《Bioresource Technology Reports》：Impact of long-chain fatty acids on anaerobic sludge fermentation: Process performance, dewaterability, and microbial shifts under acidic and alkaline conditions
编辑推荐：
本研究考察了油酸（OA）和棕榈酸（PA）在三种浓度（3、7、12 g/L）下对初沉污泥在酸性（pH 5）和碱性（pH 10）条件下厌氧共发酵的影响，评估了生物产氢、挥发性脂肪酸（VFAs）生成、活性氧（ROS）水平以及以毛细吸水时间（CST）表征的发酵污泥脱水
本研究考察了油酸（OA）和棕榈酸（PA）在三种浓度（3、7、12 g/L）下对初沉污泥在酸性（pH 5）和碱性（pH 10）条件下厌氧共发酵的影响，评估了生物产氢、挥发性脂肪酸（VFAs）生成、活性氧（ROS）水平以及以毛细吸水时间（CST）表征的发酵污泥脱水性。结果表明，在pH 5条件下，含长链脂肪酸（LCFAs）的反应器产氢量较对照组提高32.4%–125.1%，其中7 g/L PA效果最佳；而在pH 10条件下产氢受到抑制（降低24.0%–59.4%）。VFAs产量呈现与产氢相反的趋势：pH 5对照组VFAs产量较高（5117 ± 20 mg/L），而含LCFAs批次VFAs降低9%–29%；pH 10下3 g/L OA使VFAs提高26%。ROS水平变化与产氢变化相关：pH 5下含LCFAs批次ROS降低16.8%–57.7%，pH 10下ROS升高18.9%–83.7%。两种pH条件下，LCFAs均导致发酵污泥CST升高、脱水性下降，且随浓度增加而加剧。微生物群落分析显示Firmicutes为所有含LCFAs批次中最优势菌门（49.4%–85.4%），12 g/L OA在pH 5下使Clostridium相对丰度升至37%。研究揭示了pH、LCFAs类型、微生物群落与氧化应激之间的相互作用，强调需优化LCFAs负荷与运行pH以平衡能源回收与下游污泥处理成本。
研究背景：全球人口增长与城市化导致污水产量及污泥产量持续增加，污泥管理占污水处理厂（WWTPs）资本支出的30%–40%和运行费用的50%。厌氧消化（AD）虽为常规污泥稳定化方法，但厌氧发酵因能产生能量密度更高（142 MJ/kg，甲烷为55.5 MJ/kg）的氢气及具有多种工业应用的挥发性脂肪酸（VFAs）而受到关注。富脂废物如油脂（FOG）富含可生物降解脂质，主要成分为甘油三酯和长链脂肪酸（LCFAs），如油酸（OA）和棕榈酸（PA），其COD当量高（约3 g COD/g VS），可作为共发酵底物。然而，高浓度LCFAs会抑制微生物活性，导致污泥上浮、起泡及脱水性下降；OA超过10 g/L、PA超过16 mM可损害甲烷生成。LCFAs的β-氧化依赖低氢浓度以维持热力学可行性，而发酵产氢是pH依赖过程，酸性pH（5–5.5）利于产氢，碱性条件（pH 10）利于VFAs积累，pH还影响LCFAs的转化与微生物抑制程度。此外，发酵后污泥脱水性下降是影响经济性的关键因素，LCFAs可进一步增加蛋白质和腐殖酸生成。目前尚缺乏同时考察pH、LCFAs浓度、氧化应激及发酵污泥脱水潜力的系统研究。基于此，研究人员旨在考察OA和PA在三种浓度下对初沉污泥在pH 5和pH 10条件下厌氧共发酵的影响，评估产氢、VFAs、ROS水平及以CST表征的脱水性，以推进废物资源化技术。
研究方法概述：研究人员采用来自加拿大阿尔伯塔省埃德蒙顿某市政污水处理厂的初沉污泥作为底物、发酵初沉污泥作为接种物，使用16个厌氧批次生物反应器（总体积500 mL，工作体积300 mL），在37 ± 2 °C中温条件下运行15天，食物微生物比（F/M）为2。以OA和PA为模型LCFAs，设置3、7、12 g/L三个浓度，分别在pH 5和pH 10条件下运行，并设未添加LCFAs的对照组及接种物加去离子水的空白组。分析指标包括总固体（TS）、总悬浮固体（TSS）、挥发性悬浮固体（VSS）、总及可溶性化学需氧量（TCOD、SCOD）、总氨氮（TAN）、pH、VFAs（高效液相色谱，HPLC）、CST及ROS。微生物群落采用16S rRNA基因测序（V4区，引物515F/806R，Illumina MiSeq平台），数据经QIIME2流程处理，DADA2去噪，UCLUST以97%相似度聚类操作分类单元（OTUs），基于Greengenes数据库（版本13.8）进行分类注释，并计算Alpha多样性指数。统计分析采用配对t检验（95%置信水平，p < 0.05）。
研究结果：
3.1 生物产氢：通过累积产氢量测定得出，所有反应器均在第一天开始产氢，无明显滞后期。对照组在pH 10下产氢量（275.5 ± 32.5 mL）较pH 5（149.5 ± 26 mL）高84.3%（p = 0.01）。含LCFAs批次在pH 5下产氢显著高于对照，增幅32.4%（p = 0.003）至125.1%（p = 0.03），其中7 g/L PA产氢最高（336.5 ± 90.5 mL）；pH 10下产氢降低24.0%–59.4%，但未达统计学显著。OA在pH 5下随浓度升高产氢持续增加（32.4%、41.8%、80.9%），PA在7 g/L时最佳、12 g/L时增幅回落至52.8%。pH 10下PA随浓度升高抑制作用反而降低（59.3%、50.5%、39.0%），可能与碱性条件下PA皂化形成非生物可利用形式有关。
