污泥厌氧发酵及污泥发酵液产PHA的研究

陆已畅　程家齐　王重阳

摘 要：随着“限塑令”政策的升级，生物可降解塑料的研发和推广成为当下热点。聚羟基脂肪酸酯（PHA）作为一种新兴的生物可降解塑料，有着无限的潜力。利用剩余污泥来生产PHA，不仅节约成本，还有很好的环境效益，实现了废弃资源的再利用。本文主要针对污泥厌氧发酵以及菌种合成PHA的影响因素进行分析，阐述当前剩余污泥发酵液产PHA的研究进展，并对污泥厌氧发酵产PHA的发展前景进行展望。

关键词：聚羟基脂肪酸酯;厌氧消化;挥发性脂肪酸;剩余污泥

中图分类号：X703     文献标志码：A     文章编号：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

據统计，目前我国城市污水处理厂达到4 140座，截至2020年底，我国城市污水处理厂日处理能力为1.90亿m，污水处理总量为559.2亿m[1]。城市污水的处理主要是利用生物处理法，剩余污泥是该过程中常见的有机废弃物，其成分十分复杂，每年产生量大，处理成本高，易导致二次污染。常见的处理手段有土地利用、卫生填埋和焚烧等。而对剩余污泥进行厌氧消化处理（Anaerobic Digestion）是处置污泥减量化、稳定化的常用手段之一，也是大型污水厂最经济的污泥处理方法[2]。其中，挥发性脂肪酸（Volatile Fatty Acid， VFA）是厌氧消化过程中产生的重要的中间代谢产物，也是生产生物塑料聚羟基脂肪酸酯（PHA）的良好底物。

聚羟基脂肪酸酯（Polyhydroxyalkanoates， PHA）在生物体内主要的功能是贮藏碳源和能源物质。由于PHA具有可生物降解性及可塑料热加工性，近几年成为塑料新材料领域的研究热点，是最有市场前景的生物可降解塑料之一，在未来有望解决当前面临的白色污染以及微塑料污染等环境问题[3]。剩余污泥合成法作为合成PHA的主要途径之一，在许多方面表现优异。生产方面，不仅降低了无菌操作的苛刻条件，而且增加了碳源的多样性，在节约成本的同时推进方法的普适性。在环境方面，不仅将剩余污泥废物再利用，促进生物法处理污水在各地区的推广，综合治理了环境问题，而且获得了生物可降解塑料PHA，具有良好的环境效益。利用污泥发酵液来合成PHA是目前环境生物技术领域非常重要的研究内容，本文就此进行了综述。

1 厌氧消化产酸

目前，根据J. G. Zeikus在《微生物学年鉴》（1980年）第一卷中关于“厌氧菌生产化学和燃料”章节中的理论，认为厌氧消化过程分为4个阶段：水解、酸化、乙酸化和产甲烷，见图1。污泥厌氧发酵产生VFA的过程主要关注的是前两个阶段，水解和酸化阶段，以获得更多的VFA积累。研究表明，采用高温处理、超声破碎等方法可以促进水解过程来提高污泥发酵产酸的能力。

2 污泥厌氧发酵产酸的影响因素

2.1 pH值

剩余污泥厌氧发酵反应过程中的pH对VFA的生产至关重要，其主要通过影响酶的活性来直接影响微生物的生长繁殖。研究发现，碱性环境下更有利于混合污泥产酸，其中产酸量在pH=10.0时达到最大。

2.2 温度

温度通过影响微生物的生长代谢及酶的活性，进一步影响剩余污泥产酸的过程。随着温度的增高，剩余污泥水解产生的溶解性蛋白质和溶解性碳水化合物就会越多，VFA的积累量就会增加。

