陈银广教授团队：低碳背景下剩余污泥厌氧共发酵产酸研究进展
研究背景
随着城镇化和工业化进程的不断推进，截至2019年底，我国剩余污泥产量已经接近6000万t（含水率80%），预计2025年将会超过9000万t。污泥中含有大量的有机物、重金属、病原菌等，成分复杂、含水率高、容易腐败。2022年，国家发展和改革委员会在《污泥无害化处理与资源化利用实施方案》中提出，2025年实现城市污泥无害化处置率达到90%以上，大力推进污泥能源资源回收利用。传统的生物处理技术虽然能够实现剩余污泥的无害化和稳定化，但是随着“双碳”目标的提出，其已经无法满足我国低碳经济发展的需求。
在当前低碳背景下，厌氧发酵被认为是实现剩余污泥资源化利用的重要手段，它通过将厌氧消化控制在酸化阶段，从而将有机废物转化为高值产物，如挥发性脂肪酸（VFAs）、乳酸、乙醇等，具有广泛的应用前景，如生物脱氮除磷、生物能源。其中，VFAs作为发酵过程中的重要产物之一，是化学产品合成的重要前体物质，包括聚羟基烷酸酯（PHAs）、生物燃料等。近年来其也被用于单细胞蛋白生产、香料合成等领域。同时，有研究表明剩余污泥厌氧发酵的碳回收率可达21.2%，对实现“双碳”目标具有重要意义。然而，由于剩余污泥生物降解性较差、水解效率较低，严重抑制了其单独厌氧发酵产酸效能。厌氧共发酵是一种新兴的发酵策略，通过将2种或2种以上的有机废物同时发酵以提高产酸量。厌氧共发酵克服了剩余污泥单独发酵的缺陷，可以有效提升生物降解性和水解效率，同时还具有稀释潜在有毒有害物质，改变有机组成等优点。
目前在剩余污泥厌氧共发酵研究中，主要通过加入餐厨垃圾、农业废弃物等有机固废促进共发酵产酸效能。然而，现有研究对剩余污泥厌氧共发酵产酸的机理以及优化调控手段等缺乏系统性梳理和探讨。因此，本文将综合分析剩余污泥与其他有机固废厌氧共发酵产酸效能，讨论工艺参数对厌氧共发酵过程的影响，提出剩余污泥厌氧共发酵产酸的下游应用（详见图1），并从能源与经济的角度对剩余污泥厌氧共发酵技术进行展望，以期为剩余污泥厌氧共发酵技术的低碳化应用提供参考。
图1 剩余污泥厌氧共发酵产酸研究进展总览
摘要
低碳背景下，剩余污泥的资源化利用是实现污水处理厂有机固废减污降碳协同增效的重要举措。厌氧共发酵技术则是实现污泥资源化利用的最有效手段之一。通过剩余污泥与其他有机固废厌氧共发酵产生的高值产物（如挥发性脂肪酸等）可广泛应用于工业产品生产中，在实现污泥资源化利用的同时，降低了碳排放。然而，现有研究主要聚焦在剩余污泥厌氧共发酵产酸效能的探讨，在共发酵产酸的机理及优化调控手段等方面缺乏系统性的总结与分析。因此，基于以往研究，系统分析了剩余污泥与餐厨垃圾、农业废弃物等共发酵产酸效能，讨论了C/N值、pH值、温度以及污泥停留时间等工艺参数对剩余污泥厌氧共发酵过程的影响，提出了剩余污泥厌氧共发酵产酸的下游应用，并从能源与经济角度对剩余污泥厌氧共发酵技术进行了展望，以期为剩余污泥厌氧共发酵技术的低碳化应用提供参考。
01 剩余污泥厌氧共发酵产酸效能研究现状
1. 剩余污泥与餐厨垃圾厌氧共发酵产酸
