城市污泥厌氧发酵产酸技术的发展

2021年2月10日发(作者：工业区英文)

城市污泥厌氧发酵产酸技术发展

摘要

：

城市污泥厌氧发酵过程中，控制反应过程可得挥发性脂肪酸（

VFAs

），因

VFAs

在工业中有较重要的应用，近年来成为研究热点。针对污泥发酵产酸过程

中，产物不稳 定、发酵过程复杂、产物反馈抑制等问题，对污泥发酵产酸过程中

污泥的性质、

影响因素控制及机理进行总结，

并结合当前的应用实例，

对污泥厌

氧发酵产酸的发展前景进行展望。

关键词

：

污泥；厌氧发酵；产酸；

VFAs

厌氧发酵过程 ，即在厌氧条件下，某些厌氧或兼性厌氧微生物将有机物最终分解为

CH4

、

CO2

和

H2O

，

并利用能量供自身生长繁殖的过程。

有机物的 生物厌氧发酵过程可

以分为三个阶段：水解阶段、产酸阶段、产甲烷阶段

[1]

。现阶段研究中，研究者们多数

集中在如何提高 最终产物甲烷的产率，

而忽略了对中间产物的利用和研究，

如挥 发性脂

肪酸（

VFAs

）。

< p>

近年来，厌氧发酵过程中的中间产物

VFAs< /p>

因其有很高的利用价值，越来越受到人

们的关注。我国城市污水厂 中多数采用活性污泥法进行脱氮除磷，一方面，大量剩余污

泥无处堆放，导致污泥处理成 为污水厂发展的一大难题；另一方面，污泥发酵的产物酸

可以作为污水脱氮除磷的外加碳 源

[2]

，极大的节约了污水厂的碳源紧缺。并且，将剩余

污泥中的有机物转变成中间产物

[3,4]

，而不是

CO2

和甲烷等温室气体，有利于减少碳排

< p>
放，更为城市污泥稳定化和资源化提供了一条全新的思路。

然而，

污泥发酵产酸过程中，

首先，

中间产物的形成较难控制，

因此产量不稳定

[5]

；

其次，

污泥在产酸过程中控制条件较为严 格，

难以大规模投产；

最后，

污泥产酸 过程中，

当产物酸浓度过高，会导致反馈抑制

[6,7]

，从而影响

VFAs

的产量。针对上述问题， 重点

介绍城市污泥厌氧产酸过程中控制因素的影响、技术的发展状况和应用情况，为污泥 发

酵产酸提供相关依据。

1

产酸发酵简介

1.1

产酸发酵的类型

依据酸性末端产物中挥发性脂肪酸

( VFAs)

< p>
的分布判断微生物的生理代谢途径。酸

性末端产物中始终占据主导地位的物 质定义为相应的代谢类型。

1.1.1

乙醇型发酵

经典的乙醇发酵是酵母菌 进行的发酵类型，发酵产物只有乙醇和

CO

2

< br>，不产生

H

2

。

任南琪等在产酸发酵反应器形成稳定的乙醇型发酵类型时的顶级群落中，

没有发 现大量

酵母菌的存在，而主要有发酵单胞属、拟杆菌属和梭杆菌属的细菌。同时发现发酵 液相

产物主要以乙醇和乙酸为主，气相中存在大量

< p>
H

2

。因而这一发酵类型并非经典的乙醇

发酵，

而是丙酮酸走乙酰辅酶

A

旁路

[8]

。

之后，

乙酰辅酶

A

经乙醛脱氢酶作用转变为乙

醛，再被乙醇脱氢酶催化生成乙醇，同时伴有乙酸的生成，故称乙醇型发酵。

1.1.2

丁酸型发酵

不少研究结果表明，

可溶性碳水化合物的厌氧发酵呈丁酸型发酵，主 要末端产物为

丁酸、乙酸、

H

2

、

CO

2

和少量的丙 酸。丁酸型发酵系统中的优势菌群以梭状芽孢杆菌属

( C. butyricum)

为主。在两相厌氧处理工艺的产酸相反应器中，丁酸型发酵较常见。研

< br>究结果表明，在

pH

＜

5.5

或

pH

＞

6

时，发酵产物主要为丁酸和乙酸，而

pH

介于

5.5-6.0

时，

末端产物中丙酸 的含量显著提高

[9]

