文章信息
厨余垃圾厌氧发酵定向产酸的影响因素
孙文瑾1,2，王雪梅1,2，李子富1,2
1北京科技大学能源与环境工程学院，北京 100083；2北京科技大学工业典型污染物资源化处理北京市重点实验室，北京 100083
引用本文
孙文瑾, 王雪梅, 李子富. 厨余垃圾厌氧发酵定向产酸的影响因素[J]. 化工进展, 2024, 43(10): 5778-5790.
DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2023-1608
摘要
随着垃圾分类工作不断推进落实，厨余垃圾的分出量急剧增长。由于其极易变质，在收集、运输和储存过程中可能会对环境造成二次污染，厨余垃圾的处理问题逐渐成为人们的研究热点。现有的主要处理技术有填埋、焚烧、好氧堆肥、厌氧发酵等，由于焚烧和填埋的方式是非常不环保的，好氧堆肥和厌氧发酵具有良好的资源化属性，水解产酸是厌氧发酵技术的一个研究方向，厨余垃圾是产酸的合适原料。因此，本文针对水解产酸技术发展进行了梳理和分析，基于厨余垃圾水解产酸的代谢机理，重点介绍了影响厨余垃圾产酸效果的两种因素，即水解微生物和水解条件。针对挥发性脂肪酸的不同应用场合，分别讨论了其所需的酸类组成，分析总结了不同产酸微生物的类别及其产酸效果，在不同pH、温度、有机负荷以及投加试剂的条件下其对产酸的影响，并针对定向产酸需求提出解决方案，希望为未来研究提供支持。
随着社会经济水平的不断发展和人民生活水平的提高，厨余垃圾产量也在不断上升，自垃圾分类政策实施以来，厨余垃圾不再与生活垃圾混合，产量出现急剧增长。数据显示，相比分类前，北京市厨余垃圾的分出量增长了12.7倍，上海市分出量增长了27%，深圳市厨余垃圾分类回收量增长了250%，因此厨余垃圾的处理问题也逐渐受到了人们的关注。据统计，我国的厨余垃圾占城市生活垃圾的50%~60%，是城市固体废弃物的重要组成部分。我国厨余垃圾主要由蔬菜、食物残渣、果皮、蛋壳、骨头和贝类等组成，极易变质，在收集、运输和储存过程中可能会对环境造成二次污染，其中的病原体、寄生虫和虫卵等也会对人类身体健康产生影响。在我国“碳达峰、碳中和”战略目标提出的背景下，厨余垃圾的无害化、减量化、资源化工作也得到进一步重视，我国大部分城市针对厨余垃圾的处理开始采用集中收集的方式，对厨余垃圾进行分类处理，其处理模式与以往的集中处理相比更具科学性和有效性。
常见的厨余垃圾处理技术有填埋、焚烧、好氧堆肥、厌氧发酵、热解等。其中填埋、焚烧是相对简单传统的处理方式，存在资源浪费、选址困难、产生废气等问题。以北京市为例，自垃圾分类实施以来，厨余垃圾组分占比逐渐增加，同时其含水率和容重也有明显增加，而可燃分和热值明显降低，因此已不适宜采用焚烧的方式处理。好氧堆肥和厌氧发酵回收利用率高，具有良好的资源化属性，厌氧发酵还具有低碳排放、二次污染少、运行成本低等优点。由于厨余垃圾中含有糖、蛋白质和细胞生长的其他必要营养素，是水解生产挥发性脂肪酸（VFAs）的合适原料，VFAs可以用于生产生物柴油、聚羟基脂肪酸酯（PHA）等，还可用于加强生物营养素的去除效果，如将厨余垃圾厌氧发酵产生的VFAs加以利用，转变成资源，可有效地解决厨余垃圾处理问题，同时也能减轻资源短缺的压力。已有不少学者研究证明了利用厨余垃圾生产VFAs的可行性，如Valentino等研究了一种两阶段厌氧发酵过程，提高了厨余垃圾中VFAs的产量；Pervez等指出了利用厨余垃圾生产VFAs的巨大潜力，并提出了采用膜生物反应器进行原位回收VFAs的方法。
