厌氧消化含油脂废物的抑制缓解技术研究进展*

郝梓雯 吴丽杰# 吕永康

(1.太原理工大学省部共建煤基能源清洁高效利用国家重点实验室，山西 太原 030024；2.太原理工大学煤科学与技术教育部重点实验室，山西 太原 030024)

油脂是高级脂肪酸与甘油形成的酯。其中，油以不饱和高级脂肪酸甘油酯为主，常温下为液体；脂肪以饱和高级脂肪酸甘油酯为主，常温下为固体[1]。在生活中高油脂含量的废物包括屠宰场、食用油精炼厂、牛奶奶油厂和食品加工厂的废物，以及含油脂废水、含油脂污泥、餐厨垃圾等。若处理不当极易引起废物腐败，对大气、水体、土壤造成污染，危害人体健康，并对后续废物资源化利用带来不利影响[2]2。例如含油脂的废水，若直接进入污水处理系统，油脂的附着会引起活性生物质漂浮，对污水处理系统、管道和节流器等产生负面影响[3]。所以选择合适的含油脂废物处理方式显得尤为重要。与好氧处理相比，厌氧消化可以从废物降解中生成甲烷，既节能环保，又能够实现环境和经济效益的协调统一，是处理含油脂废物很好的选择。LABATUT等[4]对玉米渗滤液、粪便、乳清、含油食品等约175个具有高度异质性特征的底物进行生物甲烷势测试，其中富含油脂的底物平均比甲烷产率高达648.5 mL/(g·d)(以单位质量底物挥发性固体产生的的甲烷体积计)，含有高木质纤维素成分的底物产甲烷潜力最低，平均比甲烷产率为106.5 mL/(g·d)。且对比典型有机物的成分碳水化合物、蛋白质、脂类、乙醇、乙酸、丙酸等，脂类具有最高的产甲烷潜能且标准状况下的甲烷产量是最高的[5]。故可利用这一优势，选用厌氧消化技术，在无氧条件下，结合有机物去除和生产沼气能源两种形式，将废物高度可持续降解。但在实际的厌氧消化操作中，还有很多的抑制因素，使得理论上的甲烷产量是不容易实现的。其中最重要的因素是中间产物长链脂肪酸(LCFA)的抑制[2]3。LCFA吸附于细胞膜表面，阻碍细胞的营养运输，抑制细胞活性，最终导致厌氧消化过程受到抑制[6]16。而且抑制一旦发生，需要相当长的恢复期[7]316。为了促进含油脂废物的厌氧消化过程顺利进行、有效地生成甲烷，对缓解LCFA抑制和抑制后恢复的策略进行概括性论述。

1 LCFA的厌氧代谢机理

在厌氧消化过程中，油脂类化合物在水解菌及各种细胞外酶类作用下，水解产生LCFA和甘油，其中1 mol脂质可以分解为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为低级的挥发性脂肪酸，然后在产氢产乙酸菌作用下生成乙酸和氢气。常见的LCFA有亚油酸(C18H32O2)、油酸(C18H34O2)、硬脂酸(C18H36O2)、棕榈酸(C16H32O2)、肉豆蔻酸(C14H28O2)和月桂酸(C12H24O2)[9]258。根据有无饱和双键又分为饱和LCFA和不饱和LCFA。饱和LCFA在同型产乙酸菌的作用下通过β-氧化降解为乙酸和氢，最后在产甲烷菌作用下生成甲烷[10]10。β-氧化过程可用式(1)表示，脂肪酸与辅酶A(CoASH)结合进行循环的β-氧化过程，即在每个循环中从脂肪乙酰辅酶A (CH3(CH2)nCO—S—CoA)中去除两个碳原子，生成乙酸和氢气[11]2。但降解LCFA 的微生物生长缓慢，且需要低氢分压的条件，因此LCFA的β-氧化成为其降解的限速步骤。对于不饱和LCFA，WENG等[10]13提出了不饱和LCFA可能从链饱和开始，接着是β-氧化机制，也有部分不饱和LCFA可以直接进行β-氧化反应。不饱和LCFA比饱和LCFA的分解速率高[9]265。最后乙酸和氢气在产甲烷菌作用下转化为甲烷、二氧化碳和水，过程可用式(2)和式(3)表示[11]3。含油脂废物的降解过程如图1所示[8]24。

