陸已暢　程家齊　王重陽(yáng)

摘 要：隨著“限塑令”政策的升級(jí)，生物可降解塑料的研發(fā)和推廣成為當(dāng)下熱點(diǎn)。聚羥基脂肪酸酯（PHA）作為一種新興的生物可降解塑料，有著無(wú)限的潛力。利用剩余污泥來(lái)生產(chǎn)PHA，不僅節(jié)約成本，還有很好的環(huán)境效益，實(shí)現(xiàn)了廢棄資源的再利用。本文主要針對(duì)污泥厭氧發(fā)酵以及菌種合成PHA的影響因素進(jìn)行分析，闡述當(dāng)前剩余污泥發(fā)酵液產(chǎn)PHA的研究進(jìn)展，并對(duì)污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)PHA的發(fā)展前景進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：聚羥基脂肪酸酯;厭氧消化;揮發(fā)性脂肪酸;剩余污泥

中圖分類(lèi)號(hào)：X703 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-5168（2022）3-0116-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.03.027

Review on Anaerobic Fermentation of Sludge and PHA Production from Sludge Fermentation Liquid

LU Yichang? ? CHENG Jiaqi? ? WANG Chongyang

（Miami College， Henan University， Kaifeng 475000，China）

Abstract： With the upgrade of the policy of "limit plastic"， the research and promotion of biodegradable plastics has become a hot topic. Polyhydroxyalkanoates （PHA）， as a new biodegradable plastic， has infinite potential. Using surplus sludge to produce PHA not only saves cost， but also has good environmental benefits， realizing the reuse of waste resources. In this paper， the influence factors of sludge anaerobic fermentation and PHA synthesis of bacteria were analyzed， the research progress of PHA production from surplus sludge fermentation liquid was described， and the development prospect of sludge anaerobic fermentation PHA production was prospected.

Keywords： PHA; anaerobic digestion; volatile fatty acids; activated sludge

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)城市污水處理廠達(dá)到4 140座，截至2020年底，我國(guó)城市污水處理廠日處理能力為1.90億m，污水處理總量為559.2億m[1]。城市污水的處理主要是利用生物處理法，剩余污泥是該過(guò)程中常見(jiàn)的有機(jī)廢棄物，其成分十分復(fù)雜，每年產(chǎn)生量大，處理成本高，易導(dǎo)致二次污染。常見(jiàn)的處理手段有土地利用、衛(wèi)生填埋和焚燒等。而對(duì)剩余污泥進(jìn)行厭氧消化處理（Anaerobic Digestion）是處置污泥減量化、穩(wěn)定化的常用手段之一，也是大型污水廠最經(jīng)濟(jì)的污泥處理方法[2]。其中，揮發(fā)性脂肪酸（Volatile Fatty Acid， VFA）是厭氧消化過(guò)程中產(chǎn)生的重要的中間代謝產(chǎn)物，也是生產(chǎn)生物塑料聚羥基脂肪酸酯（PHA）的良好底物。

聚羥基脂肪酸酯（Polyhydroxyalkanoates， PHA）在生物體內(nèi)主要的功能是貯藏碳源和能源物質(zhì)。由于PHA具有可生物降解性及可塑料熱加工性，近幾年成為塑料新材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，是最有市場(chǎng)前景的生物可降解塑料之一，在未來(lái)有望解決當(dāng)前面臨的白色污染以及微塑料污染等環(huán)境問(wèn)題[3]。剩余污泥合成法作為合成PHA的主要途徑之一，在許多方面表現(xiàn)優(yōu)異。生產(chǎn)方面，不僅降低了無(wú)菌操作的苛刻條件，而且增加了碳源的多樣性，在節(jié)約成本的同時(shí)推進(jìn)方法的普適性。在環(huán)境方面，不僅將剩余污泥廢物再利用，促進(jìn)生物法處理污水在各地區(qū)的推廣，綜合治理了環(huán)境問(wèn)題，而且獲得了生物可降解塑料PHA，具有良好的環(huán)境效益。利用污泥發(fā)酵液來(lái)合成PHA是目前環(huán)境生物技術(shù)領(lǐng)域非常重要的研究?jī)?nèi)容，本文就此進(jìn)行了綜述。