厨余垃圾的定向产酸的研究主要包括产酸效率和产酸类型，不同应用方向对VFAs的组成有不同的要求，为了使厨余垃圾能够更充分有效地被利用，厨余垃圾的定向产酸具有重要的研究意义。目前在厨余垃圾水解产酸方面已有大量的研究，主要集中在不同水解条件下厨余垃圾产酸组成和产量的差异，缺少对定向产酸类型及产酸影响因素的综述分析。本文总结了厨余垃圾厌氧发酵定向产酸的不同类型，从水解微生物、发酵条件等方面展开分析，并针对提高产酸效率提出合适策略，为促进厨余垃圾资源化利用提供参考。
1
厨余垃圾产酸的原理及应用
1.1
厨余垃圾产酸的原理
厨余垃圾产酸是一个复杂的微生物过程，如图1所示。其主要分为水解阶段和产酸阶段，首先使碳水化合物、蛋白质、脂肪等复杂的有机物在各类酶的作用下分解为可溶的糖、氨基酸、长链脂肪酸等，随后通过微生物的代谢反应再进一步分解为乙酸、丙酸、丁酸、乙醇等，其中单糖通过糖酵解途径转化为丙酮酸，最后在乙酰辅酶A（CoA）的参与下形成乙酸、丙酸、丁酸、H2、CO2以及其他小分子；蛋白质转化为多肽和氨基酸后，其中一些可以转化为微生物细胞组织，另一些则继续进行脱氨脱羧反应，分解为VFAs等小分子；对于脂质，则先被水解成甘油和长链脂肪酸，甘油相应转化成甘油磷酸，继而形成丙酮酸，丙酮酸再转化成小分子乙酸，长链脂肪酸通过β氧化途径形成乙酸和乙酰辅酶A。此外，一小部分产乙酸菌，如同型产乙酸菌，可以将CO2和H2生成乙酸。定向产酸即通过控制反应条件使厨余垃圾的厌氧发酵过程停留在产乙酸阶段，比如当总固体含量（TS）大于30%时产甲烷的过程会受到抑制，因此为使产酸量变高，可以通过增大TS抑制产气过程，从而让VFAs在发酵体系中得到积累。
图1 厨余垃圾产酸机理
厨余垃圾水解产酸主要产物为乙酸、丙酸、丁酸和乙醇，在不同的发酵反应条件下，上述4种物质的比例会随之发生变化。根据发酵末端代谢产物的组成，可以将厨余垃圾定向产酸类型分为丁酸型、丙酸型和乙醇型3种，发酵主要代谢途径如图2所示，主要通过烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（辅酶Ⅰ，NAD+/NADH）与烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（辅酶Ⅱ，NADP+/NADPH）得失电子的过程来控制微生物的代谢途径。
图2 产酸发酵的主要代谢途径
研究表明，产酸类型与厨余垃圾中的有机物质组成有关，葡萄糖、蔗糖、乳糖、淀粉等可溶性碳水化合物的发酵以丁酸型发酵为主，末端产物主要为丁酸、乙酸、少量丙酸、氢气和二氧化碳；难降解有机物和含氮有机物一般发生丙酸型发酵，末端产物主要为丙酸和乙酸；乙醇型发酵由酵母菌属将碳水化合物经过糖酵解生成丙酮酸，再由丙酮酸经乙醛生成乙醇，主要末端产物为乙醇、乙酸、少量丁酸、氢气和二氧化碳。Rasi等通过实验分析了厨余垃圾在调节微生物成分方面发挥的重要作用，酒店、食堂等产生的厨余垃圾相比市政和家庭产生的厨余垃圾，具有更丰富的有机质、脂质、蛋白质、碳水化合物，所以从工业角度来看，其更具有成为VFAs生产基质的潜力。