图1 含油脂废物降解流程

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

(1)

CH3COOH→CH4+CO2

(2)

4H2+CO2→CH4+2H2O

(3)

LCFA在微生物细胞表面的吸附被认为是其产生抑制的主要因素[2]3。LCFA很容易包裹或吸附在微生物表面，阻碍可溶性有机物与微生物细胞之间的传质过程，可溶性中间体无法进入微生物细胞及时分解，进而加剧中间产物的积累，产酸菌和产甲烷菌的活性会受到抑制，最终导致厌氧消化过程的失败[7]316。LCFA生物吸附还会引起污泥漂浮，也是导致厌氧消化过程恶化的主要因素之一[12]。由于油脂密度较小，在厌氧污泥中易漂浮，所以当LCFA在生物质的表层吸附后，生物质密度、质量等物理状态发生改变，引起悬浮进而导致污泥大量冲刷流失，致使厌氧消化过程失败。

LCFA对厌氧消化的抑制是一种快速抑制但恢复时间长的现象。KOSTER等[13]将厌氧污泥暴露在LCFA抑制浓度下仅7.5 min后，产甲烷活性就降低了50%。实验中若LCFA产生抑制后，想要恢复重新产甲烷可能需要几个月的时间[7]322,[14]。LCFA抑制后恢复时间长，甚至很难恢复的原因是，抑制后存活的产甲烷菌非常少。LCFA吸附在产甲烷菌表面，导致细胞通透性降低，阻碍了营养盐等有机物与细菌的传质过程，无法满足其生长的活性条件，致使产甲烷菌失活甚至死亡。即使稀释后LCFA浓度不足以产生抑制，厌氧消化也很难继续顺利进行。但实时荧光定量聚合酶链式反应分析结果表明，LCFA在厌氧消化过程中对产甲烷菌的抑制作用是可逆的[9]264。

2 抑制的影响因素

2.1 LCFA浓度和种类

LCFA的浓度是影响它对厌氧消化抑制的一大因素，LCFA与碳水化合物和蛋白质不同，即使在低浓度范围也对细菌有阻碍作用，但程度不同[8]39。LCFA的抑制程度还随着反应系统内LCFA浓度和微生物量的比率(也就是系统内LCFA/生物量)变化而变化[7]319,[8]39。PALATSI等[15]4595对比评估添加活性接种剂降低LCFA/生物量、添加吸附剂吸附LCFA降低LCFA/生物量两种方式，结果发现前一种方式下高微生物含量使得LCFA降解速率更快，还可以提高反应对LCFA抑制的适应性。WU等[16]422在食物垃圾与隔油池废物的厌氧共消化研究中，探明脂质负荷率的上限为1.61 g/(L·d)，当脂质/总固体增加到70%时将会发生抑制，导致厌氧消化过程失败。在抑制后恢复方面，LCFA/生物量也是一个重要的影响因素。WU等[7]321将被LCFA抑制的污泥与接种剂混合，提高了混合液中的生物量，降低了LCFA浓度，使LCFA/生物量减小，观察到受抑制污泥恢复产甲烷的时间缩短。但在LCFA对产甲烷菌活性的影响实验中发现，LCFA浓度对抑制产甲烷菌活性起主要作用，而LCFA/生物量在其测试范围仅起到次要作用[17]。

这种由于LCFA高初始浓度引起的抑制作用称为浓度依赖性，它也与LCFA的链长和饱和程度有关。在对产甲烷菌的不利影响中，更长的链长和更多的不饱和键对其抑制更为明显[18]。例如SOUSA等[19]4240研究发现不饱和油酸对产甲烷菌的抑制作用比饱和硬脂酸和棕榈酸更大。

2.2 厌氧微生物和污泥的种类

不同的厌氧微生物受LCFA抑制影响的方式、敏感程度、耐受程度不同，这可能与其细胞膜特性和成分等不同有关[19]4239。相比革兰氏阴性菌，革兰氏阳性菌和产甲烷菌的细胞壁结构相似，更容易被LCFA抑制[20]432。与氢营养型产甲烷菌相比，乙酸型产甲烷菌更易受LCFA的影响，嗜高温菌比嗜中温菌对LCFA抑制更敏感[19]4239。