2.3 污泥停留时间

污泥停留时间是厌氧消化反应器运行的重要参数。SRT越长，越有益于剩余污泥的水解;但是如果SRT太长，便会使导致发酵液中有機酸的消耗，不利于VFA的累积。在连续流反应器中，在pH=10的条件下，SRT从4 d增加到12 d时，与短链脂肪酸的产量浓度呈线性关系，但是当SRT进一步增加到16 d时，发酵液中VFA浓度下降。由此可知在一定范围内，SRT的增加可以促进VFA的累积[4，5]。

3 利用污泥进行菌群驯化合成PHA

3.1 PHA的性质

近年来，前人发现的PHA的组成单体已达150多种。根据单体中碳原子的数目，可以将PHA分为三类，具体常见单体类型如表1所示。

PHA不同单体的物化性能和机械性能存在较大差别，为了得到更符合需求的生物可降解塑料产品，有许多专家学者针对其不同单体的性能进行了大量研究。PHB在某些性能上与热塑性材料类似，但脆性较高、延展性较差，极大地限制了PHB的应用范围。而将PHV与PHB混合形成共聚物PHBV可以极大地改善PHB的物化性能。研究发现，PHBV中PHV的相对含量越高，共聚物的熔点越低、韧性越好，更有利于热加工处理。通过将PHA与传统塑料（以聚丙烯为例）物化性能进行比较（表2）可知，PHA的部分单体类型可以很好地代替传统塑料，促进生物降解塑料在商业领域的推广。为了得到更多性质优良的PHA单体，通过大量试验发现，偶数碳的短链脂肪酸有利于合成P（3HB），奇数碳的短链脂肪酸有益于合成PHV。

3.2 菌种合成PHA的环境影响因素

混合菌群的驯化过程是合成PHA的关键步骤，其目的主要是针对PHA合成能力和PHA合成效率进行筛选。而影响混合菌群驯化的因素主要是底物类型和驯化条件。

3.2.1 碳源种类。底物中碳源种类和比例的不同，会直接影响到菌群的合成效率，同时也会影响到PHA的产量和结构组成。有许多研究者针对单一某种VFA作为碳源时，对PHA合成率影响做了详细的试验对比。Pijuan等人[6]通过对比碳源（乙酸、丙酸、丁酸和葡萄糖）时发现，当以乙酸作为碳源时，PHA的产率最高;而葡萄糖为碳源时最低。在以丙酸作为碳源时，其单体主要为PHV。Jia等人[7]通过试验对比四种VFAs组分，得到PHA的合成率由小到大依次为乙酸、丁酸、丙酸、戊酸。说明污泥复合菌群会优先利用偶数碳酸和碳原子数较少的酸，同时，丙酸可以有效提高PHA产品中的PHV比例，这对以后改善产品性能提供有利的帮助。然而，郝就笑[8]在其试验研究中，分别利用以戊酸、乙酸为主的底物对污泥混合菌群进行驯化，得到的以戊酸为主的发酵液培养的PHA菌群的PHA的合成和微生物的生长代谢水平均高于乙酸型。由于该试验前期利用戊酸型发酵液对复合菌群进行驯化，得到的菌群对奇数碳具有偏好性。综上所述，利用污泥筛选菌群合成PHA具有适应能力强、可塑性强的特点，可以通过调整驯化底物中不同VFA的浓度和比例来提高PHA中3HV和3H2MV单体的占比。

3.2.2 氮磷等营养元素浓度。PHA是菌群在不利的生长条件下作为碳源和能量存储、氧化还原调节剂和冷冻保护剂维持细胞生存的物质，当氮磷等营养元素过于丰盛时，PHA合成菌就会将更多的营养物质用于微生物的生长繁殖，而不是合成PHA。但是过分抑制氮磷等营养元素浓度，不但不能保证菌群在驯化和培养期间有足够的生物量和生物活性，而且容易引发严重的污泥膨胀问题，影响PHA的产率。因此，控制合适的碳氮比和碳磷比是保证微生物既能够正常生长又不影响PHA合成的关键。