Zhang等对比了马铃薯皮、胡萝卜、芹菜和大白菜4种不同蔬菜废弃物对厌氧发酵生产挥发性脂肪酸性能的影响，发现植物类型的合适组合对VFAs选择性生产很重要。赵学强等选取了10种不同的废弃物，发现除白菜残体外，其他9种废弃物水解液中VFAs组成均为乙酸占绝大多数，白菜残体、鸡粪和包菜帮水解液中丙酸含量较高，西兰花秆和西瓜皮中异丁酸含量较高，厨余垃圾水解产酸的效果最好。此外，王权通过设定不同含量的NaCl和油脂，探究了其对厨余垃圾生产VFAs的影响，发现在高盐高油脂的条件下会降低厨余垃圾的产酸效果。
1.2
厨余垃圾产酸的应用
厨余垃圾通过水解生成的是混合VFAs，包括乙酸、丙酸和丁酸等，具有广泛的应用市场，如图3所示。VFAs的应用包括生产生物塑料、生物燃料，如氢、生物丁醇、生物柴油、甲烷和微生物燃料电池等，也可以作为脱氮除磷过程中的碳源。
图3 挥发性脂肪酸的应用
1.2.1 生产聚羟基脂肪酸酯（PHA）
聚羟基脂肪酸酯是一种可生物降解塑料，通过发酵生产PHA的微生物可以分为两类：一类是生长相关微生物，如大肠杆菌、固氮菌、放线菌等，它们可以在生长的指数阶段直接积累PHA；另一类是非生长相关微生物，如假单胞菌、贪铜菌，它们在碳过量的情况下会产生PHA。厨余垃圾可以作为PHA生产的可持续碳源，利用厨余垃圾作为合成VFAs的原始基质，既可以降低PHA合成成本，具有经济效益，又可以增加厨余垃圾资源化利用新途径，具有环境效益。Kourmentza等发现在使用VFAs作为碳源进行PHA的生产中，丁酸盐总是被第一个消耗，并极大地促进PHA的积累，随后乙酸和丙酸会以较慢的速度消耗，丁酸盐被认为是首选碳源。由乙酸盐和丁酸盐组成的碳源可以获得最大的PHA产量，Andreolli等发现当分别以乙酸盐、丙酸盐、丁酸盐和戊酸盐作为唯一碳源时，丁酸盐的PHA产率最高，其次是乙酸盐和戊酸盐，丙酸盐的产率最低。Zhao等认为PHA积累和单体成分的性能与碳源组成密切相关，偶数碳可以促进3-羟基丁酸（3HB）的合成，而奇数碳有利于生产3-羟基戊酸（3HV）。VFAs的含量会影响PHA成分，所以厨余垃圾水解产酸过程可以根据PHA所需的成分进行设计，其中丁酸对提高PHA产率的促进作用最明显，在定向产酸中提高丁酸含量将有利于PHA的合成。
1.2.2 生产生物柴油
生物柴油具有环保、可再生、可生物降解等优点，通过垃圾的产酸发酵收集VFAs，并在产油微生物中积累脂质，随后再提取出微生物脂质，将微生物脂质交换成粗生物柴油并进行纯化，即可得到生物柴油。产油微生物分布广泛、种类繁多，主要有藻类、霉菌、酵母菌和细菌，其中常用的是酵母菌和霉菌。Fei等将VFAs应用于白化隐球菌的微生物脂质积累中，设定乙酸、丙酸、丁酸质量比为8∶1∶1，其积累的脂质中主要脂肪酸成分与大豆油和麻风树油相似，且从初步成本分析来看，VFAs基生物柴油比棕榈和大豆基生物柴油更有优势。因此，VFAs被认为是用于生成微生物脂质的新型低成本碳源。生物柴油特性也与脂肪酸的成分相关，Fortela等发现微生物油脂提取物中的脂肪酸甲酯（FAMEs）适合用于生产生物柴油，在生产生物柴油时要考虑VFAs的负载和组成。乙酸在VFAs中的比例较高时，所获产物生物量、油脂产量和含量均较高，产油酵母表现出对乙酸的偏爱，利用率更高，而丙酸和丁酸的利用率较低，因此增加VFAs中乙酸的比例可能是促进油脂生产的有效方法。Bhatia等发现乙酸、丁酸和乳酸大多支持偶数碳的脂肪酸生产，而丙酸提高了奇数脂肪酸的含量，此外红球菌属YHY01能够利用各种有机酸（乙酸、丁酸、乳酸和丙酸）作为碳源，而丁酸是最佳碳源，对生长的抑制作用最小。因此，在以生产生物柴油作为导向进行水解产酸时，应当充分考虑产油微生物的生物特性。由于大多数生物柴油的生产以乙酸为最佳碳源，所以提高厨余垃圾产酸中的乙酸含量将有利于产油微生物的生长，从而提高生物柴油的生产质量。