悬浮污泥和颗粒污泥、经过油脂驯化和未经油脂驯化的污泥等不同种类污泥受LCFA抑制的效果也不同。研究表明悬浮污泥、颗粒污泥和絮凝污泥的比表面积和粒径不同，具有更大比表面积的悬浮和絮凝污泥更易受到油脂的抑制[21]。经过油脂驯化的污泥中具有更丰富的LCFA分解菌，因此对LCFA抑制的耐受能力更高[22]266。

2.3 反应条件

反应的温度、pH及氢分压等条件也会影响LCFA的抑制，由于LCFA的降解过程受不同反应条件的制约，若其降解过程受阻，大量的LCFA累积将对厌氧过程造成抑制。HWU等[23]在两个中温(30、40 ℃)和一个高温(55 ℃)下进行LCFA抑制实验，发现提高操作温度使乙酸型产甲烷菌对油酸的抑制更加敏感。由于较高的温度可以增加LCFA的溶解度，增强了其生物利用度，因此高温下LCFA的抑制作用更加明显。根据Monod型速率方程，在LCFA降解的产酸反应过程中，pH过低会对分解反应产生抑制，使反应难以继续进行，因产甲烷菌适宜在中性条件生长，最佳pH一般在6.6～7.6之间[8]41。MONTAÉS等[24]通过调控pH，使之在产甲烷菌的最佳pH范围内，对比不调控pH的反应，其生物产甲烷速率明显提高。从微生物和热力学理论分析，为使LCFA进一步降解，需要低氢分压的条件。由于LCFA在产乙酸菌作用下进行β-氧化生成乙酸和氢气是非自发反应，且反应需要有利的热力学条件即吉布斯自由能的变化量小于零，因此只有当氢气浓度足够低时，平衡发生移动，朝着生成氢气的方向反应，整个消化过程才能顺利进行[8]44,[20]431。

3 缓解抑制和抑制后恢复策略

3.1 LCFA抑制的应对策略

3.1.1 稀 释

高浓度LCFA是影响含油脂废物厌氧消化的一个重要因素，LCFA积累并在污泥及细菌表面吸附，造成厌氧消化过程的抑制[7]316。加水稀释可以降低LCFA的浓度，减少它在污泥及细菌表面的吸附，从而缓解LCFA对厌氧消化的抑制作用。

也可以将稀释作为厌氧污泥抑制后恢复的一种策略。例如WU等[7]318将被抑制的污泥按20%(体积分数)、40%、60%和80% 4种不同配比稀释，发现80%的水稀释对抑制污泥的快速恢复有积极作用，通过稀释的方法降低了反应物中LCFA的浓度，使部分吸附的LCFA回到液相中，经过一段时间，受到抑制的污泥恢复产甲烷。

3.1.2 预处理

含油脂废物具有很大的产甲烷潜力，但也因油脂成分对其厌氧消化过程造成抑制，所以需要对含油脂废物进行适当预处理，促进油脂底物的分解和利用，这样既不损失含油脂废物的产甲烷能力，同时还能缓解抑制。例如刘伊等[25]利用高温湿热预处理餐厨垃圾，增加了油脂等有机大分子的溶解性。李洋洋[6]86利用热调质预处理餐厨垃圾，使大分子有机质预水解，提高了油脂的溶出率，缓解了油脂对后续厌氧消化过程的不利影响。此外还可以辅助采用多种物理和化学手段，对含油脂废物进行预处理。例如彭立宇[26]在餐厨垃圾的预处理阶段加入油脂降解菌重点对油脂进行分解利用，同时辅助以超声破碎和柠檬酸添加等手段促进高油脂底物的降解，进一步强化了餐厨底物的深度处理。徐一雯等[27]用超声、碱热、微波等手段预处理餐厨垃圾，促进了基质中脂肪等大分子有机物溶出分解，提高了反应器的产甲烷速率，缓解了厨余垃圾碳氮比较低、营养元素不均衡等问题。含油脂废物仅靠微生物自身分泌的脂肪酶难以满足油脂快速水解的要求，可以加入外源脂肪酶进行预处理，促进油脂的水解，厌氧消化的甲烷产量也会随之增加[28]。但CIRNE等[29]发现，当脂肪酶添加量达到一定程度时，会加剧中间产物LCFA的累积，进而抑制甲烷生成，因此适当的脂肪酶添加量对预处理十分重要。