。

由于丁酸发酵 的主要末端产物为丁酸和

乙酸，在一定条件下，会引起氧化还原过程中的中间代谢产物< /p>

NADH

+

、

H

+

与

NAD

+

的

平衡产生偏差，

< br>因而发酵过程常偏离平衡状态。微生物通过提高丙酸的转化率使代谢达

或接近平衡 状态。

1.1.3

丙酸型发酵

丙酸的产生和积累对厌氧 生物处理系统有重要的影响，易导致系统的

pH

降低而发

生“酸化”。通常来讲，在含有较多脂类和蛋白质的系统中，较易发生丙酸型发酵。由

于丙酸型发酵的典型菌群丙酸杆菌属没有氢化酶，

因而该类型不产生氢气 。

丙酸型发酵

的顶级群落中优势种群主要是丙酸杆菌属（

Propionibacterium

）

[1 0]

和韦荣氏球菌属

( Veillonella)

。

2

产酸发酵的影响因素

2.1

污泥预处理

活性污泥中的有机颗粒水 解

[11]

为溶解性物质是厌氧消化的限速步骤。

由于污泥的溶

解性较差，

因此需要通过预处理使微生 物细胞内含有的大量溶解性有机质释放出来，提

高污泥的水解速率，

进而提高厌氧消化速率。

目前研究与应用较多的预处理方法主要有

< br>机械法、加热法、超声波法、化学法与生物法

[12-14]

等。

其中热处理法

[15]

不仅可以使得污泥中的部分细胞体受热膨胀发生破裂，

释放出蛋白< /p>

质、矿物质以及细胞膜碎片，进而在高温下受热水解、溶化，形成可溶性的小分子有机

物，在很大程度上促进污泥厌氧消化；对于产酸发酵来说，热处理还能去除不产芽孢的

产甲烷菌群，

由于去除了以产酸发酵产物为底物的产甲烷菌，酸性末端 产物的产率得以

提高。因而成为众多学者研究的热点。

2.2

温度

温度是影响微生物生长繁殖与代谢活动的重要因素之一。

温度对产酸发酵细菌的生

理代谢影响比较显著，

尤其是频繁的温度变化对微生物有较大的影响 。

厌氧消化的温度

可分为低温

( 0-20

℃

)

、中温

( 20-42

℃

)

和高温

( 42-75

℃

)

。在中温范围，

35

℃以下每降

低

10

℃，

细菌的活性和生长率就减少一 半

[16]

。

因此，

< br>对于预定的消化程度，

温度越低，

消化时间越长。

2.3

pH

和氧化还原电位

2.3.1

pH

对产酸的影响

pH

对产酸发酵细菌的发酵末端产物组成影响很大

< p>
[17]

，是发酵过程中最重要的生态

因子之一。

pH

值的高低不但直接影响产酸发酵细菌的生理活性，更会影 响到产酸发酵

类型。

pH

对微生物生 理活性的影响主要表现在：引起细胞膜电荷的变化，从而影响细

菌对营养物质的吸收

;

影响参与代谢过程中酶的活性，从而影响代谢活动的正常进行。

每种产酸发酵细菌都存在自身最适的

pH

范围，

超出该范围往往会导致生理活性的丧失

;

< p>
此外，同一产酸菌在不同的

pH

下生长繁殖速率及 代谢途径都有可能发生改变，进而产

生不同的发酵类型。吴振兴等采用锥形瓶反应器及室 内培养方法，研究

pH

对水稻秸杆

厌氧 产酸的影响。结果表明，酸化产物的组成与

pH

有关，乙酸和丁 酸在不同的

pH

值

下总为主要产物；< /p>

pH

＞

7

时，明 显有丙酸生成；酸化的最佳

pH

值为

7

，此条件下挥发

性脂肪酸

( VFAs)

的产量最高可达

11.634g/L

，总固体

( TS)

的去除率可达

51%

[18]

。

2.3.2

ORP

对产酸的影响

ORP(

氧化还原电位

)

也是一个非常重要的生态因子，它对发酵细菌的代谢活性与

发酵类型均有 很大的影响。

对于产酸发酵过程来说，较低的氧化还原电位是产酸发酵菌

群生长繁殖的必要条件，

一般在

-300mv - -200mv

范围左右。

此外，

不同 的

pH

与

ORP

组

合往往可决定不同的发酵类型。

赵丹

[19]

等采用连续流搅拌槽式厌氧反应器

( CSTR)

考察

了特定

pH

、

ORP

组成对产酸相发酵类型决定情况，同时以种群生态学理论为基础，确