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污泥厌氧发酵产酸机理及应用技术 　　随着城市的进展和人民生活水平的提高，城市污水排放量也随之增加，而且污水成分日趋复杂活性污泥因含有多种复杂的微生物体系，常被用来处理城市污水，在此过程中，经生化反应和沉降处理后会产生大量的剩余污泥，其中含有大量难以生物降解的人工合成的有机物、重金属、病原微生物，若直接将污泥填埋或焚烧，不仅是资源的极大铺张，也会对环境造成二次污染污泥富含N、P、K等元素以及有机物和热量，可以作为一种资源加以利用，以污泥减量化和资源化为目的的讨论逐步成为近年来人们关注的热点厌氧消化方法由于处理费用低、无危害，是目前应用最为广泛的污泥减量化、稳定化的处理方法，其中挥发性脂肪酸(VFAs)是污泥厌氧消化过程中产生的重要中间代谢产物，包括乙酸、丙酸、丁酸、戊酸等讨论表明，这些产物不仅可以作为碳源去除污水中的氮和磷，还可以用作底物生产甲烷和氢气等生物燃料，以及合成生物质可降解塑料聚羟基脂肪酸酯(PHAs)因此，在污泥厌氧消化过程中，将反应掌握在发酵产酸阶段是实现污泥资源开发利用的最佳途径近年来国内外学者利用废弃物，如餐厨垃圾、污水厂生产的剩余污泥和有机生活垃圾作为底物进行厌氧发酵生产VFAs，具有肯定的参考价值。

本文重点介绍了污水中污泥厌氧发酵产酸的代谢机理和微生物机理、影响因素及应用，以期为后续污泥厌氧发酵产酸获得高产量VFAs供应借鉴和参考 　　1、污泥厌氧发酵产酸机理 　　1.1 污泥厌氧发酵产酸的代谢机理 　　污泥厌氧消化是在无氧条件下，污泥中的有机物质被微生物降解转化，从而使污泥达到减量化、稳定化的处理方法，是多种微生物参加的特别复杂的代谢过程，在该过程中，有机物既作为电子受体，同时也为微生物供应电子如图1所示，污泥有机物厌氧消化过程存在3种基本理论说法，即两段论(Ⅰ)、三段论和四段论(Ⅱ)两段论包括产酸阶段和产甲烷阶段产酸阶段是污泥有机物在水解细菌作用下，被水解为小分子的氨基酸、单糖和长链脂肪酸等有机成分，随后产酸菌利用水解产物进行厌氧发酵，生成乙酸、丙酸、丁酸、戊酸等短链有机酸及醇类等由于此阶段产生大量有机酸，导致pH值降低，因此称作酸性发酵阶段产甲烷阶段是在产酸发酵后期，由于氨含量的增加，pH值会有所回升，为产甲烷菌制造了有利的生长繁殖环境(最佳pH值为7.2~7.5)，微生物将产酸阶段的产物短链有机酸和醇类进一步分解，生成CO2、CH4、NH3等由于有机酸分解，使得系统中的pH值上升，因此称之为碱性发酵阶段。

　　随着厌氧消化技术的深入讨论，讨论者认为两段论不足以说明污泥厌氧消化的复杂过程Bryant等认为两段论中的“产甲烷菌”实际是由2种细菌共同组成的，一种细菌(产氢产乙酸细菌)首先将乙醇、丙酸、丁酸、戊酸等氧化为乙酸和H2，另一种细菌(产甲烷细菌———嗜氢产甲烷细菌)则利用H2和CO2产生CH4，因而Bryant提出了三阶段理论，即水解酸化阶段、产氢产乙酸阶段和产甲烷阶段从图1可以看出，三阶段理论中增加了产氢产乙酸阶段，此阶段由发酵产酸后的产物在产氢产乙酸菌和同型产乙酸菌的作用下连续转化，生成乙酸、H2和CO2，同时同型产乙酸菌能促进乙酸形成甲烷但此阶段的反应只有在乙酸浓度和溶液中氢分压较低时才发生，转化反应见式(1)~式(4)第三阶段产甲烷菌利用乙酸脱羧分解生成甲烷或利用H2和CO2转化生成甲烷，转化反应见式(5)和式(6)厌氧消化系统中，大多数的甲烷是由乙酸分解生成的，仅有少部分是由H2和CO2转化的以上几个阶段是瞬时连续发生的，它们之间相互联系且相互影响，而且各个阶段的微生物种群由于阶段产物不同有明显的区分随后又有讨论报道将厌氧消化分为4个阶段：水解阶段、产酸阶段、产氢产乙酸阶段和产甲烷阶段。