1.2.3 加强脱氮除磷效果
废水排放中的磷和氮是水体富营养化的主要因素，生化需氧量（BOD）和VFAs浓度对生物营养素的消除具有重大影响，当废水中的BOD不足时，厨余垃圾进行厌氧发酵后产生的VFAs可以作为碳源，用于加强废水处理中的脱氮除磷效果。Kim等通过对厨余垃圾进行持续发酵，并从中回收过滤液混合物作为反硝化碳源进行了测试，发现与乙酸盐和甲醇等相比，混合物在反应速率和滞后长度方面表现优异，可以作为反硝化的替代碳源。Puig等对比了酒精和VFAs作为外部碳源对活性污泥废水中生物磷去除的增强效果，认为在这一过程中如果需要增加底物，则首选VFAs。Lim等将VFAs添加至废水处理厂入口，发现氮和磷的去除率分别从44%和37%提高到了92%和73%，由于厨余垃圾中的氮、磷含量足够低，不会影响废水最终的氮、磷浓度。与传统碳源相比，脂肪酸作为碳源具有更高的去除效率，在经济性上也更有优势。Chen等发现，随着丙酸与乙酸之比增加，磷的去除效率显著提高。因此，丙酸含量的增加将有助于脱氮除磷效果的增强，当城市废水中碳源不足以有效去除磷和氮时，补充丙酸含量更高的VFAs更有利于废水处理。
由于在面向不同的应用方向时，对VFAs的组成有不同的需求，因此在对厨余垃圾进行厌氧发酵的过程中，如果能够实现VFAs的定向生产与积累，将更有利于发酵产物VFAs的利用，实现厨余垃圾资源再利用的最大化。
2
水解微生物对厨余垃圾定向产酸的影响
水解微生物在厨余垃圾定向产酸过程中起到至关重要的作用，由于不同的微生物生长特性及代谢途径不同，群落结构及微生物的组成将对发酵末端的产物组成产生影响。Ji等认为微生物群落对食物发酵中代谢物的生产具有重要意义，通过选择初始微生物群落可以改善挥发性代谢物的浓度和多样性。Liu等以三天后废物的降解效率作为评估标准，制备个性化微生物配方，从而实现厨余垃圾中有机物的有效降解。张维清等选择了7种不同的乳酸菌，探究在不同微生物的作用下全麦酸面团的发酵特性，即使均为乳酸菌，发酵类型也会有不同，其中植物乳杆菌的产酸能力最强。Wu等在探究pH在厨余垃圾厌氧发酵过程中发挥的作用时，发现不同pH会极大地调节发酵环境中的微生物群落结构，但无论在何种pH条件下，变形菌门、厚壁菌门、放线菌门、拟杆菌门和绿弯菌门始终是发酵环境中的主要微生物种类。Khatami等在实验中发现，不同条件下厌氧发酵过程中VFAs组成以及微生物群落存在差异，其中厚壁菌门、氯霉素和拟杆菌门在反应器中的相对丰度最高，VFAs的产生与厚壁菌门的相对丰度呈正相关。Strazzera等通过研究不同参数（pH、温度、有机负荷）对挥发性脂肪酸生产及其组成的影响，分析了反应过程中的微生物群落，也发现厚壁菌门在反应过程中占主要优势。目前与产酸相关的微生物按照产物类型主要包括同型产乙酸菌、产丙酸菌、产丁酸菌、产乙醇菌。
2.1
同型产乙酸菌
