油脂厌氧消化中LCFAs的危害及调控策略研究进展

康晓荣，刘亚利，周友新，苏瑛

(1.南京工程学院 环境工程学院，江苏 南京 210009；2.南京林业大学 土木工程学院，江苏 南京 210037；3.盐城工学院 土木学院，江苏 盐城 224002)

随着肉制品加工、食用油生产和餐饮行业的发展，含脂废水/废物的排放量日益增多、污染日趋增大，其处理处置迫在眉睫[1-3]。厌氧消化(AD)具有低碳、低能耗、可回收能源等优势，被广泛用于含脂废水/废物处理领域[2-5]。脂类的理论产甲烷速率为1 014 L/kg，比碳水化合物和蛋白高274%和137%[4-5]。然而，脂类AD过程中常因长链脂肪酸(LCFAs)积累导致反应器酸化，甚至失败[6-7]。为了克服油脂AD过程中出现的浮选、发泡、微生物抑制等问题[8-9]，国内外学者对油脂厌氧代谢机理进行深入研究，并采用多种措施对AD进行调控。

1 油脂AD机理

1.1 油脂代谢过程

油脂主要包括脂肪、油和油脂，含有大量的饱和脂肪酸(SFAs)和不饱和脂肪酸(USFAs)。油脂AD是一个复杂的生物过程，通过水解酸化菌、产乙酸菌和产甲烷菌的协同作用将有机物转化为甲烷。脂类在胞外脂肪酶的作用下，快速水解为甘油(10%)和LCFAs(90%)[10]。甘油降解为乙酸盐和氢气，而LCFAs通过β-氧化转化为短链脂肪酸(SCFAs)、乙酸和氢气，最终在乙酸型和氢型产甲烷菌的作用下转化为甲烷、二氧化碳和水。最近的研究认为，LCFAs的β-氧化过程是脂类AD的限速步骤[11]。

1.2 微生物作用机理

分子生物学研究发现，LCFAs降解微生物通常是质子还原、厌氧氧化菌，需与氢型或乙酸型产甲烷菌相互作用[12]，这些微生物主要包括：Clostridiaceae、Syntrophomonadaceae、Syntrophaceae、Enterobacteriaceae和Bacteroides[13]。参与脂类代谢的微生物有两类：(1)利用LCFAs产乙酸的产乙酸菌，能将脂肪酸转化为可被产甲烷菌利用的乙酸和氢[14]。Syntrophomonadaceae和Syntrophaceae属于消耗氢或与甲酸盐互营的β-氧化菌，S.wolfei主要降解SFAs，而S.zehnderi主要降解SFAs和USFAs[15]；(2)参与LCFAs代谢的产甲烷菌(Methanosaeta和Methanosarcina)，Methanosarcina能够代谢氢气、维持低氧化还原电位[13]。脂类AD过程中，当Syntrophomonas增加15%，Methanosaeta和Methanospirillum是主要的产甲烷菌[16]。

2 LCFAs对油脂AD的抑制作用

油脂AD过程中LCFAs积累产生的抑制如下：(1)LCFAs在污泥和微生物表面积聚，增加污泥疏水性，引起反应器发泡[8]；(2)LCFAs与底物凝结，造成浮渣或污泥浮选；(3)LCFAs吸附在微生物表面，阻碍营养和底物传递，甚至改变细胞形态、降低细胞渗透性，直接毒害微生物[7]；(4)氨-LCFAs协同抑制，高氨水平减缓了LCFAs的β-氧化，导致LCFAs积累，进一步加剧对整个AD的抑制[17]。

3 调控策略

3.1 联合消化

脂类废水/废物联合消化能够调节底物性质，改善微生物的生长条件[16]。污泥与脂类废水联合消化能够调节C/N，促进乙酸型产甲烷菌(Methanosaeta)富集、提高沼气产量[18]。美国Hyperion污水厂，将隔油池废物(15%VS)添加到污泥中进行联合消化，可使生物气产量增加31%[19]。Kabouris等[20]对隔油池油脂和污泥联合消化的限制条件进行研究发现，油脂添加的阈值控制在20%～40%(V/V)时，反应器运行稳定。此外，食品废物作为联合消化底物也得到了研究。比如，隔油池废物和食品废物中温联合AD时，脂质/总固体(TS)55%能促进乙酸型产甲烷菌生长，最大甲烷产率为26.9 mL/(gVS·d)，未发生LCFAs的积累，但脂质/TS增加至70%导致产甲烷失败[3]。Hu等[21]也得到相似的结论，脂质浓度为40.9%(w/w)时，最高甲烷产率达到550 mL/gTS，而当浓度增加至59.3%(w/w)时，甲烷产率急剧下降至323 mL/gTS。可见，联合消化是有效的调控措施之一，但混合比与微生物的关系仍需深入研究。

3.2 微量元素添加

微量元素是厌氧微生物的重要生长因子，参与物质和能量代谢，是胞内氧化还原反应的电子载体[7]，直接影响微生物活性，进而影响厌氧系统的降解效率和过程稳定性[22]。在脂类厌氧反应器中投加Fe(III)，能够缓解LCFAs对产甲烷菌的抑制[23]。Bayr等[24]发现，将Fe(III)添加到屠宰废水中，提高了水解/产酸/产乙酸细菌的活性。Fe(II)能够强化同型产乙酸菌的产乙酸过程，提高对油酸等LCFAs的处理效果[25]。添加镍(10 mg/L)能使乙酸利用率提高到50 g/(L·d)[22]。将Fe、Ni、Co、Mn和Mo等元素添加到屠宰废水中温厌氧反应器中，SCFAs积累的有机负荷(OLR)从1.82 g/(L·d)提高到2.36 g/(L·d)，油脂的降解效率和生物气产量得以提高[26]。向餐厨垃圾和剩余污泥AD反应器中添加Fe、Co、Ni、Mo，对氨氮、SCFAs和辅酶F420产生明显的影响[27]。因此，添加微量元素可有效提高油脂AD的OLR和甲烷产量。