1 厭氧消化產(chǎn)酸

目前，根據(jù)J. G. Zeikus在《微生物學(xué)年鑒》（1980年）第一卷中關(guān)于“厭氧菌生產(chǎn)化學(xué)和燃料”章節(jié)中的理論，認(rèn)為厭氧消化過(guò)程分為4個(gè)階段：水解、酸化、乙酸化和產(chǎn)甲烷，見(jiàn)圖1。污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)生VFA的過(guò)程主要關(guān)注的是前兩個(gè)階段，水解和酸化階段，以獲得更多的VFA積累。研究表明，采用高溫處理、超聲破碎等方法可以促進(jìn)水解過(guò)程來(lái)提高污泥發(fā)酵產(chǎn)酸的能力。

2 污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的影響因素

2.1 pH值

剩余污泥厭氧發(fā)酵反應(yīng)過(guò)程中的pH對(duì)VFA的生產(chǎn)至關(guān)重要，其主要通過(guò)影響酶的活性來(lái)直接影響微生物的生長(zhǎng)繁殖。研究發(fā)現(xiàn)，堿性環(huán)境下更有利于混合污泥產(chǎn)酸，其中產(chǎn)酸量在pH=10.0時(shí)達(dá)到最大。

2.2 溫度

溫度通過(guò)影響微生物的生長(zhǎng)代謝及酶的活性，進(jìn)一步影響剩余污泥產(chǎn)酸的過(guò)程。隨著溫度的增高，剩余污泥水解產(chǎn)生的溶解性蛋白質(zhì)和溶解性碳水化合物就會(huì)越多，VFA的積累量就會(huì)增加。

2.3 污泥停留時(shí)間

污泥停留時(shí)間是厭氧消化反應(yīng)器運(yùn)行的重要參數(shù)。SRT越長(zhǎng)，越有益于剩余污泥的水解;但是如果SRT太長(zhǎng)，便會(huì)使導(dǎo)致發(fā)酵液中有機(jī)酸的消耗，不利于VFA的累積。在連續(xù)流反應(yīng)器中，在pH=10的條件下，SRT從4 d增加到12 d時(shí)，與短鏈脂肪酸的產(chǎn)量濃度呈線性關(guān)系，但是當(dāng)SRT進(jìn)一步增加到16 d時(shí)，發(fā)酵液中VFA濃度下降。由此可知在一定范圍內(nèi)，SRT的增加可以促進(jìn)VFA的累積[4，5]。

3 利用污泥進(jìn)行菌群馴化合成PHA

3.1 PHA的性質(zhì)

近年來(lái)，前人發(fā)現(xiàn)的PHA的組成單體已達(dá)150多種。根據(jù)單體中碳原子的數(shù)目，可以將PHA分為三類(lèi)，具體常見(jiàn)單體類(lèi)型如表1所示。

PHA不同單體的物化性能和機(jī)械性能存在較大差別，為了得到更符合需求的生物可降解塑料產(chǎn)品，有許多專(zhuān)家學(xué)者針對(duì)其不同單體的性能進(jìn)行了大量研究。PHB在某些性能上與熱塑性材料類(lèi)似，但脆性較高、延展性較差，極大地限制了PHB的應(yīng)用范圍。而將PHV與PHB混合形成共聚物PHBV可以極大地改善PHB的物化性能。研究發(fā)現(xiàn)，PHBV中PHV的相對(duì)含量越高，共聚物的熔點(diǎn)越低、韌性越好，更有利于熱加工處理。通過(guò)將PHA與傳統(tǒng)塑料（以聚丙烯為例）物化性能進(jìn)行比較（表2）可知，PHA的部分單體類(lèi)型可以很好地代替?zhèn)鹘y(tǒng)塑料，促進(jìn)生物降解塑料在商業(yè)領(lǐng)域的推廣。為了得到更多性質(zhì)優(yōu)良的PHA單體，通過(guò)大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，偶數(shù)碳的短鏈脂肪酸有利于合成P（3HB），奇數(shù)碳的短鏈脂肪酸有益于合成PHV。

3.2 菌種合成PHA的環(huán)境影響因素

混合菌群的馴化過(guò)程是合成PHA的關(guān)鍵步驟，其目的主要是針對(duì)PHA合成能力和PHA合成效率進(jìn)行篩選。而影響混合菌群馴化的因素主要是底物類(lèi)型和馴化條件。