同型产乙酸菌是一种可以利用有机物，也可以利用CO2/H2、CO等作为底物进行生长，适应能力较强的微生物，通过自身的代谢可以将底物转化为乙酸、乙醇等，自1936年以来已发现100多种同型产乙酸菌，分布在22个属中，都属于厚壁菌门，具有不同的形态、营养特性和生理生态特性，其中A. woodii、C. ljungdahlii和M. thermoacetica是目前研究代谢途径较多的典型同型产乙酸菌种。表1中为常见产乙酸菌利用不同碳源在不同条件下的产酸情况。目前，很多学者对产乙酸菌进行研究，以实现厌氧发酵定向产酸，如Upadhyay等利用响应表面方法和人工神经网络的假设模型对产乙酸菌的生物过程进行优化，从而实现乙酸产量的增加；Huang等从废水污泥中分离出一种产乙酸的新型菌株，并提出可以通过对产乙酸菌进行生物强化来增强有机物水解酸化中VFAs的积累。
表1 常见产乙酸菌利用不同碳源在不同条件下的产酸情况
2.2
产丙酸菌
典型的生产丙酸的微生物主要包括丙酸杆菌属和一些厌氧菌，丙酸杆菌属有产酸丙酸杆菌（P. acidipropionici）、费氏丙酸杆菌（P. freudenreichii）、詹森杆菌（P. jensenii）和薛氏丙酸杆菌（P. shermanii）等，其他厌氧菌有克雷西蒂弧菌（V. cricetid）、梭菌（Clostridium）、反刍葡萄球菌（S. ruminantium）。这些微生物倾向于接种到工业和农业有机废物中，如粗甘油、甘蔗蔗渣水解物、大豆糖蜜等。目前国内外丙酸产量较高的菌株主要集中在丙酸杆菌属中的几种：特氏丙酸杆菌、费氏丙酸杆菌、薛氏丙酸杆菌和产酸丙酸杆菌等。表2为常见的生产丙酸的微生物利用不同碳源的产酸情况。Wang等通过代谢工程对微生物中的基因组进行扩增，过表达甲基丙二酰辅酶A羧基转移酶（MMC）和甲基丙二酰辅酶（MMD），提高了发酵中的丙酸产量和生产力。
表2 常见的生产丙酸的微生物利用不同碳源的产酸情况
2.3
产丁酸菌
生产丁酸可采用的菌株主要包括梭菌属（Clostridium spp.）、丁酸杆菌属（Butyribacterium spp.）、梭杆菌属（Fusobacterium spp.）、真杆菌属（Eubacterium spp.）、丁酸弧菌属（Butyrivibrio spp.）等，其中梭菌包括酪丁酸梭菌（C. tyrobutyricum）、丁酸梭菌（C. butyricum）、嗜热丁酸梭菌（C. thermobutyricum）等均是用于丁酸生产的主要细菌。表3为常见的产丁酸菌利用不同碳源的产酸情况。胡晓龙等发现酪丁酸梭菌产丁酸能力最强，丁酸梭菌次之，其他梭菌产丁酸的能力较弱。Yu等发现在酸性条件下，以厨余垃圾为原料生产挥发性脂肪酸，梭状芽孢杆菌、氨基酸球菌和巨型球菌占主导地位，其不仅对水解和产酸过程有积极影响，而且在乙酸转化为丁酸过程中也发挥着重要作用。Atasoy等通过对丁酸梭菌进行生物扩增混合培养，每天以活性反应器体积的10%注入丁酸梭菌，对比纯培养发现其在丁酸产量和总VFAs产量上均有显著提高。
表3 常见的产丁酸菌利用不同碳源的产酸情况
2.4
产乙醇菌