3.1.3 共消化

厌氧共消化是在反应器中同时对不同种类的废物进行生物降解，有利于创造所需营养元素的适当比例，含油脂废物采用厌氧共消化还可以调节LCFA/生物量，稀释LCFA等抑制成分，提高反应器的缓冲能力[15]4593。目前餐厨垃圾和污水、污泥和牛粪等其他成分的厌氧共消化已经越来越普遍。且大多数共消化的研究在缓解LCFA抑制、提高处理效率和甲烷产量方面都观察到显著的改善。AMHA等[30]同时添加食物垃圾、油脂进行厌氧共消化，发现共消化对甲烷生成具有积极影响。在共消化中油脂成分分散更均匀，缓解了中间产物的累积，使微生物能更大程度地降解油脂[16]423。但在实验操作过程中，对参与厌氧共消化的底物添加比例有一定要求，若添加比例不当，反应仍会受到过量LCFA的抑制，导致运行失败。WU等[16]425将食物垃圾和隔油池废物以脂质/总固体为55%(质量分数)的比例进行厌氧共消化，甲烷产量比食物垃圾的单独消化提高了68%，而当脂质/总固体为70%时将会导致厌氧过程失败。PAN等[31]将餐厨垃圾与污泥按1∶1(体积比)混和时，其共消化的产甲烷量是单独消化的4.49倍。

厌氧共消化也可作为一种使LCFA抑制后快速恢复的策略。PALATSI等[15]4594通过添加活性接种剂，观察到抑制污泥的恢复时间缩短。WU等[7]321将受抑制的污泥与接种剂混合，一段时间后受抑制的污泥恢复产甲烷，且接种剂的比例越高，恢复产甲烷时间越短。

3.1.4 添加剂

添加吸附剂将LCFA吸附、添加一价阳离子将LCFA转化为可溶性悬浮盐、添加二价或三价阳离子产生LCFA的沉淀盐等，都可减少LCFA的生物利用度，达到缓解其抑制的目的[32]。常用的吸附剂有沸石、膨润土、氯化钙、黏土、氢氧化铁、阳离子等。表1介绍了一些使用不同添加剂以缓解LCFA抑制的方法及产生的效果。

表1 不同添加剂对缓解LCFA抑制的效果

WU等[7]317在受LCFA抑制的污泥中加入膨润土，一定程度上加快了其抑制后恢复的速度，是一种可行的LCFA抑制后恢复策略。但与添加膨润土相比，添加氯化钙在缩短抑制后恢复时间、减少试剂用量方面效果更好[40]。ROY等[41]在含硬脂酸和油酸的培养基中添加氯化钙培养，可以有效逆转LCFA抑制消化的现象。

3.2 微生物对抑制影响的应对策略

3.2.1 微生物驯化

许多研究证明，经油脂驯化的接种剂能有效缓解LCFA引起的抑制，提高反应器的稳定性[22]267。这是由于油脂驯化后的接种剂充分增殖了具有分解LCFA能力的细菌，可提高对油脂的生物降解能力。也有研究将添加脂肪后污泥受抑制情况解释为厌氧微生物对脂类的适应程度，因此可将经过油脂驯化的接种剂对LCFA的耐受性解释为一种适应性[42]。PEREIRA等[43]614研究发现，添加油脂驯化的接种剂比未添加的产甲烷率提高了50%。ALVES等[22]269证明了添加预先与油脂接触的污泥可增加反应对油酸抑制的耐受性。

WU等[7]319将受抑制污泥与经过油脂驯化的污泥按不同比例接种，发现随着经过油脂驯化的污泥接种比例的提高，受抑制污泥的恢复时间缩短，且在中温条件下，添加经过油脂驯化的接种物甚至比添加膨润土的策略能更快地恢复产甲烷。PEREIRA等[43]620也在添加经油脂驯化的接种剂后，发现因LCFA抑制引起的恢复期变短。