3.2 挥发性脂肪酸生成：通过HPLC测定得出，与产氢相反，pH 5对照组VFAs产量（5117 ± 20 mg/L）较pH 10（3754 ± 15 mg/L）高36.9%（p = 0.008），与pH 5下丙酸生成较多（2013 mg/L vs. 1166 mg/L）有关。pH 5下OA和PA普遍降低VFAs（降低9%–29%），可能与LCFAs与细胞膜结构相似而破坏脂质层、疏水性形成屏障限制营养传输有关；12 g/L PA因形成钙盐或物理聚集而略高于7 g/L。pH 10下3 g/L OA使VFAs提高26%（p = 0.01），7 g/L下降后12 g/L回升；PA各浓度均降低VFAs（29%–59%）。
3.3 活性氧生成：通过ROS测定得出，ROS变化与产氢变化相关，ROS越高产氢越低。pH 5下含LCFAs批次ROS降低16.8% ± 5.3%至57.7% ± 6.3%；pH 10下ROS升高18.9% ± 2.7%至83.7% ± 10.8%（p = 0.007–0.019），表明碱性环境加剧LCFAs诱导的细胞应激。LCFAs可通过表面活性剂样破坏细胞膜及抑制代谢酶等途径触发ROS。
3.4 发酵污泥脱水性：通过CST测定得出，两种pH下含LCFAs批次CST均升高、脱水性下降，且随浓度增加显著升高。pH 5和pH 10对照组CST分别为71.9 ± 1.0 s和256.3 ± 22.8 s，碱性条件高256.4%（p = 0.04）。pH 5下OA使CST升高83.3%–254.9%，PA升高224.7%–560.3%；pH 10下OA升高147.4%–267%，PA升高223.9%–346.8%。PA因溶解度较低更易在污泥基质中积累，对脱水性影响大于OA。研究人员指出，FOG共发酵需权衡能源回收与下游处理成本。
3.5 微生物群落：
3.5.1 微生物多样性：通过16S rRNA测序Alpha多样性分析得出，pH 5下3 g/L OA提高丰富度与多样性（Chao1 = 133，Shannon = 6.49），12 g/L OA显著降低（Chao1 = 58，Shannon = 5.28）；PA维持或略增多样性。pH 10下总体多样性低于pH 5，12 g/L OA提高丰富度与多样性，12 g/L PA具有最高Faith系统发育多样性（12.02）但Shannon较低（5.68），提示群落组成更特化。
3.5.2 微生物群落结构：通过门水平和属水平分析得出，Firmicutes（49.4%–85.4%）、Actinobacteria（8.4%–36.0%）、Proteobacteria（3.5%–15.6%）和Euryarchaeota（0.3%–10.3%）为优势菌门，合计超过92.5%。pH 10对照组Actinobacteria增至36.0%（pH 5为21.4%）。pH 5下12 g/L OA使Firmicutes增至85.4%，Clostridium属升至37%，与最高产氢相应，但Actinobacteria和Proteobacteria大幅下降，VFAs产量最低。pH 10下含LCFAs批次Actinobacteria均低于对照，3 g/L PA最低（14.1%）且产氢和VFAs最低。属水平上，pH 10下Lactobacillus在12 g/L PA批次占16%；Caldicoprobacter在OA 12 g/L（pH 5）和OA 3 g/L（pH 10）中检出。研究人员指出，维持包括VFAs产生菌和底物降解菌在内的微生物群落平衡、减少耗氢产甲烷菌，对优化产氢和VFAs至关重要。
讨论与结论总结：研究人员在“结果意义”部分指出，尽管FOG是能量密集原料，但其作为厌氧污泥发酵共底物需深入理解LCFAs行为。本研究识别了pH、LCFAs类型、微生物群落结构与氧化应激之间调控产氢和VFAs的关键相互作用，表明工艺优化不能仅基于能源回收，因为发酵性能改善可能被污泥脱水性显著恶化和pH调节化学品需求所抵消。未来实施应优化pH控制策略（如间歇pH控制）以最大化资源回收并降低化学品成本，并需开展中试规模研究和技术经济评估。结论部分译为：本研究揭示了LCFAs（OA和PA）在厌氧初沉污泥发酵过程中对发酵性能和污泥脱水性的显著影响。本工作的一项关键理论贡献是识别了LCFAs、微生物群落与ROS之间依赖pH的协同作用。理论上，研究揭示了pH 5下7 g/L PA较对照产氢最高，并得到含PA批次中发酵细菌Firmicutes增强的支持；相反，pH 10下两种LCFAs均抑制产氢，OA抑制作用强于PA，与ROS生成相一致。OA和PA在酸性和碱性条件下还产生不同的VFAs谱，凸显了pH、LCFAs类型、微生物群落与发酵途径之间的复杂相互作用。然而，对于污泥与FOG共发酵的实际全规模应用，结果还揭示了重要的运行权衡：尽管PA在酸性条件下提高产氢和VFAs，但OA和PA均损害污泥脱水性，尤其在碱性条件下。因此，必须优化LCFAs负荷（尤其是富含PA的系统）以平衡能源回收与污泥调理、运输和干燥处理成本，从而最大化整体工艺效益。此外，短期批次实验无法评估长期微生物适应或脱水性恢复，未来研究应评估连续系统、长期微生物稳定性、EPS动态及脱水性强化策略，同时维持产氢和VFAs生成；评估LCFAs与其他污泥微污染物的联合效应以及技术经济和中试规模研究，对全规模实施至关重要。