3.2.1 碳源種類(lèi)。底物中碳源種類(lèi)和比例的不同，會(huì)直接影響到菌群的合成效率，同時(shí)也會(huì)影響到PHA的產(chǎn)量和結(jié)構(gòu)組成。有許多研究者針對(duì)單一某種VFA作為碳源時(shí)，對(duì)PHA合成率影響做了詳細(xì)的試驗(yàn)對(duì)比。Pijuan等人[6]通過(guò)對(duì)比碳源（乙酸、丙酸、丁酸和葡萄糖）時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)以乙酸作為碳源時(shí)，PHA的產(chǎn)率最高;而葡萄糖為碳源時(shí)最低。在以丙酸作為碳源時(shí)，其單體主要為PHV。Jia等人[7]通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比四種VFAs組分，得到PHA的合成率由小到大依次為乙酸、丁酸、丙酸、戊酸。說(shuō)明污泥復(fù)合菌群會(huì)優(yōu)先利用偶數(shù)碳酸和碳原子數(shù)較少的酸，同時(shí)，丙酸可以有效提高PHA產(chǎn)品中的PHV比例，這對(duì)以后改善產(chǎn)品性能提供有利的幫助。然而，郝就笑[8]在其試驗(yàn)研究中，分別利用以戊酸、乙酸為主的底物對(duì)污泥混合菌群進(jìn)行馴化，得到的以戊酸為主的發(fā)酵液培養(yǎng)的PHA菌群的PHA的合成和微生物的生長(zhǎng)代謝水平均高于乙酸型。由于該試驗(yàn)前期利用戊酸型發(fā)酵液對(duì)復(fù)合菌群進(jìn)行馴化，得到的菌群對(duì)奇數(shù)碳具有偏好性。綜上所述，利用污泥篩選菌群合成PHA具有適應(yīng)能力強(qiáng)、可塑性強(qiáng)的特點(diǎn)，可以通過(guò)調(diào)整馴化底物中不同VFA的濃度和比例來(lái)提高PHA中3HV和3H2MV單體的占比。

3.2.2 氮磷等營(yíng)養(yǎng)元素濃度。PHA是菌群在不利的生長(zhǎng)條件下作為碳源和能量存儲(chǔ)、氧化還原調(diào)節(jié)劑和冷凍保護(hù)劑維持細(xì)胞生存的物質(zhì)，當(dāng)?shù)椎葼I(yíng)養(yǎng)元素過(guò)于豐盛時(shí)，PHA合成菌就會(huì)將更多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)用于微生物的生長(zhǎng)繁殖，而不是合成PHA。但是過(guò)分抑制氮磷等營(yíng)養(yǎng)元素濃度，不但不能保證菌群在馴化和培養(yǎng)期間有足夠的生物量和生物活性，而且容易引發(fā)嚴(yán)重的污泥膨脹問(wèn)題，影響PHA的產(chǎn)率。因此，控制合適的碳氮比和碳磷比是保證微生物既能夠正常生長(zhǎng)又不影響PHA合成的關(guān)鍵。

Cavaille等[9]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)碳磷比為從290改變到667時(shí)，PHA合成量增加了2.7倍，進(jìn)一步提高對(duì)磷的限制水平，當(dāng)碳磷比為1 024時(shí)，剩余污泥積累的PHA含量迅速增加到為58%。陳瑋等[10]也有類(lèi)似的發(fā)現(xiàn)，在厭氧條件下分別處于碳氮比為125 和碳磷比為250兩種限制條件時(shí)，PHA的最大積累量分別達(dá)到57%和26%;而在好氧條件下，在碳氮比為200和碳磷比為500的條件時(shí)，最大的PHA合成量達(dá)到61%和33%。

