短鏈脂肪酸（SCFAs）應用廣泛，可作為強化生物脫氮除磷過程中的碳源，生產可生物降解塑料，同時可進一步分解為沼氣、氫氣等能源，并用于發電等。目前，人們主要通過化學合成法制取SCFAs，由于化石原料的短缺，生物發酵法引起了研究人員的關注。污水處理廠中，活性污泥法的普遍使用導致了大量剩余污泥的產生，如果處理不當會造成二次污染，已成為城市化進程中的負擔。通過調研發現，可以將污泥進行發酵來制取SCFAs。
為了研究蛋白質和碳水化合物在厭氧發酵過程中對產生SCFAs的影響，前期利用牛血清白蛋白和葡萄糖作為代表性底物，結果表明，在pH為10和5兩種條件下，利用蛋白質產生的SCFAs量要明顯高于利用碳水化合物產生的。張振宇研究了污泥聯合不同基質的厭氧發酵產酸效果，結果發現蛋白質組的產酸效果最佳。可見，蛋白質有很好的產生SCFAs效果，提高底物中蛋白質含量是否能提高產物中SCFAs產量，還有待驗證。秦玉格的研究表明，游離氨（FA）預處理能夠破壞污泥絮體的胞外聚合物和包裹在其中的微生物細胞（膜）壁，促進SCOD的溶出。借助FA的作用，可以節省堿性藥劑投加量。通過模擬不同FA預處理濃度下厭氧發酵各階段，發現FA對產乙酸階段無明顯影響，對水解酸化和同型產乙酸階段只有輕微的抑制作用，對產甲烷階段抑制較嚴重。提高底物中蛋白質含量后，生成的氨氮量也會隨之增加，而由氨氮形成FA的量與系統中pH相關。
餐廚垃圾成分復雜、性質多變，由于每個地區飲食結構不同，導致餐廚垃圾的性質發生變化。直接用于厭氧發酵，即使是相似的研究，得出的結果也往往不盡相同。因此，有必要對餐廚垃圾主要代表性組分的發酵性能進行研究。餐廚垃圾有機物中主要有三種成分：蛋白質、碳水化合物和脂質，筆者關注的是蛋白質類餐廚垃圾，即經過測定后，若蛋白質含量最高，就屬于這一類垃圾。將蛋白質類餐廚垃圾添加到污泥中，可以在性質上形成互補，實現兩種廢棄物的集中處理，發揮規模效應。筆者通過提高底物中蛋白質含量來產生更多的SCFAs，并篩選出強化SCFAs產生的最佳pH條件，旨在為環境中有機固廢的資源化利用提供思路。
1、材料與方法
1.1 混合底物和剩余污泥的初始特性
蛋白質類餐廚垃圾不僅蛋白質含量豐富，而且含油量和含鹽量較高。為了減少干擾，采用豆腐進行實驗，豆腐中富含植物蛋白，符合實驗要求。剩余污泥取自天津市某污水處理廠二沉池。反應瓶中的總固體（TS）質量為10g。在混合底物中，因為蛋白質類餐廚垃圾和污泥有機物中都含有比較豐富的蛋白質，所以將兩者按TS質量比為1∶1進行混合，混合底物和剩余污泥的pH分別為5.9±0.08、6.0±0.12，含水率分別為（96.60±0.35）%、（97.98±0.25）%，TS含量分別為（3.45±0.18）%、（1.79±0.42）%，揮發性總固體（VS）含量分別為（2.54±0.15）%、（0.89±0.17）%，總化學需氧量（TCOD）分別為（1172.32±54.44）、（780.77±155.89）mg/gTS，溶解性化學需氧量（SCOD）分別為（69.56±8.29）、（4.50±0.87）mg/gTS，總蛋白質（TPN）分別為（642.09±50.14）、（389.13±79.82）mg/gTS，溶解性蛋白質（SPN）分別為（7.87±0.53）、（3.00±0.58）mg/gTS，總碳水化合物（TPS）分別為（146.66±5.73）、（101.15±9.57）mg/gTS，溶解性碳水化合物（SPS）分別為（2.85±0.17）、（0.50±0.08）mg/gTS。
1.2 間歇式發酵實驗
將混合物和污泥分別放入500mL錐形瓶中，瓶口用紗布包裹。使用2mol/L的NaOH和HCl溶液將底物pH分別調節為4、6、7、8、10，不調節pH組作為空白對照。將反應瓶放入恒溫振蕩器中，在150r/min、35℃條件下反應8d。每隔24h調節1次pH，并于1、3、5、7、8d分別取10mL發酵液，在11000r/min下進行離心，采用0.45μm濾膜抽濾后，立即測定過濾液的SCFAs、SCOD、SPN、SPS。
1.3 分析項目及檢測方法
