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剩余污泥厌氧发酵产挥发性脂肪酸：机理、影响因素与应用前景探究

一、引言

1.1研究背景

随着全球城市化和工业化进程的加速，污水处理的需求与日俱增。作为污水处理过程中不可避免的“副产品”，污泥的产量也随之急剧增长。据统计，我国城镇污水处理厂污泥产量已突破6000万吨（以含水率80%计），预计2025年将达到8000万吨。大量剩余污泥的产生给环境带来了沉重的负担，其处理与处置已成为污水处理领域亟待解决的关键问题。传统的污泥处理方式，如填埋、焚烧等，存在诸多弊端。污泥填埋不仅占用大量宝贵的土地资源，还可能导致土壤和地下水污染；污泥焚烧则面临着二次污染风险高、能源浪费等问题，同时，建设和运营焚烧设施的成本也相对较高。因此，寻求一种更加环保、高效且经济的污泥处理方法迫在眉睫。

厌氧发酵产挥发性脂肪酸（VolatileFattyAcids，VFAs）技术作为一种新兴的污泥处理与资源化利用途径，受到了广泛的关注。挥发性脂肪酸是污泥厌氧发酵过程中的重要中间产物，其碳原子数通常在10以下，具有挥发性且易溶于水。在厌氧发酵的液化产酸阶段，挥发性脂肪酸是主要产物，其中乙酸的占比在某些条件下可高达80%。这些挥发性脂肪酸不仅是生物代谢的重要中间或最终产物，还具有广泛的应用价值。在污水处理领域，挥发性脂肪酸可作为脱氮除磷微生物优先利用的有机碳源，有效解决部分污水处理厂进水中碳源不足的问题，从而提高污水的处理效果；在化工领域，挥发性脂肪酸可作为原料用于生产化学品和燃料，实现资源的循环利用。

1.2研究目的与意义

本研究旨在深入揭示剩余污泥厌氧发酵产挥发性脂肪酸的规律，系统分析影响发酵过程的关键因素，通过实验研究和理论分析，优化厌氧发酵工艺条件，提高挥发性脂肪酸的产量和品质。具体而言，本研究将探究不同预处理方法、发酵条件（如温度、pH值、底物浓度等）以及微生物群落结构对剩余污泥厌氧发酵产挥发性脂肪酸的影响机制，建立相应的数学模型，为工艺优化提供理论依据。通过本研究，有望为污泥资源化利用提供切实可行的理论支持和技术参考，推动厌氧发酵产挥发性脂肪酸技术在实际工程中的广泛应用。从环境角度来看，该技术可实现污泥的减量化、无害化和资源化处理，有效减轻污泥对环境的污染；从经济角度而言，挥发性脂肪酸的回收利用可创造一定的经济效益，降低污泥处理成本，实现环境效益与经济效益的双赢；从资源角度出发，污泥作为一种潜在的资源，通过厌氧发酵转化为挥发性脂肪酸，可实现资源的循环利用，符合可持续发展的理念。

1.3国内外研究现状

国内外学者在剩余污泥厌氧发酵产挥发性脂肪酸领域开展了大量的研究工作，并取得了一系列重要成果。在预处理技术方面，为了提高VFAs产量，国内外学者对污泥预处理工艺进行了大量研究。张闻多等研究了3种碱对剩余污泥热碱预处理效果以及厌氧发酵产酸的影响，结果显示：氢氧化钠的预处理效果优于混碱和过氧化钙，处理后污泥中溶解性化学需氧量（SCOD）是预处理前的8.45倍，水解率达到64.26%。北京林业大学房玮等人提出了一种柠檬酸联合热的预处理方法，研究结果表明，剩余污泥经联合预处理(0.3g-柠檬酸/g-TSS+121℃，30min)后进行厌氧发酵，其VFA产率最高为354.5mg-COD/g-VS，分别是未处理、单独柠檬酸和单独热预处理组VFA产率的16.4倍、6.0倍和2.0倍。在发酵条件优化方面，有研究通过实验比较，确定了最佳的发酵条件为反应器温度为35℃、pH值为7.0、COD/N比为4以及初始挥发性固体（VSS）浓度为20g/L，在此条件下，剩余污泥的VFA产生量得到了显著提高，VFA的产量从15.6mmol/L提高到了22.3mmol/L。在微生物机理研究方面，相关研究表明，污泥厌氧水解发酵是由多种发酵细菌协同合作完成的，最主要的两大菌属为拟杆菌属和梭状芽孢杆菌属。

尽管已有研究取得了一定进展，但当前研究仍存在一些不足和待解决问题。部分预处理技术虽然能够提高挥发性脂肪酸的产量，但可能存在成本较高、操作复杂或对环境有潜在影响等问题；对于发酵过程中微生物群落结构的动态变化及其与挥发性脂肪酸产量之间的内在联系，尚未完全明确；不同地区剩余污泥的性质差异较大，现有的研究成果在实际应用中的普适性有待进一步验证。本研究将针对这些问题展开深入探讨，以期为剩余污泥厌氧发酵产挥发性脂肪酸技术的发展和应用提供新的思路和方法。

二、剩余污泥厌氧发酵产挥发性脂肪酸的基本原理

2.1厌氧发酵过程

剩余污泥厌氧发酵是一个复杂的微生物代谢过程，涉及多种微生物的协同作用，目前被广泛接受的是三阶段理论，即水解发酵阶段、产氢产乙酸阶段和产甲烷阶段。

在水解发酵阶段，剩