短鏈脂肪酸（SCFAs）應(yīng)用廣泛，可作為強(qiáng)化生物脫氮除磷過程中的碳源，生產(chǎn)可生物降解塑料，同時可進(jìn)一步分解為沼氣、氫氣等能源，并用于發(fā)電等。目前，人們主要通過化學(xué)合成法制取SCFAs，由于化石原料的短缺，生物發(fā)酵法引起了研究人員的關(guān)注。污水處理廠中，活性污泥法的普遍使用導(dǎo)致了大量剩余污泥的產(chǎn)生，如果處理不當(dāng)會造成二次污染，已成為城市化進(jìn)程中的負(fù)擔(dān)。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，可以將污泥進(jìn)行發(fā)酵來制取SCFAs。

為了研究蛋白質(zhì)和碳水化合物在厭氧發(fā)酵過程中對產(chǎn)生SCFAs的影響，前期利用牛血清白蛋白和葡萄糖作為代表性底物，結(jié)果表明，在pH為10和5兩種條件下，利用蛋白質(zhì)產(chǎn)生的SCFAs量要明顯高于利用碳水化合物產(chǎn)生的。張振宇研究了污泥聯(lián)合不同基質(zhì)的厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)組的產(chǎn)酸效果最佳。可見，蛋白質(zhì)有很好的產(chǎn)生SCFAs效果，提高底物中蛋白質(zhì)含量是否能提高產(chǎn)物中SCFAs產(chǎn)量，還有待驗(yàn)證。秦玉格的研究表明，游離氨（FA）預(yù)處理能夠破壞污泥絮體的胞外聚合物和包裹在其中的微生物細(xì)胞（膜）壁，促進(jìn)SCOD的溶出。借助FA的作用，可以節(jié)省堿性藥劑投加量。通過模擬不同F(xiàn)A預(yù)處理濃度下厭氧發(fā)酵各階段，發(fā)現(xiàn)FA對產(chǎn)乙酸階段無明顯影響，對水解酸化和同型產(chǎn)乙酸階段只有輕微的抑制作用，對產(chǎn)甲烷階段抑制較嚴(yán)重。提高底物中蛋白質(zhì)含量后，生成的氨氮量也會隨之增加，而由氨氮形成FA的量與系統(tǒng)中pH相關(guān)。

餐廚垃圾成分復(fù)雜、性質(zhì)多變，由于每個地區(qū)飲食結(jié)構(gòu)不同，導(dǎo)致餐廚垃圾的性質(zhì)發(fā)生變化。直接用于厭氧發(fā)酵，即使是相似的研究，得出的結(jié)果也往往不盡相同。因此，有必要對餐廚垃圾主要代表性組分的發(fā)酵性能進(jìn)行研究。餐廚垃圾有機(jī)物中主要有三種成分：蛋白質(zhì)、碳水化合物和脂質(zhì)，筆者關(guān)注的是蛋白質(zhì)類餐廚垃圾，即經(jīng)過測定后，若蛋白質(zhì)含量最高，就屬于這一類垃圾。將蛋白質(zhì)類餐廚垃圾添加到污泥中，可以在性質(zhì)上形成互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)兩種廢棄物的集中處理，發(fā)揮規(guī)模效應(yīng)。筆者通過提高底物中蛋白質(zhì)含量來產(chǎn)生更多的SCFAs，并篩選出強(qiáng)化SCFAs產(chǎn)生的最佳pH條件，旨在為環(huán)境中有機(jī)固廢的資源化利用提供思路。