目前，国内外研究主要聚焦剩余污泥和餐厨垃圾厌氧共发酵产酸过程。餐厨垃圾作为一种高生物降解性、非均质、低碱度的有机固体废弃物，其在厌氧共发酵过程中能够提升底物的C/N值，促进发酵产酸过程。同时，污泥的高缓冲能力能够维持适宜pH值，防止产酸过程中pH值过低导致功能细菌代谢活性受到抑制。表1总结了剩余污泥与常见的餐厨垃圾厌氧共发酵产酸效能。与剩余污泥单独发酵相比，剩余污泥和餐厨垃圾共同发酵的产酸量更高，且其产酸量与餐厨垃圾占比呈正相关。例如，Vidal-Antich等研究发现，当餐厨垃圾的占比从0%提高到50%时，总酸产量由95mg COD/gVS提高至489mg COD/gVS，该结果与Ma等的研究相近，均发现VFAs的产率随着餐厨垃圾占比的提升而增加。该研究还发现，随着餐厨垃圾的引入，产酸菌的丰度迅速增加，表明有机质的引入为微生物提供了富足的营养条件，从而提升了功能微生物的丰度，最终促进了底物发酵产酸过程。同时餐厨垃圾中的易生物降解底物可能是共发酵产酸量的主要贡献者。
表1 剩余污泥与餐厨垃圾厌氧共发酵的产酸效能
餐厨垃圾的引入除了显著提升共发酵体系的产酸量外，还会影响VFAs的组成。Vidal-Antich等的研究表明，剩余污泥与鱼肉等富含蛋白质的餐厨垃圾厌氧共发酵产物以乙酸、丁酸为主，而与大米等富含碳水化合物的餐厨垃圾共发酵主要生成乙酸、丙酸、正丁酸。而Ma等的报道则和上述研究结果有很大不同，他们发现淀粉类物质会促进丁酸和乙醇的生成，脂类和蛋白质则有利于丙酸和戊酸的合成，该结果由底物特性差异导致功能微生物分布差异所致。其中，淀粉含量高的原料会使得厌氧杆菌（Anaerobacillus）、梭菌（Clostridium）、双芽孢杆菌（Amphibacillus）等微生物富集；而随着原料中脂质含量的增加，哈夫尼亚属（Hafnia）、布罗丝菌属（Brochothrix）和明串珠菌属（Leuconostoc）丰度显著提升。Bevilacqua等和Peces等的研究也得到了类似结论，这也说明了实际发酵产物预测的复杂性。此外，有研究进一步发现，富含碳水化合物的食物垃圾作为共发酵底物时产生的VFAs量最高（顺序为小麦>玉米>大米>豆类>肉类），该结果可能是由于肉类和豆类相较于碳水化合物更难降解所致。因此，未来需要进一步探究餐厨垃圾组分对剩余污泥厌氧共发酵的影响及作用机制。
2. 剩余污泥与农业废弃物厌氧共发酵产酸
随着社会对于农产品需求的不断增加，大量农业废弃物也随之产生。与餐厨垃圾相比，农业废弃物中含有大量难生物降解物质（如纤维素、半纤维素、木质素等），水解速率较慢，单独发酵效率低下。而剩余污泥中丰富的功能微生物将有助于提升农业废弃物的水解速率，从而促进发酵产酸效能。已有文献报道了水稻、玉米秸秆、指甲花植物以及黑麦草等多种农业废弃物与剩余污泥厌氧共发酵产酸的效能（表2）。例如，Yin等利用剩余污泥与富含木质纤维素的生物质（银杏叶、草）共发酵评估中链脂肪酸的生产效能，发现己酸的产量显著提升。其中，污泥与草共发酵时己酸产量最高（89.5mmol C/L），比各自单独发酵分别提高了18.0%和41.7%；而污泥与银杏叶共发酵时可产生63.8mmol C/L己酸，比单独发酵分别提高了11.1%和1.03%。产酸效能提升不显著原因可能是木质纤维素生物质的复杂结构可以抵抗发酵过程中的酶促攻击，从而降低自身水解以及生物降解速率。因此，农业废弃物在厌氧共发酵前通常需要经过热、碱、机械等预处理，其环境经济效益还需进一步评估。
表2 剩余污泥与农业废弃物厌氧共发酵产酸效能
