污泥厭氧發(fā)酵及污泥發(fā)酵液產(chǎn)PHA的研究

陸已暢　程家齊　王重陽

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

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

中圖分類號：X703 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：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，目前我國城市污水處理廠達到4 140座，截至2020年底，我國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，剩余污泥是該過程中常見的有機廢棄物，其成分十分復雜，每年產(chǎn)生量大，處理成本高，易導致二次污染。常見的處理手段有土地利用、衛(wèi)生填埋和焚燒等。而對剩余污泥進行厭氧消化處理（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，是最有市場前景的生物可降解塑料之一，在未來有望解決當前面臨的白色污染以及微塑料污染等環(huán)境問題[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)約成本的同時推進方法的普適性。在環(huán)境方面，不僅將剩余污泥廢物再利用，促進生物法處理污水在各地區(qū)的推廣，綜合治理了環(huán)境問題，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)酵液來合成PHA是目前環(huán)境生物技術(shù)領(lǐng)域非常重要的研究內(nèi)容，本文就此進行了綜述。

1 厭氧消化產(chǎn)酸

目前，根據(jù)J. G. Zeikus在《微生物學年鑒》（1980年）第一卷中關(guān)于“厭氧菌生產(chǎn)化學和燃料”章節(jié)中的理論，認為厭氧消化過程分為4個階段：水解、酸化、乙酸化和產(chǎn)甲烷，見圖1。污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)生VFA的過程主要關(guān)注的是前兩個階段，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水解過程來提高污泥發(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)酵反應過程中的pH對VFA的生產(chǎn)至關(guān)重要，其主要通過影響酶的活性來直接影響微生物的生長繁殖。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時達到最大。

2.2 溫度

溫度通過影響微生物的生長代謝及酶的活性，進一步影響剩余污泥產(chǎn)酸的過程。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越多，VFA的積累量就會增加。

2.3 污泥停留時間

污泥停留時間是厭氧消化反應器運行的重要參數(shù)。SRT越長，越有益于剩余污泥的水解;但是如果SRT太長，便會使導致發(fā)酵液中有機酸的消耗，不利于VFA的累積。在連續(xù)流反應器中，在pH=10的條件下，SRT從4 d增加到12 d時，與短鏈脂肪酸的產(chǎn)量濃度呈線性關(guān)系，但是當SRT進一步增加到16 d時，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VFA的累積[4，5]。

3 利用污泥進行菌群馴化合成PHA

3.1 PHA的性質(zhì)

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

PHA不同單體的物化性能和機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，有許多專家學者針對其不同單體的性能進行了大量研究。PHB在某些性能上與熱塑性材料類似，但脆性較高、延展性較差，極大地限制了PHB的應用范圍。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的相對含量越高，共聚物的熔點越低、韌性越好，更有利于熱加工處理。通過將PHA與傳統(tǒng)塑料（以聚丙烯為例）物化性能進行比較（表2）可知，PHA的部分單體類型可以很好地代替?zhèn)鹘y(tǒng)塑料，促進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，通過大量試驗發(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

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

3.2.1 碳源種類。底物中碳源種類和比例的不同，會直接影響到菌群的合成效率，同時也會影響到PHA的產(chǎn)量和結(jié)構(gòu)組成。有許多研究者針對單一某種VFA作為碳源時，對PHA合成率影響做了詳細的試驗對比。Pijuan等人[6]通過對比碳源（乙酸、丙酸、丁酸和葡萄糖）時發(fā)現(xiàn)，當以乙酸作為碳源時，PHA的產(chǎn)率最高;而葡萄糖為碳源時最低。在以丙酸作為碳源時，其單體主要為PHV。Jia等人[7]通過試驗對比四種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。說明污泥復合菌群會優(yōu)先利用偶數(shù)碳酸和碳原子數(shù)較少的酸，同時，丙酸可以有效提高PHA產(chǎn)品中的PHV比例，這對以后改善產(chǎn)品性能提供有利的幫助。然而，郝就笑[8]在其試驗研究中，分別利用以戊酸、乙酸為主的底物對污泥混合菌群進行馴化，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代謝水平均高于乙酸型。由于該試驗前期利用戊酸型發(fā)酵液對復合菌群進行馴化，得到的菌群對奇數(shù)碳具有偏好性。綜上所述，利用污泥篩選菌群合成PHA具有適應能力強、可塑性強的特點，可以通過調(diào)整馴化底物中不同VFA的濃度和比例來提高PHA中3HV和3H2MV單體的占比。

3.2.2 氮磷等營養(yǎng)元素濃度。PHA是菌群在不利的生長條件下作為碳源和能量存儲、氧化還原調(diào)節(jié)劑和冷凍保護劑維持細胞生存的物質(zhì)，當?shù)椎葼I養(yǎng)元素過于豐盛時，PHA合成菌就會將更多的營養(yǎng)物質(zhì)用于微生物的生長繁殖，而不是合成PHA。但是過分抑制氮磷等營養(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)嚴重的污泥膨脹問題，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又不影響PHA合成的關(guān)鍵。

Cavaille等[9]研究發(fā)現(xiàn)，當碳磷比為從290改變到667時，PHA合成量增加了2.7倍，進一步提高對磷的限制水平，當碳磷比為1 024時，剩余污泥積累的PHA含量迅速增加到為58%。陳瑋等[10]也有類似的發(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，PHA的最大積累量分別達到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，最大的PHA合成量達到61%和33%。

3.2.3 豐盛-饑餓比。好氧瞬時進料（Aerobic Dynamic Feeding， ADF）工藝，也稱豐盛-饑餓模式（Feast and Famaine， FF）。由于ADF工藝的PHA合成率高、運行成本低，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工藝的代謝過程是通過控制進料底物濃度，使微生物可以在底物豐富時儲存能量;在底物匱乏時分解PHA獲取能量維持細胞代謝，進而篩選出能夠高效利用碳源合成PHA的優(yōu)勢菌種。其中，豐盛-饑餓比（Feast-to-Famine Ratio，簡稱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合成菌的相對比例。馴化過程的成敗很大程度上依賴于一個合適的F/F。

4 利用剩余污泥發(fā)酵液產(chǎn)PHA的研究進展

在SBR反應器中，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，最后利用細胞破碎提取PHA。試驗表明，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料的方式合成PHA，得到最大PHA的產(chǎn)量達細胞干重的56.5%[10]。

由于PHA菌群會對不同VFA的存在選擇性利用，在菌群前期馴化時，可以培養(yǎng)PHA合成菌對底物中的奇數(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合成過程。由于，在馴化菌群階段戊酸濃度占據(jù)主導，在序批式反應合成PHA的過程中，菌群對戊酸的平均吸收速率明顯高于乙酸、丁酸等其他VFA。該試驗是首次發(fā)現(xiàn)在混合菌群PHA合成過程中，奇數(shù)碳酸的利用優(yōu)先于偶數(shù)碳酸。這個發(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VFA吸收的靈活性。試驗得到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。該過程中剩余污泥不但是作為混合菌種的來源，而且是作為底物來源而存在的，是一種環(huán)保高效、經(jīng)濟實用的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題，如果要應用到實際工業(yè)中還需要進一步的研究優(yōu)化，提高PHA的產(chǎn)量。

5 結(jié)語

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。利用剩余污泥來生產(chǎn)PHA，不僅降低無菌操作的要求，豐富了碳源選擇，而且符合當下廢物資源化的理念。但是，目前污泥厭氧發(fā)酵合成PHA的工藝在中試和實際場地的應用還比較少，需要進一步優(yōu)化試驗方案步驟，擴大運行規(guī)模和時間，以適應大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)。

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