乙醇型发酵产酸的过程中，酿酒酵母（S. cerevisiae）是常用的微生物。除乙酸外，乙醇是产物中含量较高的物质。Zheng等通过添加酵母来增强活性污泥乙醇型发酵，实现了(1.0308±0.0206)g/L的乙醇产量，其中VFAs的产生并不影响乙醇的生产，在前8h内酵母菌活性最高，在乙醇的生产中发挥了重要作用，同时抑制了大多数典型的产酸细菌，Rhodobacter、Thermomonas、Terrimonas和Saccharomyces的存在是发酵过程中乙醇生产的主要原因。欧海声等采用拉曼光谱和多元曲线分辨-交替最小二乘算法（MCR-ALS）分析了3种酵母菌株间细胞乙醇发酵的代谢差异，发现工业菌株Bp1的发酵性能最好，实验室菌株INVSc1次之，而W303a菌株的发酵性能最差。Zhao等从发酵黄酒样本中分离出5种酿酒酵母菌株，发现TP-555、CYY-661和SYH-607这3个菌株的乙醇产量较高，并且具有产生较低浓度高级脂肪醇和更高浓度乙酸酯的能力。赵姝一等通过深入分析精氨酸转运RNA（transfer RNA，tRNA）基因tR(ACG)D和亮氨酸tRNA 基因tL(CAA)K过表达对酿酒酵母耐受木质纤维素水解液的影响，发现在4.2g/L乙酸胁迫条件下进行乙醇发酵时，过表达tL(CAA)K的菌株生长和发酵性能均优于对照酵母菌株，乙醇生产强度比对照菌株提高了29.41%，但过表达tR(ACG)D基因的菌株生长和代谢能力较对照菌株明显降低。
3
水解条件对厨余垃圾定向产酸的影响
不同的水解菌均有各自适宜的生长条件，而厨余垃圾的实际水解产酸过程大多数情况下不采用单一的菌种，而是混合菌种共同发挥作用，因此水解条件也将影响菌种的代谢过程和产酸情况，主要包括pH、温度、有机负荷和外加试剂。
3.1
pH
pH是决定发酵类型的最主要因素，调节pH可以明显提高厨余垃圾的水解率以及产酸量，且在不同pH条件下，产酸类型会发生转化，一般pH为4.0～4.5时主要发生乙醇型发酵，pH为4.9～5.1时发生丙酸型发酵，pH大于6.0时一般发生丁酸型发酵。李定龙等通过探究初始pH对厨余垃圾厌氧发酵产酸的影响，发现发酵产物的组成与pH有关，最佳初始pH为7，并且在不同的pH条件下主要产物总为乙酸。Khatami等通过实验证明了在初始碱性条件下，乙酸是厌氧发酵过程中的主要 VFAs，而在酸性条件下，丙酸和乙酸都是主要产物。pH控制在中性条件（pH=7）时，VFAs产量优于pH为弱酸性和弱碱性条件下（pH=6和8）的情况，当pH大于6时，丁酸是最普遍的，其次是乙酸和丙酸。Zhou等通过研究pH对卷心菜厌氧发酵产酸的影响，发现总VFAs浓度在pH为6时最高，其次是pH为7。在酸性条件下乙醇、乙酸和丁酸占主导地位，中性条件时乙酸、丙酸和丁酸是主要产物。因为发酵产物主要是有机酸，酸的积累必然会使pH下降，使得菌体生长受到抑制，从而导致残糖含量较高，底物得不到完全利用，杨贵清等发现这种情况可以在发酵培养基中加入固体碳酸钙来中和发酵过程中产生的有机酸，从而提高糖的利用率和发酵产物量。大多数的厌氧发酵过程发生在酸性或中性条件下，乙酸是产量最高的产物，当环境处于酸性时会有利于乙醇的产生，随着pH的增大，丙酸和丁酸成为主要产物，乙酸的产量也在逐渐上升，因此可以通过添加碱性物质适当提高pH，从而提高VFAs的产量。
3.2
温度
