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 隨著我國城鎮(zhèn)化進程不斷加快，污水處理總量和餐廚垃圾(Kitchen waste，KW) 數(shù)量逐年增長，每年剩余污泥(Excess sludge，ES) 產(chǎn)量高達4 000–6 000萬t[1]，KW年均產(chǎn)量約9 000萬t[2]，預計到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(焚燒、水熱處理)、生物轉(zhuǎn)化技術(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)境影響小而被認為是一種解決各類有機廢物的經(jīng)濟有效方法。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用，并在長期運行條件下實現(xiàn)了經(jīng)濟可行性。
本文總結分析了KW與ES單獨及其協(xié)同下厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的優(yōu)劣勢及其機理，以及控制厭氧共發(fā)酵產(chǎn)酸的關鍵因素，以期為降低城市有機固體垃圾處理難度、增加資源循環(huán)同時減少環(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)勢在厭氧發(fā)酵過程中，復雜有機物在降解菌的作用下轉(zhuǎn)化為有機單體后，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)酵底物構成對VFAs的生產(chǎn)速率具有較大影響，蛋白質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)酸過程明顯短于其他基質(zhì)，油脂水解速度快，但多以長鏈脂肪酸(Long-chain fatty acids，LCFAs) 的形式存在，從而影響VFAs生產(chǎn)速率。
據(jù)報道，污水處理廠通過ES厭氧發(fā)酵產(chǎn)生VFAs，可實現(xiàn)高達65%的廢水處理所需能源自給[13]。目前，國內(nèi)外研究學者分別針對ES厭氧發(fā)酵的產(chǎn)物回收率及穩(wěn)定性進行了研究，其中，碳氮比值(Carbon/Nitrogen，C/N) 低、水解過程中產(chǎn)堿度導致pH值偏高均被認為是限制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程酸化速度過快等特點[3]，單獨厭氧發(fā)酵易使微生物的生物活性受到嚴重抑制，擾亂產(chǎn)酸發(fā)酵過程的穩(wěn)定性。Zhao等[16]研究發(fā)現(xiàn)，相對低濃度(0–8 g/L) 的NaCl可促進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)，同時抑制產(chǎn)甲烷過程，但相對高濃度(16 g/L) 的NaCl則顯著抑制酸化過程。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)酵很難實現(xiàn)無害化處理，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)酵可以很好地彌補各自單獨發(fā)酵所存在的不足，實現(xiàn)協(xié)同效應，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)：較秸稈單獨發(fā)酵而言，聯(lián)合發(fā)酵效率明顯提高[21]。隨后，國內(nèi)外學者對厭氧共發(fā)酵進行了大量研究。Wu等[15]證明KW和ES聯(lián)合發(fā)酵可同時增加水解菌和產(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單獨消化增長了8.38%。
2 厭氧共發(fā)酵產(chǎn)酸過程及其生物代謝機制厭氧發(fā)酵的水解與產(chǎn)酸并非相互獨立的過程，幾乎同時進行。有機物在降解過程中，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氧化機理進行生物降解，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 有機物厭氧發(fā)酵水解和酸化過程簡圖[23]Fig. 1 Schematic diagram of the hydrolysis and acidification of organic matter in anaerobic fermentation[23]. |
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圖選項
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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)報道，有機廢物組成差異與有機物代謝途徑相關聯(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廢物在高溫條件下單獨發(fā)酵，其主要代謝產(chǎn)物為丁酸，稱為丁酸發(fā)酵途徑，當pH低于5.0時，發(fā)酵液還原傾向增強，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單獨發(fā)酵的VFAs組成與之相似，而ES無論滅菌與否，其主要產(chǎn)物均為乙酸，占總VFAs的71.2%–75.2%。