但在实际的厌氧消化过程中，即使严格掌握工艺条件，水解和产酸阶段也无法明显区分，所以目前广泛采纳的是较为全面的三阶段理论 　　1.2 污泥发酵产酸的微生物机理 　　1.2.1 水解发酵产酸菌 　　依据污泥厌氧消化三阶段理论，参加的厌氧微生物主要有发酵产酸菌、产氢产乙酸菌及同型产乙酸菌、产甲烷菌污泥厌氧水解发酵是由多种发酵细菌协同合作完成的，最主要的两大菌属为拟杆菌属(Bacteroides)和梭状芽孢杆菌属(Clostridium)发酵产酸菌主要包括梭菌科(Clostridiaceae)、链球菌科(Streptococcaceae)、芽孢乳杆菌科(Sporolactobacillaceae)产芽孢细菌厌氧菌群的结构是由发酵底物成分打算的：以碳水化合物为底物的菌群体系以厌氧的梭状芽孢杆菌属为主以蛋白质为底物的菌群体系以梭菌属和消化链球菌属(Peptostreptococcus)为主以脂肪为底物的菌群体系以弧菌属(Vibrio)为主由于微生物菌群结构及底物成分不同，发酵产酸的最终产物组成也不同，讨论显示，发酵产酸形式主要有乙醇型发酵、丙酸型发酵和丁酸型发酵等乙醇型发酵的微生物优势菌群主要为拟杆菌属、发酵单胞菌属(Zymomonas)及梭状芽孢杆菌属等。

丙酸型发酵的微生物优势菌群主要为丙酸杆菌属(Prpooinibacteruim)丁酸型发酵体系中，丁酸梭状芽孢杆菌(Clostridiumbutyricum)为具有优势的微生物产酸菌群对于混合型发酵体系，微生物优势菌群主要为志贺氏菌属(Shigella)、埃希氏杆菌属(Escherichia)、沙门氏菌属(Salmonella)、变形杆菌属(Proteus)和假单胞菌属(Pseudomonas) 　　1.2.2 产氢产乙酸菌 　　不同于水解发酵产酸菌，产氢产乙酸菌只能利用挥发性脂肪酸(丙酸、丁酸、戊酸、乳酸)和醇类等作为碳源，将其氧化分解为乙酸、H2和CO2此阶段只能在氢分压特别低的条件下才能正常进行，否则会对产氢产乙酸的代谢活动产生抑制因而产氢产乙酸菌也被称为互营产乙酸细菌，产生的氢只有经耗氢产甲烷菌等细菌消耗后，才能促进反应顺当进行目前主要的产氢产乙酸细菌多为互营单胞菌属(Syntrophomonas)、互营杆菌属(Syntrophobacter)、互营肉毒梭菌属(Syntrophobotulus)、暗生孢菌属(Pelospora)等，主要是兼性或肯定厌氧菌同型产乙酸菌合成乙酸时利用的底物为CO2和H2，合成乙酸得率较低，仅为4%左右。

同型产乙酸菌可分为以伍氏醋酸杆菌(Acetobacteriumwoodii)为代表的Na+依靠性同型产乙酸菌和以热醋穆尔氏菌(Moorellathermoacetica)为代表的H+依靠性同型产乙酸菌两类 　　1.2.3产甲烷菌 　　产甲烷菌主要利用产氢产乙酸菌的产物(乙酸和H2/CO2)转化生成CH4，使反应连续进行参加的微生物主要为乙酸养分型和H2养分型产甲烷菌厌氧消化反应中，中间产物乙酸是生成CH4的最主要基质，详细的生成反应见反应式(5)，此阶段的微生物是肯定厌氧菌讨论表明，约70%的CH4是乙酸的氧化脱羧分解得到的 　　2、污泥厌氧发酵产酸的影响因素 　　2.1 预处理技术 　　近年来，为了提高VFAs产量，国内外学者对污泥预处理工艺进行了大量讨论张闻多等讨论了3种碱对剩余污泥热碱预处理效果以及厌氧发酵产酸的影响，结果显示：氢氧化钠的预处理效果优于混碱和过氧化钙，处理后污泥中溶解性化学需氧量(SCOD)是预处理前的8.45倍，水解率达到64.26%但使用过氧化钙进行预处理获得的总挥发性脂肪酸(TVFAs)的平均质量浓度最高，为7.93g/L，产酸率(以COD计)为273.93mg/g，且总酸中乙酸的量达到60.35%。

