过碳酸钠在缓解乳酸抑制作用及提升酸性食物废弃物厌氧消化过程中系统性能方面的效果

《Journal of Environmental Management》：Effect of sodium percarbonate in mitigating lactic acid inhibition and enhancing system performance during anaerobic digestion of acidified food waste

本研究探讨过碳酸钠（SPC）对酸化食品废弃物厌氧消化的调控机制。结果表明，SPC显著提高SCFAs产量（达15,431.60 mg COD/L，为对照组42.41倍），通过淬灭实验证实其活性氧物种（·CO3?和·O2?）促进有机酸降解及微生物群落结构优化，从而改善酸化抑制，为资源回收提供新策略。

　　

Xudong Wang | Mengyu Chen | Xuzhi Zhang | Xiao Han | Yansong Hu | Xin Wang | Xianguo Li | Dahai Zhang

教育部海洋大学海洋化学理论与技术重点实验室，中国青岛，266100

摘要

随着城市化进程的加快，食物垃圾处理成为了一个紧迫的环境问题，而其资源回收效率受到酸化作用的阻碍。本研究使用过碳酸钠（SPC）来处理酸化的食物垃圾。结果表明，SPC使厌氧消化过程中短链脂肪酸（SCFAs）的产量从363.89 ± 11.55 mg COD/L（对照组）增加到15,431.60 ± 329.94 mg COD/L（0.4 g/g TSS）。淬火实验表明，CO₃·^–和·O_{2^?是SPC中促进SCFAs生成和乳酸降解的主要活性物质。高通量测序分析显示，SPC预处理增强了参与厌氧消化的功能性微生物群落的多样性和丰度。宏基因组分析进一步证明，预处理增加了与有机物代谢、三羧酸循环、产酸作用和产甲烷模块相关的基因表达，从而提高了厌氧消化的效果。本研究阐明了SPC对酸化食物垃圾厌氧消化的影响机制，为优化废物资源回收提供了有价值的见解。}

引言

食物垃圾（FW）是城市固体垃圾的重要组成部分，其产生量正在迅速增加。统计数据显示，全球食物垃圾产量已超过10亿吨，过去十年增长了44%（Wang等人，2024a）。预计到2026年底，中国的食物垃圾产量将达到约1.81亿吨（Yuan，2022）。食物垃圾富含有机物和水分，极易被微生物分解。在分解过程中，会释放出氨气和硫化氢等有异味的气体，这些气体可能污染环境并对人体呼吸系统和神经系统造成危害（Zhang等人，2023c）。厌氧消化被认为是一种主流且资源高效的处理技术，因为它能产生短链脂肪酸（SCFAs），这些脂肪酸可作为反硝化的有效碳源，同时还能生成甲烷（一种清洁能源）（Cao等人，2019）。

然而，在食物垃圾的收集、运输和储存过程中，长时间的微生物发酵会导致过度酸化，从而降低后续厌氧消化的效果（Ma等人，2018）。其中，乳酸（LA）是主要的酸性产物，在运输过程中其浓度可高达10–20 g/L（Nie等人，2022）。高浓度的LA会迅速降低系统的pH值，抑制厌氧消化中核心微生物群落的活性和生长，对后续的产酸和产甲烷过程产生负面影响（Nie等人，2022）。因此，有效消除或减轻过度酸化对于提高食物垃圾的处理效率和资源回收潜力至关重要。目前主要有四种策略用于控制酸化：添加化学添加剂、优化厌氧消化的关键操作参数、改进工艺配置以及实施共消化技术（Alavi-Borazjani等人，2020）。尽管溶剂萃取、吸附和电渗析等技术可以有效分离LA，但这些方法复杂、能耗高且成本高昂（Hu等人，2017；Zhou等人，2023）。因此，这些方法在处理成分复杂、固体含量高的食物垃圾时存在应用难度。相比之下，添加化学氧化剂（尤其是过碳酸钠（Na₂CO₃·1.5H₂O₂，简称SPC）是一种广泛采用的方法，因为它操作简单且效果直接。SPC易溶于水，形成碱性溶液（pH约10–11），同时释放活性氧（Wang等人，2022b），其最终分解产物仅为水、氧气和碳酸钠（Na₂CO₃），对环境无害且无二次毒性（Wang等人，2024d）。这些独特性质使SPC在固体垃圾预处理中更为有效。SPC释放的活性氧可以调节微生物群落结构，抑制产酸菌的过度增殖，并可能促进复杂有机物的水解（Wang等人，2022b）。此外，SPC通过促进有机酸的降解来稳定系统pH值，为产甲烷菌创造有利条件（Wang等人，2022a）。研究表明，SPC预处理可提高污泥中SCFAs和甲烷的产量（Wang等人，2022a，2022b）。Zhang等人（2025）发现，SPC和零价铁也能提高食物垃圾厌氧发酵过程中SCFAs的产量。然而，现有研究主要集中在非酸化或共消化系统上，忽略了SPC在处理酸化食物垃圾中的作用和机制。由于酸化食物垃圾的产品谱和微生物群落结构与传统底物有根本性差异，现有研究的结果无法直接推广，因此存在较大的知识空白。

因此，本研究旨在系统探讨SPC预处理在减轻LA抑制作用和改善酸化食物垃圾厌氧消化性能方面的效果和机制。评估了SPC剂量和活性自由基对SCFAs产量和LA降解的影响，并从微生物群落结构和代谢途径的角度阐明了其调控机制，为高效处理酸化食物垃圾提供了理论基础和实践指导。

部分内容摘录

食物垃圾、接种物和过碳酸钠

本研究使用的人工模拟食物垃圾由大米（35%）、卷心菜（35%）和豆腐（10%）组成（Wang等人，2024c）。将煮熟的食材与适量超纯水一起研磨以确保均匀。通过添加乳酸来模拟酸化食物垃圾。接种物来自中国青岛某市政污水处理厂的厌氧消化器，该接种物在35 ± 1°C、500 rpm的条件下进行了为期一个月的厌氧处理

SPC预处理对产酸作用的影响

如图1a所示，R1、R2、R3和R4分别在实验第7天、第4天、第3天和第1天进入快速产酸阶段。相比之下，R0在整个实验过程中酸生成量始终较低。实验组中SCFAs的最高浓度分别为12,483.76 ± 155.40 mg COD/L（R1）、13,036.80 ± 249.55 mg COD/L（R2）、14,043.64 ± 214.52 mg COD/L（R3）和15,431.60 ± 329.94 mg COD/L（R4）。此外，SCFAs的产量随SPC剂量的增加而线性增加

结论

本研究探讨了SPC预处理在改善酸化食物垃圾厌氧消化性能方面的效果和机制。结果表明，SPC有效缓解了LA的抑制作用，并显著提高了产酸效率。在0.4 g/g TSS的剂量下，SCFAs的最大产量达到了15,431.60 ± 329.94 mg COD/L，是对照组的42.41倍。此外，随着SPC剂量的增加，LA的降解速率也显著提高

作者贡献声明

Xudong Wang：撰写初稿、方法学设计、实验实施、数据分析。 Mengyu Chen：数据验证、实验实施。 Xuzhi Zhang：数据验证、实验实施。 Xiao Han：数据验证、实验实施。 Yansong Hu：数据验证、实验实施。 Xin Wang：数据验证、实验实施。 Xianguo Li：项目监督、方法学设计。 Dahai Zhang：撰写修订稿、项目监督、资源协调、资金申请。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家海洋养殖生物育种与可持续产品重点实验室（BRESG202311）、国家自然科学基金（42377217）和国家重点研发计划（2023YFC3108400）的资助。