为了解决上述问题，细胞外氧化还原介质（一种次生代谢物）被报道可以作为电子穿梭系统来改善功能酶的活性，从而提升木质纤维素生物质的水解速率。指甲花作为一种富含碳水化合物的植物生物质，其体内含有丰富的基于醌基团的细胞外氧化还原介质，因此可以对剩余污泥共发酵产酸产生积极影响。Huang等研究发现，将剩余污泥与指甲花进行共发酵处理时，VFAs产量约为剩余污泥单独发酵的2.6倍。同时，当指甲花的占比从25%增加到75%时，VFAs产量提升了1倍，进一步探究发现，指甲花酮（指甲花的次生代谢物）在发酵过程中能够快速释放到液相中并被有机质吸附，随后通过自身电子穿梭系统强化表面生物质的水解和氧化，以此促进发酵进程。此外，指甲花酮甚至还能抑制发酵系统中产甲烷菌活性，从而减少发酵过程中VFAs的消耗。该结果也说明了农作物和一些植物的次生代谢物如酚、生物碱、萜烯、类固醇等可能在促进剩余污泥共发酵产酸方面具有一定潜力。
02 剩余污泥厌氧共发酵产酸的影响因素
1. C/N值
剩余污泥是一种含氮量高、生物降解性低的基质，其C/N值通常为6~9。有研究表明将C/N值调节至20/1~30/1能够提升厌氧发酵细菌的代谢能力。通过引入其他有机固废有助于提升C/N值，从而促进厌氧发酵产酸。例如，Jia等研究剩余污泥与农业废弃物厌氧共发酵时发现，当C/N值为18/1、20/1、22/1时VFAs产量较高，与Rughoonundun等以及Xia等报道的最佳C/N值范围一致。同时，在最佳C/N值条件下，蛋白质和难降解碳水化合物（纤维素、木质素）的降解程度更高，这可能是由于产酸功能酶在最佳C/N值下的活性更高所致。Chen等在利用餐厨垃圾作为厌氧共发酵底物时也发现，当发酵系统的C/N值为22时，微生物和功能酶的代谢活性相对较高。此外，C/N值还会影响VFAs的组分分布。有研究发现，随着C/N值的升高，发酵产物中丁酸比例显著上升，而丙酸积累明显下降。因此，C/N值是影响剩余污泥厌氧共发酵的关键参数，未来还应进一步探讨C/N值对剩余污泥厌氧共发酵产酸的作用机制，从而有效调控产酸量和产物分布。
2. pH值
pH值是影响剩余污泥厌氧共发酵产酸量和产物组成的重要因素之一。Feng等探究了pH值对剩余污泥与餐厨垃圾共发酵产酸的影响，发现当pH值为8和9时VFAs产量最高，该结果可能与功能菌在该pH范围内代谢活性较高有关。Xin等则发现在氧化还原电位的作用下，pH值为6.5~7.5是剩余污泥厌氧共发酵的最佳产酸范围。进一步研究发现，当发酵pH值控制在6~9时，发酵产物以丙酸、乙酸和正丁酸为主；而当pH值控制在10~11时，乙酸占比最高，该结果与Moretto等的研究一致，主要原因是pH会显著影响发酵过程中微生物的活性及群落结构。当pH过低时，水解和酸化细菌的活性会受到强烈抑制，从而降低了VFAs生物合成效能。同时，上述研究也发现在pH6~8内，剩余污泥与碳水化合物共发酵系统中，具有产乙酸和丙酸能力的微生物（梭状芽胞杆菌（Clostridia）、β-变形杆菌（β-Proteobacteria）、拟杆菌（Bacteroidetes）等）显著富集，而这些优势菌属的形成将大大促进发酵产酸过程。总之，中性和偏碱性pH值有利于剩余污泥共发酵产酸，然而由于发酵产物的酸性特质，随着发酵的进行pH值会逐渐降低，因此需要大量化学物质来维持中性或偏碱性条件。这不仅会提升操作成本和工艺复杂性，同时碱性化学物质因其盐度含量较高还可能限制发酵残渣作为肥料使用。因此，未来还需要进一步探究更多的pH调控方式。