Duan等对比了氢氧化铵(AH)、硫酸(SA)和热帮助碱(TA)3种典型的预处理方法对以酱油渣(SSR)为碳源的废活性污泥生产VFAs的影响，结果表明：AH预处理后污泥水解率(以COD计)高达4449mg/d，比TA和SA预处理高出1.12~1.23倍，比未经预处理的污泥水解率高7.8倍，同时，VFAs的产量为401.2mg/gLuo等采纳铁活化过硫酸盐(PS/Fe)处理活性污泥进行厌氧发酵产酸，在较短的发酵时间内，乙酸的产量显著增加，表明PS/Fe可以加速水解产酸过程，并抑制了甲烷的产生 　　Hallaji等就游离亚硝酸(FNA)和Fenton两种预处理方法相结合与单种方法对混合污泥厌氧消化的效果作了比较讨论，结果显示：与单用FNA和Fenton预处理(产甲烷率分别为25%和27%)相比，联合预处理(产甲烷率达72%)可显著提高甲烷产量，同时联合预处理对COD的去除率达59%Park等对纸浆厂的废活性污泥离心浓缩后，进行了碱性和超声波联合预处理，经预处理后，挥发性固体(VS)和COD比未处理的污泥增加3~14倍Hassan等采纳热化学预处理方法，将玉米秸秆与污泥共同厌氧消化处理，使得木质纤维原料降解率高达45%，COD去除率为67.74%。

Ruffino等对碱和混合热碱(NaOH和Ca(OH)2)预处理改善厌氧消化的效果进行了初步讨论，结果表明：NaOH在污泥崩解和COD释放中的表现优于Ca(OH)2近几年来进展起来的湿法氧化预处理工艺被认为是处理有机物浓度高的废液、泥浆和污泥的抱负方法，而且不会产生N2O、SO2、盐酸、二噁英等有害物质，其中复杂的有机物部分溶解，从而产生可生物降解的COD 　　很多学者还讨论了在湿法氧化过程中使用催化剂来提高增溶效率Urrea等讨论发觉使用催化剂可促使污泥中的难溶化合物更易溶解，并可确保温柔的操作条件其他预处理方法还有热、超声波、微波及多种方法结合使用等一些有关污泥预处理的讨论概况如表1所示 　　结合表1，从以上讨论看，目前对污泥的预处理技术大多倾向于提高污泥中有机质的增溶效率或提高甲烷产量，也有讨论是为了提高污泥厌氧发酵时的水解速率，从而促进发酵产酸顺当进行 　　2.2 底物种类 　　底物种类对污泥厌氧发酵产酸也有重要影响国内外讨论较多的底物主要包括有机废水、污泥和餐厨垃圾等Wang等分别以好氧活性污泥和厌氧活性污泥为接种物，对餐厨垃圾进行厌氧发酵产酸讨论结果表明：厌氧活性污泥对水解有明显的促进作用，pH值为6、发酵4d和20d后，挥发性脂肪酸(VFAs)产量(以挥发性悬浮物质量计)分别为0.482和0.918g/g，其中以丁酸为主。

Wainaina等使用一种新型厌氧浸没式膜生物反应器，对餐厨垃圾进行厌氧发酵，在未掌握pH值的条件下，获得了0.54g/g的高产量VFAsLee等等利用棕榈油磨坊污水(POME)在中温(30和40℃)和高温(55℃)下进行产酸发酵生产VFAs，中温条件下的VFAs生成量明显优于高温条件下的VFAs生成量，30和40℃下的VFAs生成量均为48%，55℃下的VFAs生成量仅为7%Janke等将酿酒厂产生的废弃甘蔗渣制成滤饼作为底物，讨论NaOH预处理量对其厌氧发酵产酸过程的影响，发觉当NaOH预处理量(以底物质量计)为0.06g/g时可大大提高水解效率，同时VFAs产量增加了37%，其中主要成分为正丁酸和乙酸 　　杨瑾等还探究了餐厨垃圾中葡萄糖和甘油的发酵产酸方式，结果显示：葡萄糖更易被分解，且产酸量为6.2g/L，高于甘油的4.5g/L，主要以丁酸为主赵宋敏等则发觉餐厨垃圾与活化后活性污泥接种体积比4∶1时，厌氧发酵产生VFAs的产量最大，为15.13g/L总的来说，不同的底物对水解酸化速率有很大影响，从而影响产物VFAs的含量及酸种类分布 　　2.3 pH值 　　2.3.1 酸性发酵 　　讨论发觉，pH值是污泥厌氧发酵产酸过程中最重要的影响因素之一。

产酸发酵细菌对pH值的适应性较广泛，即使在酸性条件下，仍旧能够发酵产酸，生成VFAs此外，同一产酸发酵细菌由于环境pH值不同，生长繁殖的速率和代谢途径均可发生转变，进而累积不同种类的代。