1、材料與方法

1.1 混合底物和剩余污泥的初始特性

蛋白質(zhì)類餐廚垃圾不僅蛋白質(zhì)含量豐富，而且含油量和含鹽量較高。為了減少干擾，采用豆腐進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，豆腐中富含植物蛋白，符合實(shí)驗(yàn)要求。剩余污泥取自天津市某污水處理廠二沉池。反應(yīng)瓶中的總固體（TS）質(zhì)量為10g。在混合底物中，因?yàn)榈鞍踪|(zhì)類餐廚垃圾和污泥有機(jī)物中都含有比較豐富的蛋白質(zhì)，所以將兩者按TS質(zhì)量比為1∶1進(jìn)行混合，混合底物和剩余污泥的pH分別為5.9±0.08、6.0±0.12，含水率分別為（96.60±0.35）%、（97.98±0.25）%，TS含量分別為（3.45±0.18）%、（1.79±0.42）%，揮發(fā)性總固體（VS）含量分別為（2.54±0.15）%、（0.89±0.17）%，總化學(xué)需氧量（TCOD）分別為（1172.32±54.44）、（780.77±155.89）mg/gTS，溶解性化學(xué)需氧量（SCOD）分別為（69.56±8.29）、（4.50±0.87）mg/gTS，總蛋白質(zhì)（TPN）分別為（642.09±50.14）、（389.13±79.82）mg/gTS，溶解性蛋白質(zhì)（SPN）分別為（7.87±0.53）、（3.00±0.58）mg/gTS，總碳水化合物（TPS）分別為（146.66±5.73）、（101.15±9.57）mg/gTS，溶解性碳水化合物（SPS）分別為（2.85±0.17）、（0.50±0.08）mg/gTS。

1.2 間歇式發(fā)酵實(shí)驗(yàn)

將混合物和污泥分別放入500mL錐形瓶中，瓶口用紗布包裹。使用2mol/L的NaOH和HCl溶液將底物pH分別調(diào)節(jié)為4、6、7、8、10，不調(diào)節(jié)pH組作為空白對照。將反應(yīng)瓶放入恒溫振蕩器中，在150r/min、35℃條件下反應(yīng)8d。每隔24h調(diào)節(jié)1次pH，并于1、3、5、7、8d分別取10mL發(fā)酵液，在11000r/min下進(jìn)行離心，采用0.45μm濾膜抽濾后，立即測定過濾液的SCFAs、SCOD、SPN、SPS。

1.3 分析項(xiàng)目及檢測方法

TS和VS采用重量法測定，TPN采用凱氏定氮法測定，SPN采用Folin-酚法測定，TPS和SPS采用蒽酮法測定，TCOD和SCOD采用重鉻酸鉀法測定。SCFAs采用氣相色譜儀測定，載氣為氮?dú)猓褂脷浠鹧骐x子化檢測器（FID），進(jìn)樣口和檢測器溫度分別為200和220℃，柱溫采用程序升溫，在45℃下運(yùn)行1min，然后按照10℃/min的速率升溫到160℃，保持此溫度運(yùn)行3min，再以30℃/min的速率升到230℃，保持運(yùn)行5min，色譜柱采用毛細(xì)管色譜柱（60m×0.25mm×1.4μm），液體進(jìn)樣量為1μL，采用外標(biāo)法進(jìn)行定量。

2、結(jié)果與討論

2.1 SCFAs產(chǎn)量分析

pH和發(fā)酵時間對SCFAs產(chǎn)量的影響如圖1所示。可知，對于這兩種不同的底物，堿性條件下的SCFAs產(chǎn)量要明顯高于酸性條件下的，混合底物和單獨(dú)污泥都在pH為10時達(dá)到最大值，分別為215.9和35.5mgCOD/gTS。混合底物的最大SCFAs產(chǎn)量是單獨(dú)污泥的6.1倍，表明了向污泥中添加蛋白質(zhì)類餐廚垃圾能夠明顯提高SCFAs產(chǎn)量。

混合底物的SCFAs產(chǎn)量在第5天之后快速下降，可能存在產(chǎn)甲烷菌的消耗。實(shí)驗(yàn)過程中每天只調(diào)節(jié)1次pH，即使在pH為10的反應(yīng)組，pH也可能下降到適宜產(chǎn)甲烷菌生存的環(huán)境。苑宏英采用剩余污泥作為發(fā)酵底物，最大揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）產(chǎn)量達(dá)到2770.4mgCOD/L（200.6mgCOD/gTSS），而本實(shí)驗(yàn)中，混合底物最大SCFAs產(chǎn)量只有215.9mgCOD/gTS，可能是被產(chǎn)甲烷菌代謝掉了。

