源分离废物流中高纯度挥发性脂肪酸的回收：混合培养发酵与膜技术的概念验证

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【字体：大中小】 时间：2025年07月03日 来源：Environmental Technology & Innovation 6.7

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　　本研究针对有机废弃物资源化利用难题，创新性地采用混合培养发酵和纳滤/反渗透(NF/RO)膜技术联用方案，从源分离的黑水和餐厨垃圾中高效回收高纯度挥发性脂肪酸(VFAs)。研究发现黑水在初始pH 9条件下VFA产率高达0.82±0.03 gCOD/gCODfed，且乙酸占比达93%；通过NF/RO联用成功实现VFA纯化浓缩，浓度提升3倍。该研究为废弃物增值转化提供了可持续技术路径。

在全球推进循环经济的背景下，如何将废弃物转化为高附加值化学品成为可持续发展的重要课题。挥发性脂肪酸(VFAs)作为平台化学品，在生物塑料、生物燃料等领域具有广泛应用，但目前主要依赖石油化工生产。源分离的有机废弃物如黑水(包含粪便、尿液等)和餐厨垃圾富含有机质，但传统厌氧消化技术仅关注沼气生产，未能充分挖掘其资源价值。更关键的是，现有研究对废弃物衍生VFAs的分离纯化关注不足，难以满足工业应用对高纯度产品的需求。

瑞典皇家理工学院的研究团队在《Environmental Technology》发表创新研究，系统评估了黑水与餐厨垃圾的VFA生产潜力，并开发了膜分离纯化工艺。研究采用混合培养发酵技术，在35°C下运行15天批次反应器，比较不同初始pH(5和9)条件下的VFA产率；运用16S rRNA基因测序分析微生物群落；采用NF270、NF90、XUS1207纳滤膜和BW30反渗透膜进行VFA分离纯化，通过COD(化学需氧量)和GC-FID(气相色谱-火焰离子化检测器)分析产物特性。

在VFA生产方面，黑水展现出显著优势。初始pH 9条件下，黑水VFA产率达0.82±0.03 gCOD/gCOD_fed，是餐厨垃圾(0.36±0.02)的2.3倍。微生物分析揭示黑水发酵以Atopostipes(相对丰度51%)和Bacteroides(40%)为主导菌属，而餐厨垃圾则以Clostridium_sensu_stricto(58%)和Romboutsia(37%)为主。特别值得注意的是，黑水衍生的VFAs中乙酸占比高达93%，而餐厨垃圾VFAs组成受pH显著影响：pH 5时丁酸占76%，pH 9时丙酸占52%。

膜分离技术展现出卓越的纯化能力。NF270膜在pH 4时对乙酸截留率仅11±2%，产生纯度81%的渗透液(1539 mgCOD/L)。通过BW30反渗透膜进一步浓缩，VFA浓度提升3倍至5131 mgCOD/L，同时乙酸占比维持在88%。研究首次证实NF/RO联用技术可有效分离废弃物衍生的单一VFA组分。

该研究具有三重创新价值：首次系统评估黑水作为VFA生产基质的优越性，揭示了pH对微生物群落和VFA组成的调控机制，开发了高效的膜分离纯化工艺。经济分析显示，该技术路线可实现€3.9/m³的净收益，为有机废弃物资源化提供了兼具环境效益与经济效益的解决方案。未来研究可优化连续发酵-膜分离耦合系统，进一步提升VFA产率和纯度，推动废弃物生物精炼技术的工业化应用。

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