3.3 缓冲剂

利用易与脂类/LCFAs反应的添加物改善反应器，是诸多调控方式的一种。主要包括吸附、皂化和氧化反应。(1)吸附反应。在屠宰废物厌氧产甲烷过程中，添加沸石颗粒可吸附LCFAs，降低LCFAs的抑制作用[28]。将膨润土添加到油脂中，促进了油脂降解和SCFAs产生，当膨润土/油脂为0.9时，SCFAs的转化率达到39%[29]；(2)皂化反应。碱能够将脂类和游离LCFAs转化为可溶性肥皂，增强底物与微生物的接触，从而改善脂类的生物降解性、降低LCFAs的抑制[30]。150～300 mol/L的NaOH可使油脂的平均粒径降低至初始粒径的73%[30]；(3)氧化反应。在含油废水中添加氧化剂CaO2，能恢复水解和酸化菌群的活性[31]。然而，LCFAs与微生物的结合力较强，需在LCFAs与微生物接触前投加缓冲剂。

3.4 微生物驯化

调节底物的投加方式来强化微生物的适应性，可影响菌群结构和反应器的运行[32-33]。目前，投加方式主要包括脉冲、连续和间歇进料。反应器启动初期采用脉冲进料，能克服LCFAs积累对脂类代谢的抑制，提高LCFAs降解的稳定性[34]。利用上流式厌氧污泥床(UASB)处理食物垃圾和生活污水(0.09，v/v)时，间歇进料比连续进料更能有效促进脂类降解，降低丙酸盐的积累，使连续进料产生的SCFAs积累得以恢复[35]。Ziels等[36]研究了进料频率对微生物群落结构的影响，结果发现：脉冲进料反应器中的乙酸浓度(100 mg/L)远低于连续进料反应器(3 000 mg/L)，且脉冲进料更有利于Syntrophomonas和Methanosaeta的富集。除了短期间歇培养，Silva等[7]还研究了长期驯化对LCFAs降解的影响，用LCFAs驯化超过100 d的污泥对LCFAs的转化率为3.2 kg/kg，相应的迟滞期<1 d，而未驯化污泥对LCFAs的转化率为1.6～1.8 kg/kg，迟滞期为11～15 d。

3.5 反应器开发

脂类密度小、易与污泥结合发生漂浮，污泥冲刷、泥量减少常发生在处理脂质/LCFAs废水的UASB中[35]。与UASB反应器(48%～67%)相比，连续搅拌反应器(CSTR)具有更好的混合条件，减少了污泥/污水循环，能够促进脂质降解(63%～68%)[37]。史绪川等[38]开发了新型双环嵌套式两相厌氧反应器，将内环的产酸阶段与外环的产甲烷阶段分离，反应器稳定运行时，OLR为3.0 kgVS/(m3·d)，最高产气率为2.72 m3/(m3·d)。倒置厌氧污泥床(IASB)反应器利用污泥循环回路控制剪切力，通过控制混合强度来避免传质限制，利用浮选污泥维护污泥床以处理含LCFAs的废水[39]。Hu等[21]开发的虹吸驱动自搅拌厌氧反应器(SDSAR)，利用虹吸作用促进固体物质的分散并减少沉积物，不消耗电力，能成功避免SCFAs积累。在高温消化条件下，OLR高达14.4 kgCOD/(m3·d)时，仍具有很高的COD去除性能和产气效果[40]。

4 研究方向

(1)SFAs通过β-氧化途径降解，USFAs则先加氢转化为SFAs，再进行β-氧化。油脂本身及其厌氧水解酸化产生的SFAs和USFAs的含量随油脂的来源和性质变化。因此，需要加强对油脂的管理，完善油脂的相关信息，建立油脂成分与产甲烷之间的联系。

(2)添加微量元素能够促进脂类的降解、提高生物气产量，但微量元素在油脂AD过程的形态变化、微量元素对油脂形态的影响，以及对LCFAs降解相关菌群的影响有待进一步深入。

(3)目前，主要利用LCFAs浓度和组成的动态变化与生物气产量之间的响应关系来预测LCFAs的抑制过程，对于厌氧反应器的控制具有一定的滞后性。需要加强对不同LCFAs协同作用下，微生物的多样性和差异性进行深入研究，通过指示微生物的变化来预测LCFAs的抑制过程。

(4)结合两相AD特点，开发新型的厌氧反应器来克服LCFAs造成的浮选、发泡等问题的同时，解决LCFAs对产甲烷菌的抑制难题。

5 结束语

针对油脂AD过程中LCFAs积累问题，国内外开展了实验室、中试和实际工程调查研究。微生物学研究发现，LCFAs降解菌和产甲烷菌群易受LCFAs影响，降低了反应器的运行稳定性。通过联合消化、添加缓冲剂、开发新型反应器能够调节底物的C/N，改变油脂的性质和形态，避免污泥浮选和发泡。添加微量元素、对微生物进行驯化，则从根本上促进LCFAs降解菌和产甲烷优势菌群的生长，促进油脂的生物降解。