污泥发酵产酸资源化利用的研究进展

王保生，王柯丹，蔺洪永，谢佳，黄龙，李海松，

（1. 郑州大学 生态与环境学院，河南 郑州 450001；2. 知和环保科技有限公司，河南 郑州 450001；3. 中原环保股份有限公司，河南 郑州 450006）

城镇污水处理厂普遍采用活性污泥法进行污水处理，剩余污泥（以下简称污泥）是活性污泥法的主要副产物之一。据2021 年我国生态环境统计年报数据显示，污泥产量为4 592.1 万t[1]，预测至2025 年产生的污泥量将达到6 000 万t[2-4]。污泥的处理与处置费用较高，一定程度上增加了污水处理厂的运营成本。在“双碳”与“资源化利用”等政策下，污泥资源化利用是当前的研究热点[5-8]。更多的研究聚焦于污泥中大量可利用有机物如蛋白质、多糖、纤维素、腐殖质等转化为挥发酸（VFAs），作为碳源实现资源化利用[9-10]。

相较于污泥的厌氧消化技术，发酵产酸技术不释放温室气体，可将污泥中的蛋白质、多糖以及其他难降解有机物转化为VFAs。VFAs 因其生物降解性，可作为多种生物处理工艺的碳源。例如发酵液中的VFAs 可作为污水处理厂生物脱氮除磷工艺的补充碳源；同时也可作为生物法合成聚羟基脂肪酸酯（PHAs）的底物，将VFAs 转化为高附加值产品PHA（可生物降解塑料），能够实现污泥碳源与能源的回收利用，被认为是助力“碳中和”的重要技术途径之一[11-12]。

研究表明，污泥中有机物的溶解和水解是限制产酸的主要因素之一[13-14]，因此较多研究采取措施加强污泥的水解产酸性能[5，7-8，15-16]。对污泥进行预处理破坏其结构，提高有机物的释放；此外，还可通过控制发酵环境，基于发酵产酸的原理，实现水解产酸菌的富集，同时抑制产甲烷菌的活性，减少其对乙酸的消耗，提高污泥产酸效能。微生物的代谢路径因产生VFAs 的成分不同而有差异，而VFAs 的组成很大程度上影响了其被资源化利用的途径，以及在被利用过程中工艺条件的选择。因此，综合分析多种策略以及关键的控制因素提高污泥的产酸性能，从微生物的代谢途径和分布等方面进行调控，为发酵液中的碳源利用奠定基础，拓宽污泥资源化利用的渠道。

1 提高污泥产酸率的策略

污泥中的成分复杂，主要含有功能菌群、胞外聚合物（EPS）等微生物代谢的残留物、大分子难降解物和污水携入的无机物。此外，污泥中微生物被分泌物包裹，具有复杂的EPS 结构[17]。在污泥厌氧发酵产酸过程中，污泥的溶解性和水解速率是限速步骤。与有机物厌氧消化的原理相比[18]，污泥需要在多种酶的共同作用下将有机物释放至溶液中。因此，可以采用物理、化学等预处理方法破坏污泥结构和微生物的细胞结构，促使有机物的释放。随后的反应过程与有机物的厌氧消化类似。为了提高产酸率，需要从两方面进行综合考虑：（1）提高有机物的水解率与酸化率；（2）抑制有机物转化为甲烷。提高污泥产酸率的原理及措施如图1所示。通过预处理促进污泥中有机物的释放，从而实现污泥产酸率的提高；其次，通过控制污泥发酵的运行参数，由于在污泥发酵产酸过程中，污泥既作为待处理物质，又作为微生物，分解有机物。因此，根据不同功能的微生物对环境的敏感性，通过控制发酵条件，富集功能菌，实现水解酸化性能的提高，同时抑制产甲烷性能。减弱产甲烷菌的代谢活性，抑制VFAs 的消耗，从而强化污泥的产酸性能。

图1 提高污泥产酸性能的原理及措施示意图

1.1 通过对污泥的预处理强化污泥的水解性能

1.1.1 物理法预处理

为了强化污泥厌氧产酸效率，研究发现在发酵前对污泥进行预处理是一种可行的选择。物理处理法如热处理、微波处理、超声波处理、机械处理、蒸汽爆破预处理等通过破坏污泥的结构，提高有机物在溶液中的释放，从而进一步强化污泥的产酸率。

