《Journal of Water Process Engineering》：From waste to resource: A strategy from carbide slag to enhance volatile fatty acid production in sludge fermentation
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碳化渣调控碱性发酵提升废活性污泥挥发性脂肪酸产量的机制研究。通过添加碳化渣将发酵pH调至8.0-12.0，发现pH11时VFA产量达330.5 mg-COD/g-VSS，较对照组提升8.4倍，同时抑制甲烷生成。碳平衡分析表明VSS主要转化为可溶性蛋白、碳水化合物及VFA。Bacillus、Proteiniclasticum和Acetoanaerobium富集显著促进产酸。该研究为废活性污泥资源化利用提供新方法。
Xue Tao|Siyuan Qiu|Songxian Yan|Guangming Zhang|Wenxiu Zou|Longyi Lv|Jinsong Liang
中国贵州仁怀市茅台研究院蒸馏酒糟综合利用工程研究中心，邮编564507
摘要
为了提高厌氧发酵过程中废活性污泥（WAS）中挥发性脂肪酸（VFA）的产量，本研究首次探讨了通过添加碳化渣来调控发酵环境的碱性发酵效果。碳化渣将发酵液的pH值分别调整至8.0、9.0、10.0、11.0和12.0。在pH值为12.0时，可溶性化学需氧量（SCOD）达到最高值8161.50 mg/L。与碳水化合物的溶解相比，碳化渣显著促进了蛋白质的溶解。pH值为11.0时，酸生成阶段VFA的浓度最高，最大VFA产量为330.5 mg-COD/g挥发性悬浮固体（VSS），比对照组提高了8.4倍。同时，在碱性发酵环境下甲烷的产生受到显著抑制。根据碳平衡分析，随着碳化渣添加量的增加，VSS含量下降，减少的VSS主要转化为可溶性蛋白质、可溶性碳水化合物、VFA和甲烷。其中，Bacillus、Proteiniclasticum和Acetoanaerobium等微生物的有效富集是碱性发酵中VFA高产的关键因素。本研究表明，碳化渣可作为替代传统碱性化学物质的pH调节剂，为厌氧污泥发酵生产VFA提供新的技术途径。
引言
市政污水处理厂（WWTPs）会产生大量废活性污泥（WAS），中国每年产生的污泥量超过5000万吨（按固体含量20%计算），到2025年全球污泥产量预计将达到约1亿吨[1]。污泥处理成本占整个污水处理厂总成本的近一半[2]。WAS中含有较高的有机物含量，如碳水化合物、蛋白质和脂质，通常占总固体的60%以上[2]。这些有机物可以转化为高附加值的化学品或生物能源，如挥发性脂肪酸（VFAs）、甲烷、乙醇等[3]。利用厌氧发酵生产VFAs是目前最广泛采用的WAS处理技术[4]。富含VFAs的发酵液可用作污水处理厂中氮和磷去除的外源碳源，也可作为可降解生物塑料、生物能源和长链脂肪酸生产的原料[5]。在厌氧污泥发酵过程中，与污泥有机物分解相关的水解反应是限速步骤，随后在酸生成阶段产生VFAs，甲烷生成菌则消耗VFAs进行甲烷生产[6]。厌氧污泥发酵生产VFAs的研究日益受到关注，因其反应速度快、产物附加值高、效率较高且应用范围广泛[7]。
然而，WAS在厌氧发酵过程中通常难以被有效水解，尤其是细胞内的有机物难以被微生物利用[8]。目前采用了一些预处理方法来破坏WAS结构，促进其水解[9]。其中，碱性预处理能有效破坏WAS的絮凝结构，将其分解为更小的分子，并通过提高pH值抑制甲烷生成菌的活性[10][11]。传统的碱性试剂如氢氧化钠（NaOH）和石灰常用于调节发酵pH值。Zhang等人的研究证明，添加NaOH的碱性发酵可提高污泥的分解程度，使VFA产量达到3431 mg/L[12]；Jin等人比较了两种碱性物质对污泥发酵产VFA的影响，发现NaOH处理下的VFA产量为232 mg COD/g VSS[13]。碱性发酵中VFA产量增加的原因是碱性试剂促进了WAS的分解，加速了有机物的水解，为酸生成提供了更多可降解的底物[14]。同时，碱性发酵还抑制了甲烷生成菌的生长，进一步增加了VFA的积累[15]。但碱性发酵的化学成本较高，导致污泥处理成本上升。因此，需要寻找廉价且有效的替代品来替代传统的纯碱性试剂。
碳化渣是电石水解生产乙炔过程中的副产物，中国每年产生的碳化渣量约为2000万吨，但仅有少量得到再利用[16][17]。碳化渣中含有超过60%的氧化钙（CaO），具有强碱性，通常被直接丢弃。为拓宽碳化渣的用途，一些研究者将其用于二氧化碳吸附、酸性溶液中和以及水泥生产[18]。目前，碳化渣已被用作生物质废弃物水解的预处理剂，从而提高VFAs的产量[19][20]。碳化渣释放的Ca2+有助于污泥沉降和脱水[21]。因此，碳化渣有望改善WAS的水解效果，释放更多可溶性有机物，促进VFA的产生。然而，目前尚不清楚碳化渣添加对碱性污泥发酵产VFA的具体影响。
因此，本研究首次将碳化渣作为pH调节剂应用于WAS的碱性厌氧发酵中。研究目的包括：（1）评估碳化渣添加对碱性污泥发酵pH调节的可行性；（2）确定碳化渣添加的最佳pH值以促进VFA积累；（3）研究碱性污泥发酵过程中可溶性有机物和甲烷的动态变化，并分析碳平衡；（4）探究碱性污泥发酵的微生物群落。本研究有望开发出提高WAS发酵产VFA的方法，并拓展碳化渣的应用领域。
材料
实验所用WAS取自中国北京的某污水处理厂。使用前，WAS先在4°C下浓缩一天。接种物来自中国安徽某市政污水处理厂的厌氧消化池。WAS和接种物的具体特性见表S1。其他化学品均为分析级，购自北京化工集团有限公司。
碳化渣来自中国湖南，经研磨并通过325目筛网筛选后用于实验。
SCOD浓度变化及溶解性能
WAS中的颗粒有机物首先转化为可溶性有机物，包括可溶性蛋白质和碳水化合物[26]。SCOD是反映污泥溶解程度的关键指标。图1(A)显示了发酵过程中SCOD浓度的变化情况。显然，SCOD浓度受到碳化渣添加引起的发酵pH值的显著影响，随着pH值的升高而增加，这可能是由于污泥颗粒在碱性条件下发生溶解所致。
结论
碳化渣的添加促进了厌氧污泥发酵过程中的污泥溶解和酸生成。最佳发酵pH值为11.0，此时VFA产量最高，为330.5 mg COD/g VSS。在所有pH值条件下，乙酸和丙酸是主要成分，占总VFAs的63%以上。碳平衡分析表明，随着碳化渣添加量的增加，VSS中的碳比例下降。
作者贡献声明
Xue Tao：撰写初稿、数据采集与整理。Siyuan Qiu：撰写与编辑。Songxian Yan：撰写与编辑。Guangming Zhang：撰写与编辑。Wenxiu Zou：撰写与编辑。Longyi Lv：数据可视化、资源准备、概念构建。Jinsong Liang：撰写与编辑、数据可视化、实验设计及监督。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52360020）、仁怀市科技计划（项目编号RKJH[2025]26）、贵州省大学生创新创业培训计划（项目编号S2024146251791）以及仁怀市科技局的科技支持计划（项目编号Renkezhicheng[2020]23）的资助。