温度可以影响水解酸化过程中的反应速度和代谢类型，因此它也是产酸过程中重要的影响因素之一。由于大多数水解菌均属于嗜中温微生物，无论是丁酸型、丙酸型还是乙醇型发酵，其发酵温度基本都在28~37℃之间。Zhang等通过设定不同的初始pH和温度，研究在厨余垃圾产酸发酵过程中pH和温度对VFAs的生产、分布和细菌群落的影响，结果表明如果想获得高产量的VFAs，最佳条件是pH为7、温度为35℃。黄楠等研究认为厨余垃圾厌氧发酵产酸的最佳工艺条件是pH为6、温度为37℃，其中温度对产酸量的影响要大于pH。赵杰红等、赵宋敏等在探究温度对厨余垃圾水解酸化过程产生的影响时，也认为37℃是厨余垃圾水解酸化过程的最优温度条件。除了VFAs的产量，其有机酸的组成在不同温度下也会存在差异，35℃水解酸化产物主要为乙醇和乙酸，但55℃和70℃生成的乙酸、异丁酸和丁酸较多。Gong等通过实验发现当pH为7、温度为35℃时有利于混合酸型发酵，而pH为10、温度为35°C，pH为7、温度为55℃时有利于丁酸型发酵。这可能是因为当温度和pH改变时，与VFAs生产相关的优势菌属出现显著差异，大量研究发现37℃是厨余垃圾水解产酸的最佳温度，在小于37℃范围内，水解率和酸化率均随温度升高而增加，超过37℃酸化率下降而水解率继续增加。
3.3
有机负荷
有机负荷会通过改变微生物群落的结构，从而影响产生VFAs的浓度、产量、组成等，其对提高VFAs的生产总量具有积极作用，随着有机负荷的增加，在高有机负荷的条件下长期生产VFAs可以成功抑制产甲烷过程，丁酸和异戊酸的浓度也会随之增加。Zhu等通过将乙醇型发酵与添加生物炭相结合，在厌氧发酵厨余垃圾过程中加强直接物种间电子转移，缓解酸积累，可以抵御高有机负荷负载率的冲击。Li等发现有机负荷负载率从8g VS/(L∙d)（VS为挥发性固体）增加到14g VS/(L∙d)有利于实现VFAs浓度和产量的提高，且有机负荷的增加会显著影响VFAs的分布，当其大于14g VS/(L∙d)时乙酸盐和丁酸盐占主导地位。Wainaina等在浸没式膜生物反应器中采用高有机负荷负载率对厨余垃圾进行厌氧发酵，分别设定有机负荷负载率为4g VS/(L∙d)、6g VS/(L∙d)、8g VS/(L∙d)、10g VS/(L∙d)，发现在有机负荷负载率为6g VS/(L∙d)时获得的VFAs产量最大。Jiang等发现VFAs的浓度会随着有机负荷的增加而增加，然而VFAs的产量会下降，其中乙酸和戊酸的质量分数随之增加，但高有机负荷下丙酸和丁酸的质量分数较低。De Groof等认为可以通过小幅调整水力停留时间和有机负荷负载率提高厨余垃圾产酸发酵的经济潜力。因此，适当增加水解环境中的有机负荷，将使得产生的酸较少地被转化为甲烷，从而实现酸的有效积累，提高产酸效率。然而增加有机负荷需要有一定限度，高有机负荷下运行容易发生底物浓度过高，水解酸化速率过高，VFAs的迅速积累使系统pH降低，可能会导致厌氧发酵体系酸化失稳等问题。
3.4
投加试剂
通过外加其他试剂改变发酵环境和生物代谢方式，不同的添加物会对VFAs含量及组成产生影响。Wei等评估了油酸和棕榈酸对厌氧发酵中丙酸生产的影响，结果发现适当浓度的油酸可以促进丙酸的产生，但过量会抑制丙酸产生，使丁酸变成主要产物。Chen等基于氧化还原的原理，通过添加0.2%～5.0%（质量分数）的缬氨酸和苏氨酸，增强了碱性发酵过程中丙酸和丁酸的产生，将乙酸比例从83%降至47%。Dahiya等研究不同缓和/中和剂对厨余垃圾发酵定向产酸的作用，发现使用Na2CO3能更高效地生成乙酸，其次是NaOH，同时缓和/中和剂对提高VFAs产率也有一定作用。这表明，投加酸性试剂将有助于丙酸和丁酸的生产，而投加碱性试剂则更有利于生产乙酸。此外，碱性试剂作为缓和剂可以中和厨余垃圾水解出的一部分酸，从而提高垃圾厌氧发酵环境的稳定性，促进VFAs产率的提高。