3.2.2 生物质再循环

生物质再循环，一方面将驯化后具有更强脂质降解能力的生物质保存并再循环利用；另一方面，通过再循环，改善了反应器内物质分布，调节系统内LCFA/生物量，有效缓解LCFA对厌氧消化的抑制。有研究发现生物质再循环可显著降低LCFA对产乙酸菌和产甲烷菌的抑制效应[44]。在处理含脂质废水时，循环会对含脂质废水起保护作用，并通过降低LCFA浓度提高反应的稳定性[43]612。PEREIRA等[43]617研究发现，再循环降低了β-氧化过程的速率限制，流动稀释了LCFA的浓度，对缓解因LCFA引起的抑制有显著效果。

3.2.3 微生物固定

在传统的厌氧消化过程中，大量厌氧微生物随着出料被排出，反应器内无法保持很高的微生物活性。添加微生物载体，为微生物的存留和生长提供了良好的条件，可以将微生物细胞停留时间延长，促进LCFA的降解，缓解其抑制作用。WANG等[45]将聚氨酯泡沫立方作为生物膜载体加入厌氧序批式反应器中，在有机负荷速率3.5～5.0 g/(L·d)、水力停留时间13.3 d下运行，微生物细胞停留时间为89～150 d，污泥停留时间为24～36 d。已有研究论证了LCFA/生物量会影响厌氧消化效率[15]4593。因此，添加微生物载体，使反应器内微生物的数量和种类在一个很高的活性水平，降低LCFA/生物量，可以起到缓解LCFA对厌氧消化的抑制作用，提高厌氧消化效率[46]。SHAO等[47]添加聚酯无纺布填料作为微生物载体，对比不添加填料的空白对照组产甲烷率提高了161%。CHEN等[48]利用碳布这种导电性微生物载体，使微生物附着，同时通过载体自身的导电性促进互营菌之间的直接电子转移，提高了厌氧消化速率。

3.2.4 反应器的改良

研究者们考量厌氧消化含油脂废物的优势与弊端，对反应器进行改良、开发并设计了新型反应器，以缓解LCFA的抑制作用，提高反应器处理效率。ALVES等[49]设计了一种专为处理富含LCFA的废水的高效厌氧消化反应器，将废水中LCFA在生物质上包裹造成的污泥漂浮问题，作为保留生物量的一种手段，并设置了一个用于保留沉降生物质的二次处理系统，使微生物保留并循环利用，起到缓解LCFA抑制的作用。HARIDAS等[50]在反应器中设置由浮力聚苯乙烯颗粒组成的颗粒滤床，将生物质过滤，并在过滤器反冲洗过程中，将固体重新返回反应器的反应区，很好地保留了其生物产甲烷能力。KIM等[51]利用连续搅拌式产酸反应器和上流式厌氧污泥床产甲烷反应器组成两相反应器，对比传统的上流式厌氧污泥床的单相反应器，更多的LCFA被降解，反应器的产甲烷率提高。WANG等[52]采用厌氧序批式反应器处理含油脂废物，与传统的搅拌釜反应器相比，能更好地适应高有机负荷的环境，设置固液分离板还可以阻隔大块污泥上浮，保证了厌氧共消化反应体系的稳定性。

4 结 语

含油脂废物具有很高的产甲烷潜力，但厌氧消化含油脂废物很容易受到LCFA的抑制，阻碍厌氧消化进程，因此探究缓解LCFA抑制及其抑制后的恢复策略具有重要意义。根据不同策略所对应的抑制影响因素，可将其划分为以下3种：为解决LCFA浓度对抑制的影响，采用共消化、预处理、添加吸附剂等方式，减少LCFA在微生物表面的吸附量，从而缓解LCFA对厌氧消化的影响；应对微生物对LCFA抑制的影响，可选用接种油脂驯化的接种剂、生物质再循环、微生物固定等方式保留和丰富可降解LCFA的细菌，使LCFA充分降解，缓解其抑制作用；另外可从反应器着手，利用LCFA厌氧代谢机理设计改良反应器，缓解LCFA对厌氧消化的抑制。