热处理方法提高污泥产酸效能的原因在于通过升高温度破坏污泥的胶体和絮凝结构，被淘汰的不耐高温微生物进一步被分解释放有机物。有研究显示提高温度还可增强污泥的水解速率，例如Kor-Bicakci[19]在70 ℃处理污泥72 h 后进行发酵，VFAs 产量为4 850 mg/L，是对照组的4 倍。但是高温处理（超过200 ℃）则不利于污泥产酸。由于Mailard 反应的存在，180 ℃以上会形成蛋白黑素、多相聚合物等难降解有机化合物，导致污泥团聚[20]。

微波处理的效果类似于热处理，由于热效应影响，微波辐照通过破坏污泥中细菌的胞内、胞外结构释放有机物，从而实现污泥中有机物的转化。Ebenezer 等[21]用微波处理污泥，可溶性化学需氧量（SCOD）的值比未处理的增加了83.4%。Guo 等[22]的研究结果使污泥的产酸率高达1.28 gVFA/g VSS。

通过剪切力的作用对污泥结构进行破坏，如超声波和离心裂解、高压均质等机械处理，增加有机物的溶解。Kang 等[23]研究发现在800 W 条件超声处理污泥30 min，SCOD 为对照组的5.8 倍，发酵后VFAs 浓度达到1 753 mg/L。Zhang 等[24]采用高压均质的机械预处理后，SCOD 提高了45%。

1.1.2 化学法预处理

化学法预处理是通过添加化学试剂如强碱、强氧化剂、游离氨（FA）与游离亚硝酸（FAN）等，破坏微生物的细胞结构，氧化分解大分子有机物如多糖和蛋白质等，加强污泥的水解性能，从而提高污泥的产酸率。

在化学处理中，碱处理为较常用的方法之一。碱处理（pH 值＞9）能有效促进EPS 水解，细胞壁破裂，分解大分子物质。此外碱性添加剂可以与EPS 和细胞膜发生脂质反应，增加对细胞膜的破坏程度[25-27]。窦等人研究结果表明，当pH 值为12 时污泥破解程度最大，达到44.69%。He 等[25]和Wang 等[27]的研究结果显示，污泥在pH 值为9.5 条件下进行预处理后，SCOD 明显升高，在随后的发酵过程中产生的VFAs 也相应提高。

较多研究表明，通过硫酸根自由基、臭氧、高铁酸盐、CaO2、次氯酸钙等对污泥预处理后，SCOD 值均增加[8，15-16，27-30]。Yang 等[28]研究结果表明适宜的过硫酸盐预处理后，污泥的产酸率从29.69 mgCOD/gVSS 增加到311.67 mgCOD/gVSS。Li 等[29]研究了不同浓度高铁酸钾对污泥产酸的影响，当高铁酸钾浓度为0.9 g/g VSS时，VFAs 浓度高达2 835 mg COD/L。此外，研究发现用CaO2对污泥预处理时会产生Ca（OH）2，提高pH值；还会产生羟基自由基和超氧自由基等强氧化物质，促进污泥的破坏，增加内分泌干扰化合物的降解，进一步提供更多可生物降解的低分子量有机物[16]。

FA 与FNA 的预处理主要作用表现在对微生物的毒害性，FNA 及其衍生物已被证明对灭活细菌和EPS分解有效。Liu 等[31]、Duan 等[32]和Wang 等[33]的研究结果表明，通过游离的FNA 预处理后导致大量细胞裂解，增强污泥溶胞性，进而实现大量有机物的释放，提高污泥的水解性及有机物的可生物降解性。