除了投加酸性或碱性试剂外，添加不同金属离子也会对厌氧发酵水解的结果产生不同影响。李亚红等探究添加Fe3+、Cu2+和Zn2+对厌氧发酵水解酸化阶段有机酸组分和含量的影响，结果表明Fe3+和Cu2+有利于厨余垃圾水解酸化过程的进行，反应生成的VFAs含量增加，Zn2+对反应的促进或抑制作用均不明显。Cao等发现添加零价铁（ZVI）和过硫酸盐（PS）是提高厌氧发酵过程中厨余垃圾产生VFAs，尤其是丁酸产量的有效方法。Ping等通过探究Fe3O4对厌氧发酵废食用油和有氧污泥产丙酸的影响，发现在加入5g/L Fe3O4时，对VFAs和丙酸浓度有显著影响，与空白组相比浓度分别提升了20.65%和27.65%。不同的金属离子对产酸效果的影响也存在一定差异，其中铁离子最常用于提高VFAs浓度。
4
结语
随着我国垃圾分类工作的不断推进，厨余垃圾分类收集后，其处理仍然面临着诸多问题，当前厌氧发酵方法是厨余垃圾处理技术中的研究热点。厨余垃圾中含有糖、蛋白质和细胞生长的其他必要营养素，是水解生产VFAs的合适原料。VFAs目前主要应用于生物燃料、生物塑料以及作为外加碳源加强废水脱氮除磷效果上，在不同应用方向上对VFAs的种类组成有不同的需求，因此在研究水解定向产酸时并非仅提升产量或某一类特定的酸含量，而是要以应用需求为导向，将产酸目标与实际应用结合起来，定向调控水解产酸中VFAs的组成。通过定向产酸，厨余垃圾产生的VFAs浓度将大大提升，且更有利于后续应用，不仅可以解决厨余垃圾的处理问题，更能进一步促进厨余垃圾的资源化利用。总结现有的研究成果，在根据VFAs的应用需求进行定向产酸时，可以从以下三个方面入手。
（1）采用高效的预处理技术提高底物的水解速率。有机质水解速率低是产酸过程中主要的限速步骤，因此在垃圾处理前先进行预处理，通过有效去除厨余垃圾中的杂质，强化有机物溶解，从而产生更多溶解性的有机底物，使其更容易被微生物利用，进一步提高产酸的效率。
（2）优化菌群结构，发挥产酸优势菌种作用。不同微生物对发酵产酸的效果不同，在生产不同种类的VFAs时，可以引入相应的微生物，利用其代谢特点，提高产酸量以及VFAs浓度。为了加强微生物的生长代谢能力，强化微生物对底物的适应能力，提高利用效率，可以采用补料分批培养的方式，不断为微生物提供营养物质，还可以采取基因工程技术对菌种进行筛选和驯化，通过过表达一些基因加强菌种的产酸能力。
（3）优化产酸环境，促进酸化过程。通过调控反应体系的底物组成、pH、温度、有机负荷负载率等，一方面可以促进厨余垃圾产酸过程中的VFAs的产生及组分调控，实现酸含量的提高；另一方面通过控制反应条件可以使厨余垃圾的厌氧发酵停留在产乙酸阶段，抑制甲烷的生成，减少VFAs的消耗，使发酵体系中积累大量VFAs。
作者简介
第一作者：孙文瑾，硕士研究生，研究方向为厨余垃圾厌氧发酵。
通信作者：李子富，教授，博士生导师，研究方向为生态水处理技术、生物质能、生态卫生等。
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