3. 温度
温度可通过影响生化反应（如酶活性、微生物生长、代谢速率等）以及物理化学过程（如传质、化学平衡、气体溶解度等）等，从而影响共发酵产酸效能。Chen等结合模型分析探究了温度对于剩余污泥与餐厨垃圾共发酵产酸的影响，实验结果和预测结果均证实当温度为37℃时，系统可达最大VFAs产量692.40mg COD/g VS。Moretto等也发现，以餐厨垃圾作为共发酵底物时，中温条件（35℃）下共发酵产酸量最高。进一步研究发现，温度在20℃与35℃时主要产物为乙酸和丙酸，而当温度提升至50℃和60℃时，产物中乳酸占比相对较高。因此，通过控制剩余污泥共发酵过程中的温度条件，可以有效调节产酸量和产物分布。尽管高温条件有助于提升有机质的增溶效率，但也会抑制部分种类功能细菌的活性，从而影响共发酵产酸效能。因此，未来可进一步探讨中温及低温条件对于剩余污泥厌氧共发酵产酸的作用机制。
4. 污泥停留时间
污泥停留时间（SRT），也称污泥龄，是指污泥从进入反应器到完全排出所需的时间，其影响着功能微生物群落平衡。Chen等发现在SRT为6d 时，剩余污泥和餐厨垃圾厌氧共发酵可达最大的VFAs产量。Wu等的研究证实了相同的结论，并且发现SRT过长会导致VFAs发生进一步转化，而SRT过短，则会导致有机物未被转化成VFAs就已经被排出。此外，在剩余污泥与农业废弃物共发酵体系中，Guo等发现在SRT为8d时，厌氧共发酵的VFAs产量达到最大值；同时系统中有机负荷随着SRT的降低而增加，而发酵液中可溶性碳水化合物的浓度随着SRT的降低而降低。因此，在剩余污泥厌氧共发酵过程中，通过优化SRT可以有效提升VFAs产量。实际运用中剩余污泥厌氧共发酵过程可能受到多种因素协同作用，未来仍需探究多种因素之间相互作用机制，从而更好地优化调控工艺参数。
03 剩余污泥厌氧共发酵产酸的下游应用
1. 作为碳源强化污水厂污染物生物处理
针对我国城镇污水氮磷污染去除问题，传统污水生物处理工艺通常需要额外投加碳源以强化生物脱氮除磷效能。然而，常规投加的碳源（如葡萄糖）成本高昂，而厌氧发酵产生的VFAs被认为是污水生物处理的可替代碳源。图2a为剩余污泥厌氧共发酵产酸强化污水厂生物脱氮除磷的路线。Pang等发现，剩余污泥厌氧共发酵系统的碳源释放量可达1785.7mg/L，其中总可溶性碳源以乙酸为主（44.4%~83.9%），生物可利用碳的回收率可达38.0%，该结果充分体现共发酵液的生物可利用性。同时有研究表明，VFAs含量的升高可促进微生物反硝化脱氮能力。而对于除磷工艺而言，以VFAs为碳源的生物除磷工艺比化学除磷工艺更具成本优势。相比于剩余污泥单独发酵，共发酵显著提升了VFAs产量，有助于进一步推动以VFAs作为碳源提升生物脱氮除磷效能，从而强化其在污水生物处理中的应用前景。
图2 剩余污泥厌氧共发酵产酸下游应用
2. 作为原料进行聚羟基烷酸酯生物合成