1.2 通过控制发酵条件提高污泥的水解酸化性

污泥的厌氧发酵产酸通常采用半连续运行方式，可以通过设置温度、pH 值、氧化还原电位（ORP）、水力停留时间（HRT）或污泥停留时间（SRT）等参数调控发酵环境。适宜的温度与酸碱环境均有利于微生物的生长。相较于水解酸化菌，产甲烷菌对环境的变化更敏感。在实际运行过程中往往采用中温发酵，污泥发酵温度为35～40 ℃。产甲烷菌生长的最适pH 值范围在6.8～7.2，水解酸化菌的pH 值范围广，尤其是在碱性环境中更容易实现富集。此外，碱性环境（pH 值为10）已被认为是实现污泥发酵产酸资源化利用的最有效方法之一[34]，既促进污泥水解，又抑制产甲烷菌的活性减少对VFA 的消耗，提高污泥的产酸效能。通常情况下，采用投加氢氧化钠、CaOH、CaO2等试剂控制发酵条件为碱性，其pH 值为10[35]。在污泥半连续发酵的过程中，污泥中的细菌作为接种微生物，而大分子有机物、残留物与淘汰的细菌作为发酵的底物，HRT 与SRT 的值一样，通过控制反应与代谢时间从而提高系统内的VFAs 产量。

无论是预处理还是通过控制运行参数，均可实现提高污泥的产酸性能。实际中常采用多种技术联合使用，在达到提高污泥产酸量的前提下，减少药剂成本并降低能耗。碱处理为常用方法之一的原因在于在工艺中易操作且效果好。FNA 的预处理后，在发酵液中会存在稍高浓度的亚硝态氮，因此不适宜用于污水厂脱氮除磷的碳源；但是可以用于合成PHA 的碳源，其中高浓度的亚硝态氮可以替代氧气作为电子供体，促使污泥发酵液中VFAs 转化为高附加值产品PHA。因此，在资源化利用过程中还需考虑到VFAs 的组成。

2 污泥产酸的代谢途径

污泥中的有机物转化为VFAs 过程中通过微生物发生一系列的化学反应[36]，单体葡萄糖在水解酸化过程具有多条途径，根据最终产生VFAs 的组分，主要阐述了污泥发酵液中乙酸、丙酸、丁酸等小分子有机酸的代谢途径：（1）乙酸型代谢途径（AET）；（2）丙酸型代谢途径（PTF）；（3）丁酸型代谢途径（BTF）；（4）混合酸代谢途径（MAF），如图2 所示。

图2 污泥发酵产生VFAs 的代谢途径

在AET 中产生的副产物之一为乙醇，其积累对微生物产生灭活作用。丙酮酸转化为乙酰辅酶A 后直接被转化为乙酸。在此代谢途径中，pH 值总是至关重要的影响因素。据报道，pH 值从4.0 增加到7.0，可以增加乙酸的产生，但是减少丁酸的产生，而乙酸和丁酸的产生在pH 值为6.5～7.0 变得同样丰富。除了操作参数之外，代谢工程技术如某些途径的删除、添加和修饰也可以是控制乙酸产生途径的措施。

在PTF 中，产物丙酸是污水厂生物脱氮的良好碳源[37]。在酸性条件下更易获得丙酸（pH 值为4.0～4.5）[38]。但是在实际过程中，由于未解离的丙酸对产丙酸菌有较强的抑制作用，导致丙酸产率较低。也有研究表明，通过提高ORP 可以提高丙酸的产率。

在BTF 中，代谢产物为丁酸盐和乙酸盐。作为制药、化妆品和化学工业中的工业原料，丁酸盐是比乙酸盐更有吸引力的产品[39]。影响因素除了温度与pH 值外，还有还原当量（NADH2）。从图2 中可以看到，NADH2越多，产生丁酸的占比越高。此外，提高污泥负荷与蛋白质占比也会富集丁酸。

污泥在碱性半连续发酵条件下，常见的代谢途径为MAF。在MAF 中，VFA 产物是乙酸、丙酸、丁酸和戊酸的混合物。其中，乙酸的占比远高于其他有机酸。这些代谢产物的分布取决于细菌的类型和微生物中功能酶的表达。