Cavaille等[9]研究发现，当碳磷比为从290改变到667时，PHA合成量增加了2.7倍，进一步提高对磷的限制水平，当碳磷比为1 024时，剩余污泥积累的PHA含量迅速增加到为58%。陈玮等[10]也有类似的发现，在厌氧条件下分别处于碳氮比为125 和碳磷比为250两种限制条件时，PHA的最大积累量分别达到57%和26%;而在好氧条件下，在碳氮比为200和碳磷比为500的条件时，最大的PHA合成量达到61%和33%。

3.2.3 丰盛-饥饿比。好氧瞬时进料（Aerobic Dynamic Feeding， ADF）工艺，也称丰盛-饥饿模式（Feast and Famaine， FF）。由于ADF工艺的PHA合成率高、运行成本低，因此在PHA的合成工艺中，它是最普遍、最有发展前景的工艺流程。ADF工艺的代谢过程是通过控制进料底物浓度，使微生物可以在底物丰富时储存能量;在底物匮乏时分解PHA获取能量维持细胞代谢，进而筛选出能够高效利用碳源合成PHA的优势菌种。其中，丰盛-饥饿比（Feast-to-Famine Ratio，简称F/F）代表了选择压的大小，能够调控菌群中微生物的生长和PHA合成之间的关系，也能影响PHA合成菌和非PHA合成菌的相对比例。驯化过程的成败很大程度上依赖于一个合适的F/F。

4 利用剩余污泥发酵液产PHA的研究进展

在SBR反应器中，利用剩余污泥中混合菌群与污泥发酵液相耦合，使PHA在合成菌内部合成，最后利用细胞破碎提取PHA。试验表明，采用60 ℃高温和碱性条件得到的剩余污泥发酵液，将其冷却至21 ℃，利用污泥混合菌群，采用在好氧条件下多次补料的方式合成PHA，得到最大PHA的产量达细胞干重的56.5%[10]。

由于PHA菌群会对不同VFA的存在选择性利用，在菌群前期驯化时，可以培养PHA合成菌对底物中的奇数碳酸的偏好性。郝就笑 [8]利用戊酸型污泥发酵液直接用于PHA菌群驯化和批式PHA合成过程。由于，在驯化菌群阶段戊酸浓度占据主导，在序批式反应合成PHA的过程中，菌群对戊酸的平均吸收速率明显高于乙酸、丁酸等其他VFA。该试验是首次发现在混合菌群PHA合成过程中，奇数碳酸的利用优先于偶数碳酸。这个发现也表明，底物中VFA的利用顺序和利用程度与驯化PHA菌群所用的底物密切相关，由此体现了PHA菌群对VFA吸收的灵活性。试验得到PHA的最大浓度为1.30 g/L，PHA的最大合成率为42.31%。

利用剩余污泥发酵液合成PHA的方法工艺是一种集废水资源化、剩余污泥减量、PHA资源再利用为一体的可持续生产工艺。该过程中剩余污泥不但是作为混合菌种的来源，而且是作为底物来源而存在的，是一种环保高效、经济实用的PHA合成技术，真正做到了污泥的减量化和资源化。但是，该工艺目前的底物转化效率仍然较低，存在污泥膨胀等一系列问题，如果要应用到实际工业中还需要进一步的研究优化，提高PHA的产量。

5 结语

本文分析总结了利用剩余污泥产PHA的大致流程及方法。选择利用剩余污泥合成PHA，既能变废为宝，综合治理环境污染，又能处理废水，减少剩余污泥量，同时得到生物可降解塑料PHA，是一举多得的研究方向。利用剩余污泥来生产PHA，不仅降低无菌操作的要求，丰富了碳源选择，而且符合当下废物资源化的理念。但是，目前污泥厌氧发酵合成PHA的工艺在中试和实际场地的应用还比较少，需要进一步优化试验方案步骤，扩大运行规模和时间，以适应大规模的工业生产。

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