這說明污泥中的微生物并不是影響ES單獨發(fā)酵與共發(fā)酵之間VFAs類型的差異的原因，KW中的有機物可能才是影響發(fā)酵過程的主要因素。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) 濃度仍保持相對穩(wěn)定，說明高有機負荷率(Organic load rate，OLR) 有利于抑制乙酸型產(chǎn)甲烷途徑[28]。并且，當KW與ES混合比例大于1︰1時，脂肪酸會出現(xiàn)二次積累現(xiàn)象[29]，可能是由于高負荷條件下，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到抑制餐廚垃圾中難降解的部分有機物(如纖維素) 降解的條件，纖維素隨著時間增加而溶出利用，進而造成脂肪酸再次積累。另外，低負荷可能會使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果，認為降低負載會減緩乙酸的生成。
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個因素來控制，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程中存在失衡現(xiàn)象，因此，需要通過代謝調(diào)節(jié)來實現(xiàn)平衡狀態(tài)。任南琪等[25]研究認為，高OLR條件下產(chǎn)乙酸的速率加快，導致H2和NADH產(chǎn)量升高，當NADH出現(xiàn)積累，代謝途徑會逐漸向產(chǎn)丙酸途徑轉(zhuǎn)變，所以，丙酸積累極有可能是由于NADH產(chǎn)率過高所導致的。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，主要是通過氨基酸之間的Stickland反應形成，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，通過調(diào)控其他限制性因子，也可實現(xiàn)定向選擇發(fā)酵類型。據(jù)趙丹等[34]分析，當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，低pH (4.2) 又形成乙醇型發(fā)酵，當初始生態(tài)位形成后，ORP無論是降低或升高，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)報道，堿性條件更利于VFAs的生產(chǎn)，F(xiàn)eng等[23]對pH影響VFAs形成關鍵酶活性的研究發(fā)現(xiàn)，在堿性條件下(pH 8.0)，乙酸的產(chǎn)率最高時，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，此時生成了更多的丁酸，說明由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 微生物的群落結構影響發(fā)酵產(chǎn)酸途徑發(fā)酵產(chǎn)酸是酸化菌群利用水解產(chǎn)生的小分子有機物轉(zhuǎn)化為更簡單的化合物并分泌到細胞外，同時合成新的細胞物質(zhì)的過程，因此，微生物群落結構組成對發(fā)酵途徑起著關鍵性作用。根據(jù)產(chǎn)酸微生物降解有機物的產(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
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研究發(fā)現(xiàn)，豐富的有機物使3種群落在發(fā)酵前期同時存在，但仍以丙酸型發(fā)酵菌群為主。隨著發(fā)酵時間延長，可供發(fā)酵細菌代謝所需的資源緊缺，各類細菌出現(xiàn)種間競爭，優(yōu)勢菌群的組成及其生理代謝特性不斷發(fā)生改變，導致有機物代謝途徑變化。任南琪等[25]發(fā)現(xiàn)，整個發(fā)酵過程中梭桿菌屬Fusobacterium均占據(jù)一定優(yōu)勢，其他優(yōu)勢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)酵過程中兩次成為優(yōu)勢菌群，但呈現(xiàn)的優(yōu)勢菌屬組成卻不同，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)勢菌群除Bacteroides、Clostridium和Fusobacterium外，還有發(fā)酵單胞屬Zymomonas，但當Bacteroides為唯一優(yōu)勢菌群時，乙醇發(fā)酵處于不穩(wěn)定狀態(tài)，此時各脂肪酸含量均較低，說明穩(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果。當廢水處理系統(tǒng)中以丙酸桿菌屬Propionibacterium、韋氏球菌屬Veillonella為主時，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，這是一個多類微生物與環(huán)境相互作用、相互適應的過程，因此，表征微生物群落動態(tài)對定向提高VFAs的產(chǎn)量具有指導意義。
3 影響厭氧共發(fā)酵過程及產(chǎn)VFAs的因素微生物是厭氧共發(fā)酵過程的主體，然而溫度、pH值、預處理手段、水力停留時間(Hydraulic retention time，HRT)、OLR、混合比例等外部環(huán)境因素會影響微生物群落組成與活性，從而影響產(chǎn)酸過程與效率。