3.2.3 豐盛-饑餓比。好氧瞬時(shí)進(jìn)料（Aerobic Dynamic Feeding， ADF）工藝，也稱(chēng)豐盛-饑餓模式（Feast and Famaine， FF）。由于ADF工藝的PHA合成率高、運(yùn)行成本低，因此在PHA的合成工藝中，它是最普遍、最有發(fā)展前景的工藝流程。ADF工藝的代謝過(guò)程是通過(guò)控制進(jìn)料底物濃度，使微生物可以在底物豐富時(shí)儲(chǔ)存能量;在底物匱乏時(shí)分解PHA獲取能量維持細(xì)胞代謝，進(jìn)而篩選出能夠高效利用碳源合成PHA的優(yōu)勢(shì)菌種。其中，豐盛-饑餓比（Feast-to-Famine Ratio，簡(jiǎn)稱(chēng)F/F）代表了選擇壓的大小，能夠調(diào)控菌群中微生物的生長(zhǎng)和PHA合成之間的關(guān)系，也能影響PHA合成菌和非PHA合成菌的相對(duì)比例。馴化過(guò)程的成敗很大程度上依賴(lài)于一個(gè)合適的F/F。

4 利用剩余污泥發(fā)酵液產(chǎn)PHA的研究進(jìn)展

在SBR反應(yīng)器中，利用剩余污泥中混合菌群與污泥發(fā)酵液相耦合，使PHA在合成菌內(nèi)部合成，最后利用細(xì)胞破碎提取PHA。試驗(yàn)表明，采用60 ℃高溫和堿性條件得到的剩余污泥發(fā)酵液，將其冷卻至21 ℃，利用污泥混合菌群，采用在好氧條件下多次補(bǔ)料的方式合成PHA，得到最大PHA的產(chǎn)量達(dá)細(xì)胞干重的56.5%[10]。

由于PHA菌群會(huì)對(duì)不同VFA的存在選擇性利用，在菌群前期馴化時(shí)，可以培養(yǎng)PHA合成菌對(duì)底物中的奇數(shù)碳酸的偏好性。郝就笑 [8]利用戊酸型污泥發(fā)酵液直接用于PHA菌群馴化和批式PHA合成過(guò)程。由于，在馴化菌群階段戊酸濃度占據(jù)主導(dǎo)，在序批式反應(yīng)合成PHA的過(guò)程中，菌群對(duì)戊酸的平均吸收速率明顯高于乙酸、丁酸等其他VFA。該試驗(yàn)是首次發(fā)現(xiàn)在混合菌群PHA合成過(guò)程中，奇數(shù)碳酸的利用優(yōu)先于偶數(shù)碳酸。這個(gè)發(fā)現(xiàn)也表明，底物中VFA的利用順序和利用程度與馴化PHA菌群所用的底物密切相關(guān)，由此體現(xiàn)了PHA菌群對(duì)VFA吸收的靈活性。試驗(yàn)得到PHA的最大濃度為1.30 g/L，PHA的最大合成率為42.31%。

利用剩余污泥發(fā)酵液合成PHA的方法工藝是一種集廢水資源化、剩余污泥減量、PHA資源再利用為一體的可持續(xù)生產(chǎn)工藝。該過(guò)程中剩余污泥不但是作為混合菌種的來(lái)源，而且是作為底物來(lái)源而存在的，是一種環(huán)保高效、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的PHA合成技術(shù)，真正做到了污泥的減量化和資源化。但是，該工藝目前的底物轉(zhuǎn)化效率仍然較低，存在污泥膨脹等一系列問(wèn)題，如果要應(yīng)用到實(shí)際工業(yè)中還需要進(jìn)一步的研究?jī)?yōu)化，提高PHA的產(chǎn)量。

5 結(jié)語(yǔ)

本文分析總結(jié)了利用剩余污泥產(chǎn)PHA的大致流程及方法。選擇利用剩余污泥合成PHA，既能變廢為寶，綜合治理環(huán)境污染，又能處理廢水，減少剩余污泥量，同時(shí)得到生物可降解塑料PHA，是一舉多得的研究方向。利用剩余污泥來(lái)生產(chǎn)PHA，不僅降低無(wú)菌操作的要求，豐富了碳源選擇，而且符合當(dāng)下廢物資源化的理念。但是，目前污泥厭氧發(fā)酵合成PHA的工藝在中試和實(shí)際場(chǎng)地的應(yīng)用還比較少，需要進(jìn)一步優(yōu)化試驗(yàn)方案步驟，擴(kuò)大運(yùn)行規(guī)模和時(shí)間，以適應(yīng)大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)。

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