近年来，聚羟基烷酸酯（PHAs）作为一种新型环保材料备受瞩目。由于其与传统的衍生塑料在结晶度、抗张强度、熔点等方面的相似特性，以及本身具有的良好光学活性、压电性及生物可降解性等，因而被认为是传统塑料的优良替代品，然而高昂的生产成本限制了其推广应用。传统的PHAs生产工艺通常采用纯菌培养，该工艺对于灭菌要求高，后续加工处理还会进一步提升生产成本。由于PHAs生产中约50%的成本来源于底物，因此利用VFAs作为PHAs合成的前体物质成为经济性生产的可行选择（图2b）。例如，Moretto等利用剩余污泥与餐厨垃圾厌氧共发酵产生的VFAs制备PHAs，结果表明与单独发酵的上清液相比，共发酵的上清液有助于提升PHAs合成系统的碳负荷，从而提升了PHAs的积累量。Lanfranchi等通过将剩余污泥与蔬菜进行共发酵，也发现共发酵液实现了高效的PHAs生产（0.37g/g）。因此，剩余污泥厌氧共发酵生成的VFAs可有效提升PHAs产量并降低合成成本，但其所带来的环境影响仍需进一步评估。
3. 作为底物促进微生物燃料电池能源回收
微生物燃料电池（MFC）是一种利用电活性微生物氧化有机物，将化学能转化为电能的新型低碳技术。在MFC中，微生物通过氧化有机物产生电子，电子通过外电路传递从而产生电能，同步实现了污染物降解和产能需求。有研究表明，将剩余污泥厌氧共发酵产生的VFAs用作MFC系统中的有机底物，是经济有效的选择（图2c）。例如，Chen等将剩余污泥与餐厨垃圾共发酵产生的发酵液用于MFC中，发现相比使用剩余污泥单独发酵上清液，共发酵上清液作为底物时产电能力显著提升，可能是由于共发酵上清液中乙酸含量较高，其被报道是MFC中电活性微生物的首选底物。Du等也发现当剩余污泥和餐厨垃圾以1∶4（质量比）的比例混合时，利用共发酵液的MFC系统的库伦效率从6.1%提升到了31.3%。尽管将共发酵产生的VFAs用作MFC系统底物可以有效降低运行成本，但是较低的产电效率限制了其进一步推广和发展，未来仍需进一步优化剩余污泥厌氧共发酵产酸效能以及MFC装置结构。
04 总结与展望
共发酵技术是提升剩余污泥厌氧发酵产酸效能的重要途径。目前已开展了剩余污泥和多种有机固废厌氧共发酵产酸研究，包括餐厨垃圾、农业废弃物等。综合分析已有研究结果，剩余污泥厌氧共发酵一般在中性pH值附近，SRT6~8d以及中温条件下达到最大VFAs产量。然而由于不同底物性质及实验条件的差异，最佳发酵条件还需要通过进一步确定。未来可以从以下方面进行深入探究：
1）不同底物对剩余污泥厌氧共发酵产酸的影响机制。共发酵技术的目的是为了提升系统的可生物降解性从而促进发酵产酸过程，然而不同共发酵底物的组成成分、原生微生物群落等均不相同，因此需要深入探究不同底物对于污泥共发酵过程的影响机制，从而优化调控污泥厌氧共发酵产酸效能。
2）全面解析剩余污泥厌氧共发酵各影响因素之间的相互作用关系。污泥厌氧共发酵过程受到多种因素的共同影响，目前大多数研究仍停留在单因素分析，各影响条件之间的相互作用关系尚不明晰。
3）综合评估厌氧共发酵工艺与下游应用相耦合的经济性和可行性。尽管目前针对共发酵产物应用于生物技术和产品生产已开展了相关研究，但是对于耦合工艺的环境经济效益仍缺乏全面系统评估。
陈银广，同济大学环境学院教授，主要从事污染控制与资源化的研究。以第一或通讯作者在国内外学术期刊发表论文100余篇；主持了国家重大专项、国家杰出青年基金、国家863等国家级项目；2014年以来一直入选中国高被引学者榜单(环境类)；担任《环境工程》编委、Water Research期刊Associate editor。