2.2 強(qiáng)堿性條件下SCFAs的產(chǎn)生機(jī)理

底物的溶出效果可以通過SCOD的變化來反映，混合底物和單獨(dú)污泥的溶出情況如圖2所示。兩者都在pH為10時達(dá)到最大SCOD/TCOD值，從單獨(dú)污泥的13.87%上升到混合底物的29.38%，表明混合底物中有機(jī)物更容易被釋放出來，即添加的蛋白質(zhì)類餐廚垃圾更容易被溶出。

TCOD主要是由TPN和TPS組成，對于混合底物和單獨(dú)污泥，TPN含量都要遠(yuǎn)高于TPS，TPN/TPS值從單獨(dú)污泥的3.85上升到混合底物的4.38。可見，兩種底物的有機(jī)物中都以TPN為主，向單獨(dú)污泥中添加蛋白質(zhì)類餐廚垃圾后，混合底物中蛋白質(zhì)含量會進(jìn)一步增加。然而，TPN/TPS值僅僅提高了0.53，對蛋白質(zhì)含量的提高有限。不過以TPN為主的蛋白質(zhì)類餐廚垃圾有很好的溶出效果，添加后增加了底物中易于被利用的蛋白質(zhì)含量。前期研究表明，蛋白質(zhì)比碳水化合物有更好的產(chǎn)酸效果，從而極大地提高了SCFAs產(chǎn)量。

與水解發(fā)酵相關(guān)的微生物對pH適應(yīng)性很強(qiáng)，可以在pH為3~10范圍內(nèi)順利進(jìn)行反應(yīng)，當(dāng)pH調(diào)為10時，微生物活性并不是最高，不是SCFAs產(chǎn)量大量增加的主要因素。因此，pH為10反應(yīng)組SCFAs產(chǎn)量大量增加，可能并不是由微生物的高活性導(dǎo)致的。對于這兩種底物，pH為10反應(yīng)組SCOD含量均高于其他反應(yīng)組，與圖1中SCFAs產(chǎn)量保持一致。這表明，強(qiáng)堿性條件有利于有機(jī)質(zhì)從固相轉(zhuǎn)移到液相，可為后續(xù)發(fā)酵產(chǎn)酸細(xì)菌提供底物，從而產(chǎn)生大量SCFAs。

2.3 pH為10時混合底物中SCFAs的組成

對于混合底物，pH為10反應(yīng)組的SCFAs產(chǎn)量明顯高于其他反應(yīng)組，其中，SCFAs組分含量和所占比例隨時間的變化如圖3所示。乙酸是SCFAs最主要的成分，在總SCFAs中所占比例始終保持在50%左右。乙酸可以通過乙酰輔酶A轉(zhuǎn)化生成，也可以由其他SCFAs通過產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌的作用生成。發(fā)酵前5d，丙酸含量僅低于乙酸，且第3天達(dá)到最大值，后期不斷降低，沒有積累。這可能與實(shí)驗(yàn)采用紗布包口的錐形瓶作為反應(yīng)器有關(guān)，產(chǎn)生的H2可以逸出來，不會提高系統(tǒng)的H2分壓，這樣也就不會對丙酸代謝產(chǎn)生抑制。對于異丁酸、正丁酸、異戊酸、正戊酸這4種脂肪酸而言，無論在含量還是所占比例方面，都比較低。這可能是由于系統(tǒng)中產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌活性較高，將其代謝掉了。SCFAs的種類和含量對其后續(xù)利用至關(guān)重要，例如：將SCFAs用于補(bǔ)充反硝化脫氮過程中所需的碳源。由于利用SCFAs的優(yōu)先順序?yàn)椋阂宜?gt;丁酸>丙酸，因此，實(shí)驗(yàn)所得發(fā)酵液有利于后續(xù)應(yīng)用。

3、結(jié)論

蛋白質(zhì)類餐廚垃圾中含有豐富的、易于被利用的蛋白質(zhì)，添加到污泥中以后可以明顯提高混合底物的SCFAs產(chǎn)量。強(qiáng)堿性條件能夠保證最佳的產(chǎn)酸效果，pH為10反應(yīng)組在第3天達(dá)到最大SCFAs產(chǎn)量，為215.9mgCOD/gTS。其中，乙酸占總SCFAs的比例為49.7%，丙酸占24.1%。