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。適宜的溫度會加速厭氧微生物群落的代謝活動及種群動態(tài)變化，并對各種化合物的水解動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)報道，產(chǎn)酸菌的最佳溫度在35 ℃左右，當溫度低于20 ℃時，產(chǎn)酸效率將降低50%以上[25]，Cha等[36]發(fā)現(xiàn)，當溫度從30 ℃降到15 ℃時，底物的降解速率從92%降低到25%。Yuan等[37]研究結果發(fā)現(xiàn)，ES在24.6 ℃發(fā)酵6 d時的VFAs產(chǎn)量相當于14 ℃發(fā)酵14 d的量，是4 ℃發(fā)酵9 d的VFAs產(chǎn)量的3.57倍。
而且高溫明顯促進底物粒徑變小，更有利于蛋白質(zhì)等有機氮的轉(zhuǎn)換，促進丙酸積累，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。鄭舍予[38]分析不同溫度對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)量較污泥單獨發(fā)酵而言提高了1.24–1.87倍，說明高溫和共發(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，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，但同時也會產(chǎn)生許多生物無法降解的化合物，并對后續(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在水解起始階段會形成大量的有機酸，導致反應系統(tǒng)pH迅速降低，不利于水解菌和產(chǎn)酸菌生長[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，進而影響有機物厭氧發(fā)酵產(chǎn)VFAs類型和含量的差異。如徐杰[49]研究發(fā)現(xiàn)當pH < 5.0時，主要進行乳酸發(fā)酵，當pH 5.0–6.0時，丁酸發(fā)酵占優(yōu)勢，當pH > 6.0時，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(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，又能減少產(chǎn)甲烷菌對VFAs的利用，實現(xiàn)VFAs的積累。
3.3 有機負荷率影響產(chǎn)酸發(fā)酵類型及VFAs產(chǎn)量OLR是指每天每體積反應器中輸入的有機底物量，能反映厭氧消化過程中微生物處理有機物的能力[51-52]。研究發(fā)現(xiàn)，高OLR對厭氧產(chǎn)酸過程的影響是多方面的。首先，大量有機可溶性底物的持續(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，所有反應系統(tǒng)的VFAs濃度均呈現(xiàn)上升趨勢。李浩[48]也發(fā)現(xiàn)，當OLR提升至5.05 g/(L·d) (HRT=15 d) 時，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OLR低于2.0 g/(L·d) 時，整個消化過程主要為乙醇型發(fā)酵，隨著OLR升高(> 2.0 g/(L·d))，丙酸會迅速積累，占領主導地位。此外，改變OLR也會影響微生物群落結構[52]。Ma等[54]分析表明，隨著OLR的增加，預發(fā)酵處理氨基酸厭氧降解菌Proteiniphilum的相對豐度由12%增加到32%，成為體系中的優(yōu)勢菌群，并增加了VFAs積累。這可能是由于高OLR條件下，蛋白質(zhì)降解導致氨基酸濃度升高，為Proteiniphilum的繁殖提供了充足的營養(yǎng)，同時形成的高濃度氨氮也抑制產(chǎn)甲烷菌的生長。
3.4 HRT過長會抑制產(chǎn)酸微生物活性HRT是厭氧共消化中另一個重要參數(shù)，它關系到底物在發(fā)酵過程中與厭氧微生物接觸的時間，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過長，累積的VFAs會導致發(fā)酵液過酸，影響水解菌和產(chǎn)酸菌的生長，導致脫氮效率降低和運行成本增加[55-56]。Miron等[57]研究表明：在HRT低于8 d時，產(chǎn)酸菌為優(yōu)勢菌群，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間不同導致的。Chen等[58]利用響應面法探究VFAs產(chǎn)量與HRT間的相關性表明，VFAs濃度隨著HRT增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，在HRT 8.8 d時，VFAs達到最高濃度26.48 g/L。綜上，對于KW和ES的厭氧共消化，必須嚴格分析和優(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 預處理促進生物降解速率及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，導致整個過程中的水解速率和VFAs的產(chǎn)率降低。因此，采取適當?shù)念A處理方式來增加底物的溶解度，并強化有機廢物的生物降解速率具有重要意義。目前，促進VFAs從KW和ES中生成的有效途徑主要包括物理預處理(超聲[59]、微波[60]、熱水解[61]、凍融/解凍[62])、化學預處理(氧化法[38]、堿解[63]、表面活性劑、零價鐵[64])、生物預處理(生物酶、生物強化[65]) 等。