TS和VS采用重量法測定，TPN采用凱氏定氮法測定，SPN采用Folin-酚法測定，TPS和SPS采用蒽酮法測定，TCOD和SCOD采用重鉻酸鉀法測定。SCFAs采用氣相色譜儀測定，載氣為氮氣，使用氫火焰離子化檢測器（FID），進樣口和檢測器溫度分別為200和220℃，柱溫采用程序升溫，在45℃下運行1min，然后按照10℃/min的速率升溫到160℃，保持此溫度運行3min，再以30℃/min的速率升到230℃，保持運行5min，色譜柱采用毛細管色譜柱（60m×0.25mm×1.4μm），液體進樣量為1μL，采用外標法進行定量。
2、結果與討論
2.1 SCFAs產量分析
pH和發酵時間對SCFAs產量的影響如圖1所示。可知，對于這兩種不同的底物，堿性條件下的SCFAs產量要明顯高于酸性條件下的，混合底物和單獨污泥都在pH為10時達到最大值，分別為215.9和35.5mgCOD/gTS。混合底物的最大SCFAs產量是單獨污泥的6.1倍，表明了向污泥中添加蛋白質類餐廚垃圾能夠明顯提高SCFAs產量。
混合底物的SCFAs產量在第5天之后快速下降，可能存在產甲烷菌的消耗。實驗過程中每天只調節1次pH，即使在pH為10的反應組，pH也可能下降到適宜產甲烷菌生存的環境。苑宏英采用剩余污泥作為發酵底物，最大揮發性脂肪酸（VFAs）產量達到2770.4mgCOD/L（200.6mgCOD/gTSS），而本實驗中，混合底物最大SCFAs產量只有215.9mgCOD/gTS，可能是被產甲烷菌代謝掉了。
2.2 強堿性條件下SCFAs的產生機理
底物的溶出效果可以通過SCOD的變化來反映，混合底物和單獨污泥的溶出情況如圖2所示。兩者都在pH為10時達到最大SCOD/TCOD值，從單獨污泥的13.87%上升到混合底物的29.38%，表明混合底物中有機物更容易被釋放出來，即添加的蛋白質類餐廚垃圾更容易被溶出。
TCOD主要是由TPN和TPS組成，對于混合底物和單獨污泥，TPN含量都要遠高于TPS，TPN/TPS值從單獨污泥的3.85上升到混合底物的4.38。可見，兩種底物的有機物中都以TPN為主，向單獨污泥中添加蛋白質類餐廚垃圾后，混合底物中蛋白質含量會進一步增加。然而，TPN/TPS值僅僅提高了0.53，對蛋白質含量的提高有限。不過以TPN為主的蛋白質類餐廚垃圾有很好的溶出效果，添加后增加了底物中易于被利用的蛋白質含量。前期研究表明，蛋白質比碳水化合物有更好的產酸效果，從而極大地提高了SCFAs產量。
與水解發酵相關的微生物對pH適應性很強，可以在pH為3~10范圍內順利進行反應，當pH調為10時，微生物活性并不是最高，不是SCFAs產量大量增加的主要因素。因此，pH為10反應組SCFAs產量大量增加，可能并不是由微生物的高活性導致的。對于這兩種底物，pH為10反應組SCOD含量均高于其他反應組，與圖1中SCFAs產量保持一致。這表明，強堿性條件有利于有機質從固相轉移到液相，可為后續發酵產酸細菌提供底物，從而產生大量SCFAs。
2.3 pH為10時混合底物中SCFAs的組成
對于混合底物，pH為10反應組的SCFAs產量明顯高于其他反應組，其中，SCFAs組分含量和所占比例隨時間的變化如圖3所示。乙酸是SCFAs最主要的成分，在總SCFAs中所占比例始終保持在50%左右。乙酸可以通過乙酰輔酶A轉化生成，也可以由其他SCFAs通過產氫產乙酸菌的作用生成。發酵前5d，丙酸含量僅低于乙酸，且第3天達到最大值，后期不斷降低，沒有積累。這可能與實驗采用紗布包口的錐形瓶作為反應器有關，產生的H2可以逸出來，不會提高系統的H2分壓，這樣也就不會對丙酸代謝產生抑制。對于異丁酸、正丁酸、異戊酸、正戊酸這4種脂肪酸而言，無論在含量還是所占比例方面，都比較低。這可能是由于系統中產氫產乙酸菌活性較高，將其代謝掉了。SCFAs的種類和含量對其后續利用至關重要，例如：將SCFAs用于補充反硝化脫氮過程中所需的碳源。由于利用SCFAs的優先順序為：乙酸>丁酸>丙酸，因此，實驗所得發酵液有利于后續應用。
3、結論
蛋白質類餐廚垃圾中含有豐富的、易于被利用的蛋白質，添加到污泥中以后可以明顯提高混合底物的SCFAs產量。強堿性條件能夠保證最佳的產酸效果，pH為10反應組在第3天達到最大SCFAs產量，為215.9mgCOD/gTS。其中，乙酸占總SCFAs的比例為49.7%，丙酸占24.1%。（來源：天津城建大學環境與市政工程學院，天津市水質科學與技術重點實驗室）
