零价铁与过碳酸钠协同调控提升厨余垃圾厌氧发酵产挥发性脂肪酸（VFAs）的性能与机制探究

为解决厨余垃圾（FW）厌氧发酵产挥发性脂肪酸（VFAs）受底物难降解和酸抑制限制的问题，研究人员开展了过碳酸钠（SPC）和零价铁（ZVI）协同调控的研究。结果显示协同调控显著增产 VFAs，揭示了其作用机制。该研究为 FW 资源回收提供策略。

　　随着经济发展和人口增长，厨余垃圾（FW）的产生量日益增加。据统计，FW 约占城市固体废物的三分之一，预计到 2025 年将达到 22 亿吨，年增长率为 4.4%。传统的填埋、焚烧等处理方式，不仅占用大量土地资源，还会排放温室气体，对环境造成诸多不良影响。而厨余垃圾含有丰富的有机物，通过有效的处理策略从中回收有价值的资源和能源，成为了极具吸引力的选择。

在众多处理方法中，将厨余垃圾厌氧生物转化为挥发性脂肪酸（VFAs）备受关注。VFAs 包括乙酸、丙酸、异丁酸等多种物质，它们在生物脱氮除磷、微生物燃料电池发电、合成复杂聚合物等方面有着广泛的应用，能带来可观的经济和生态效益。然而，厨余垃圾直接发酵生产 VFAs 的效率并不高。一方面，快速水解和酸化会导致发酵体系的 pH 值急剧下降，当 pH 值低于 3 时，发酵细菌的活性会受到抑制；另一方面，厨余垃圾中复杂底物的生物降解性较差，进一步限制了 VFAs 的产量。为了提高 VFAs 的产量，以往的研究尝试了添加碱调节 pH 值或采用高级氧化技术提高底物生物降解性，但这些方法往往只针对单一限制因素，效果不尽如人意。

在此背景下，安徽工业大学的研究人员开展了一项关于过碳酸钠（SPC，如 Na₂CO₃·1.5H₂O₂）和零价铁（ZVI）协同调控对厨余垃圾厌氧发酵产 VFAs 影响的研究。该研究成果发表在《Bioresource Technology》上，为优化厨余垃圾回收 VFAs 提供了新的策略。

研究人员主要采用了以下关键技术方法：以安徽工业大学食堂的厨余垃圾和当地污水处理厂的污泥为实验材料，通过控制变量法，设置不同 SPC/ZVI 比例和剂量的实验组，测定发酵过程中 VFAs 产量、底物溶解性、生物降解性等指标，并分析微生物群落结构和功能基因的变化。

研究结果如下：

• 不同 SPC/ZVI 比例对 VFAs 产量的影响：研究发现，对照组的 VFAs 产量最高仅为 3986.4mg COD/L，而 SPC/ZVI 协同调控显著提高了 VFAs 的产量，且产量受两者比例的影响较大。当 SPC/ZVI 比例为 1:2 时，VFAs 浓度最高可达 10179.9mg COD/L；进一步提高比例，产量还会增加。
• SPC/ZVI 协同调控提升 VFAs 产量的机制：SPC/ZVI 处理通过原位芬顿反应（Fe²⁺ + H₂O₂ = Fe³⁺ + OH^? + HO?）增强了发酵底物的溶解 / 水解和生物降解性，同时缓解了酸抑制。这一过程促进了功能性细菌（如 Megasphaera 和 Clostridium）的富集，刺激了参与 VFAs 生物合成的关键代谢途径和基因表达（如 fabG 和 por）。
• 厌氧菌在 SPC/ZVI 协同调控下的适应策略：功能性细菌激活了应激防御系统（如 katG 和 kdpA），有效抵抗了酸和氧化应激，维持了代谢活性，从而保障了 VFAs 的持续产生。

研究结论表明，SPC/ZVI 协同调控能有效促进厨余垃圾发酵生产 VFAs。添加 5g/L SPC/ZVI 后，总 VFAs 产量相比对照组增加了 6.1 倍，且长链 VFAs 的比例更高。该研究不仅揭示了 SPC/ZVI 协同调控提升 VFAs 产量的作用机制，还为厨余垃圾的高效资源化利用提供了理论依据和实践指导，在解决厨余垃圾处理难题、实现资源回收利用方面具有重要的意义。