She等[62]利用凍融/解凍的方法對ES進行–24 ℃預處理8 h，35 ℃解凍2 h，循環(huán)操作5次，結果表示，該處理增溶作用顯著，化學需氧量(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?shù)母邷啬軌驈娀疎S中微生物的溶胞效果，對縮短發(fā)酵時間、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98.1 g/L。
事實上混合預處理更能達到低成本、高能源回收率的效果。據(jù)報道，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)同處理可促進增溶和有機物的釋放，短鏈脂肪酸最高濃度分別是冷凍和FNA單獨預處理的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)酸的過程中必然伴隨產(chǎn)甲烷過程，因此要提高有機廢物厭氧發(fā)酵積累VFAs需要適當調(diào)整發(fā)酵條件，從而抑制甲烷生產(chǎn)。目前，對甲烷的抑制主要是針對產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌之間的生理生化特性差異來實現(xiàn)的，例如通過添加甲烷抑制劑、利用甲烷菌對氧的敏感性、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單獨發(fā)酵時，短時間內(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KW與ES以1︰1混合發(fā)酵時，添加BES或增加初始O2對VFAs的產(chǎn)率均沒有顯著影響，因此，在底物高負荷時，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[30]。據(jù)報道，當總氨濃度控制在1.7–14.0 g/L或NH3-N濃度為0.2–0.5 g/L時，會導致甲烷產(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，當油酸濃度達到3 g/L時，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，對于改善發(fā)酵過程具有重要意義[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，當混合物質(zhì)量比為4︰1時，脂肪酸的產(chǎn)量達到最高，這可能是KW中基質(zhì)組成不一樣導致的。采用中心復合設計和響應面法對KW和ES生產(chǎn)VFAs的工藝參數(shù)分析表明：KW成分占88.03%，水力停留時間為8.92 d，有機負荷為8.31 g VSS/(L·d)，發(fā)酵pH為6.99時，VFAs產(chǎn)值最高[59]。此外，適當提高發(fā)酵底物中溶解鹽(即鈣、鎂、鉀和鈉) 含量會增強鹽析作用，降低脫氫酶活性，導致微生物生長受到抑制，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果，最主要的原因還是發(fā)酵全程各環(huán)境因子的動態(tài)變化，導致微生物活性、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、水解過程酸化速度過快及病原物多等因素抑制，而ES存在C/N低、發(fā)酵過程產(chǎn)堿度高、功能微生物物種單一等缺點[3, 14-15]，單一底物進行發(fā)酵很難實現(xiàn)經(jīng)濟可行性。目前大量學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)酵底物組成差異導致KW與ES協(xié)同發(fā)酵產(chǎn)物重現(xiàn)性差，VFAs類型難以實現(xiàn)定向產(chǎn)出。KW與ES協(xié)同發(fā)酵過程中，底物粒徑對產(chǎn)酸效果影響頗大，前期研究多采用超聲波或機械破碎減少餐廚垃圾粒徑從而增加接觸面積[80]，生產(chǎn)工藝相對復雜。生物強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)酵是通過改變底物組成及環(huán)境因子形成某一特定功能的頂級微生物群落，但在實際商業(yè)化應用中很難實現(xiàn)環(huán)境條件的實時監(jiān)控并對它的改變做出及時響應，因此，通過馴化種群繁多的本土微生物來實現(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，本實驗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)。結合該研究結果及目前面臨的問題，未來需要從以下方向開展進一步研究：1) 結合地區(qū)飲食差異，削減環(huán)境因素(鹽度、油度、辣度等) 對VFAs產(chǎn)量帶來的影響，實現(xiàn)VFAs高效及定向生產(chǎn)。2) 接種外部微生物，構建新的微生物產(chǎn)酸發(fā)酵體系。將上述實驗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)勢菌群的條件，通過改變原有微生物群落結構，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，是一項非常復雜的工藝，為避免分離技術帶來的影響，在后續(xù)的研究中，將KW與污水處理廠的原廢水進行協(xié)同處理，接入實驗室高效反硝化菌株，可能會表現(xiàn)出更好的消化及反硝化潛能，同時有助于進一步降低污水處理在商業(yè)化應用中的運行成本，成為一種新的城市有機固體垃圾處理方法。
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