羥基脂肪酸酯(PHAs)。
3.1 合成PHAs
PHAs是一種可生物降解的塑料類材料，可以用來代替石油衍生塑料。開發(fā)合適的底物是優(yōu)化PHAs合成量同時降低合成費用的關(guān)鍵。表2列出了不同底物合成PHAs的能力，從表2看出，不同 >
利用VFAs合成PHAs可分為3個階段：1)污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸階段。2)通過盛宴和饑荒周期對污泥進行動態(tài)馴化，富集具有合成PHAs能力的微生物。3)在分批條件下合成PHAs。Campanari等將橄欖油工廠廢水在最佳條件(溫度25℃，pH值7)下發(fā)酵產(chǎn)酸，獲得的VFAs為乙酸、丙酸、異丁酸、丁酸和戊酸的混合酸，質(zhì)量濃度為6.8g/L，將VFAs作為合成PHAs的底物，PHAs的產(chǎn)量(以COD計)為532mg/g。Hao等以戊酸占優(yōu)勢的污泥水解液為基質(zhì)，通過富集培養(yǎng)，提高了3-羥基戊酸酯(3HV)和3-羥基-2-甲基戊酸酯(3H2MV)單體的比例，PHAs質(zhì)量分數(shù)為50%。Valentino等以初沉污泥發(fā)酵產(chǎn)酸，產(chǎn)生的VFAs(10%COD)用于合成PHAs，PHAs的產(chǎn)量(以COD計)為230mg/g。Zhang等以食品廢棄物和剩余污泥發(fā)酵液為碳源合成PHAs，在pH值為7、發(fā)酵10d條件下，可獲得26540.75mg/L的VFAs，通過控制發(fā)酵液VFAs中乙酸、丁酸等偶數(shù)酸與丙酸、戊酸等奇數(shù)酸的比例，合成的PHAs中聚3-羥基戊酸酯(PHV)可以控制在22%~30%。
3.2 生物能源
沼氣是污泥厭氧消化階段的最終產(chǎn)物，沼氣是甲烷和CO2的氣體混合物，由于厭氧消化過程復(fù)雜，當VFAs濃度保持在一定范圍內(nèi)，可促使反應(yīng)向產(chǎn)甲烷階段進行，但若VFAs濃度超過系統(tǒng)緩沖能力時，會導(dǎo)致系統(tǒng)酸化，使產(chǎn)甲烷菌受到抑制，所以為了避免由于VFAs的積累導(dǎo)致此種情況發(fā)生，一般采用兩級消化系統(tǒng)。Li等研究了添加氧化錳改性劑(MBC)對污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷的影響，結(jié)果表明：MBC可以提高中間產(chǎn)物VFAs產(chǎn)甲烷和降解能力，累計產(chǎn)甲烷量比未添加MBC的對照組提高了121.97%。另外，生物能源H2也可在污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸過程中獲得，H2是理想的可再生能源之一，被認為是未來最具發(fā)展前景的燃料。Jiraprasertwong等以木薯廢水為研究對象厭氧消化產(chǎn)甲烷和產(chǎn)氫，得出在最佳COD為15kg/m3條件下，系統(tǒng)分別獲得最高的產(chǎn)甲烷量(0.328mL/g)和產(chǎn)氫量(0.43mL/g)。同時發(fā)現(xiàn)三級厭氧消化系統(tǒng)在最佳COD負荷率和總能量產(chǎn)量方面的工藝性能明顯高于單級和兩級厭氧工藝。
3.3 污水的脫氮除磷
近年來，有研究將厭氧水解產(chǎn)物VFAs作為外加碳源去除廢水中的生物營養(yǎng)物(脫氮除磷)。由于廢水中的碳濃度較低，為了實現(xiàn)反硝化過程，需要外加碳源。目前通常使用甲醇、乙醇和乙酸鹽等提高脫氮除磷效果，但成本較高，所以可將發(fā)酵產(chǎn)生的VFAs作為外加碳源代替?zhèn)鹘y(tǒng)有機碳源。大量研究也證明了VFAs作為反硝化碳源可有效提高反硝化效率去除氮和磷。Tang等將餐廚垃圾在高溫下厭氧發(fā)酵用于脫氮除磷，在序批式反應(yīng)器中，部分功能微生物選擇性富集，顯著提高了脫氮效率(約90%)。此外，通過好氧-厭氧過程實現(xiàn)磷酸鹽的積累，達到了較高的除磷效率(98%以上)。Shao等利用廢污泥堿性發(fā)酵液作為外加碳源進行生物脫氮，結(jié)果表明：C/N為7，水力停留時間8h時，出水硝酸鹽的去除率為96.4%，同時發(fā)現(xiàn)反硝化過程中，對VFAs的利用率高于蛋白質(zhì)和碳水化合物。Zheng等對廚房污水進行堿性發(fā)酵用于脫氮除磷，生成的VFAs為66.3%，丙酸與乙酸的比例為0.86∶1，相比傳統(tǒng)碳源乙酸，VFAs對總氮和總磷的去除率分別由69.6%增加到78.2%，88.4%增加到95.2%。
4、結(jié)語與展望
近年來，關(guān)于污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸技術(shù)的研究受到了越來越多研究者的關(guān)注，大多研究主要集中在對發(fā)酵產(chǎn)酸工藝條件和產(chǎn)酸類型的探討，目的是為了獲得最大產(chǎn)酸量，提高產(chǎn)酸效率。由于污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸受到諸多因素影響，如與污泥種類、污泥性質(zhì)、發(fā)酵反應(yīng)器構(gòu)造、預(yù)處理技術(shù)等有關(guān)，因此得到的最佳發(fā)酵產(chǎn)酸條件也不同，這為后續(xù)不同發(fā)酵條件下獲得更多種類的VFAs提供了理論參考。然而，目前污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸也存在一定的問題和難點，如不同底物由于有機成分不同，導(dǎo)致酸化效率有所差異。此外，通過控制底物種類、pH值、溫度等因素影響產(chǎn)酸量的同時，也會影響產(chǎn)酸類型和產(chǎn)物種類，因此分析不同底物的酸化效率差異原因和通過控制各個因素進行定向發(fā)酵產(chǎn)酸，實現(xiàn)總VFAs中各種酸比例的調(diào)控是今后值得研究的方向。( >
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