在污泥有机物利用转化为PHA 的过程中，对VFA的组成要求为混合酸或是具有较高含量的乙酸。因此通过控制发酵环境，发生的主要代谢途径为MAF、PTF和BTF。

3 污泥产酸的主要功能菌分布

在污泥的发酵产酸系统中，发挥主要作用的功能菌为水解酸化菌。水解菌将多糖和蛋白质等转化为单糖和氨基酸，之后在酸化菌的作用下转化为乙酸、丙酸、丁酸和戊酸等小分子挥发酸。水解产酸功能菌在门水平有Proteobacteria（变形菌门）、Bacteroides（拟杆菌门）、Actinobacteria（放线菌）和Firmicutes（厚壁菌门）等，这些微生物是在厌氧发酵体系内常见的水解酸化菌[40-42]。变形菌门是一种在各种环境中常见的微生物，涵盖了多种好氧-厌氧-兼性厌氧菌，可以降解大分子有机物，较易适应微生态环境的变化[43]。拟杆菌门主要参与污泥中固体成分的分解，可以分泌溶细胞酶，将有机物转化为乙酸[42]。污泥产酸发酵的研究中还发现Chloroflexi（绿弯菌门），绿弯菌门在厌氧消化中也发挥至关重要的作用，促进水解过程，破坏复杂的有机物产生VFAs[44]。

在属水平，一种微生物可以实现多种代谢功能，而同种代谢功能可以有多种微生物协同作用。在污泥发酵产酸的复杂体系中，常见的功能菌有Tissierella（泰氏菌属）、Clostridium（梭菌）、Guggenheimella（产氢产乙酸菌）、Corynebacterium（棒状杆菌）、Proteiniborus（产乙醇食蛋白质菌）、Anaerolinea（厌氧绳菌）、Butyrivibrio（丁酸弧菌）、Bifidobacterium（双岐杆菌）等。这些水解酸化菌既可在不同的环境中进行富集，也可在同一发酵环境中协同作用。泰氏菌属是一种嗜碱菌，在碱性环境中可以将蛋白质和葡萄糖转化为VFAs[45]。产氢产乙酸菌作为产乙酸菌，可以将有机物转化为乙酸并释放H2和CO2；棒状杆菌分解氨基酸转化为VFAs。

不同的处理方式或运行参数，其微生物群落结构具有差异，优势功能菌的组成不同[8，14，26，46-47]。Wang 等[26]研究了3 种不同碱添加剂（NaOH、Na2CO3、Ca（OH）2）调节发酵pH 值，添加Na2CO3时富集优势菌为Proteiniphilum（嗜蛋白菌）、泰氏菌属、Irregularibacter（不规则杆菌）等；NaOH 调节pH 值时，优势功能菌是Acetoanaerobium（厌氧醋酸菌）、Exiguobacterium（微杆菌）、Faecalibacterium（粪杆菌）、Alkaliphilus（嗜碱菌）。Chen 等[8]研究结果表明高温碱性条件下发挥功能的微生物是放线菌门和变形菌门（41.77%）。Huang 等[14]研究了发酵温度对微生物群落的影响，在45 ℃时，优势菌为Acidobacteria（酸杆菌门），55 ℃时放线菌门、变形菌门为优势菌。

4 结论和展望

通过物理与化学等多种方法进行预处理强化污泥的溶解，加强有机物的释放，提高污泥的水解率。此外控制发酵的运行参数如中温（35～40 ℃）、碱性（pH值为10），提高厚壁菌门、Tissierella、产氢产乙酸菌、梭菌等功能菌的产酸性能，同时抑制产甲烷菌如产甲烷丝菌与产甲烷杆菌的代谢活性，最终实现将固体污泥中的有机物转化为液体中可被利用的碳源，进行资源化利用。然而物理法操作相对简单但前期设备投入较高，运行中耗能较大；化学法促进水解、酸化效果比物理法更显著，化学试剂的投加一定程度增加了成本。因此，在实际应用中，会结合发酵液中碳源的使用途径采取多种方法联合预处理或者控制运行参数的方法，提高污泥的产酸率。

通过控制污泥发酵参数如ORP、温度等，使微生物主要发生PTF 代谢途径，污泥发酵液中的丙酸可以作为污水处理厂生化工段脱氮除磷工艺中的碳源；通过FNA 预处理后污泥碱性发酵液不适用于生物法脱氮除磷工艺；但其发酵液中的亚硝态氮可作为电子供体促使VFAs 生物转化为高附加值产品PHA。因此，通过控制发酵条件采取合适的代谢途径推进发酵液中VFAs 的资源化利用。然而发酵液中非VFA 成分例如氨氮、磷酸盐等在被利用过程中对后续工艺产生的影响尚不明确，还需要进一步的研究。