《Journal of Water Process Engineering》：Enhanced volatile fatty acids production from anaerobic co-fermentation of waste activated sludge and food waste via electrochemical pretreatment: Performance of carbon source utilization, safety and economic analysis
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•EPT能够有效提升WAS-FW共发酵过程中挥发性脂肪酸的产率。•以挥发性脂肪酸作为碳源可提高氮磷去除的效率。•通过EPT产生的氯代二卤代苯在共发酵过程中可被高效降解，且生物安全性较高。•结合EPT的共发酵工艺在技术经济层面更具优势。引言作为全球最大的废水产生国和食品消费国，中国
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EPT能够有效提升WAS-FW共发酵过程中挥发性脂肪酸的产率。
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以挥发性脂肪酸作为碳源可提高氮磷去除的效率。
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通过EPT产生的氯代二卤代苯在共发酵过程中可被高效降解，且生物安全性较高。
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结合EPT的共发酵工艺在技术经济层面更具优势。
引言
作为全球最大的废水产生国和食品消费国，中国产生的城市污水活性污泥（每年超过6500万干吨）以及食物垃圾（约1.4亿吨）给环境保护带来了巨大压力[1]、[2]。因此，亟需寻求更好的处理与处置方法，将城市污水活性污泥和食物垃圾视为资源而非单纯的废弃物来加以利用[3]、[4]。酸生成共发酵技术是一种处理城市污水和食物垃圾的极具前景的技术：它不仅能稳定并重新利用这些有机固体废物，还能产出诸如挥发性脂肪酸这类高价值生物产品[5]、[6]。挥发性脂肪酸不仅可作为商业化学品及多种高价值化合物的前体，包括酒精、长链脂肪酸以及聚羟基烷酸酯等[6]、[7]，还能在反硝化除磷系统中作为替代碳源，用于生物氮磷去除过程[8]、[9]、[10]。
目前，中国的城市污水处理厂面临进水化学需氧量较低以及碳氮比失衡的问题。具体而言，进水的化学需氧量通常在150至260毫克/升之间，平均约为200毫克/升；大约70%的污水处理厂的碳氮比处于3.0到5.0之间——这一数值远低于实现高效生物氮磷去除所要求的5.0到8.0的理想范围[11]、[12]。为解决碳氮比过低的问题，常见的做法是在生物反应器的厌氧/反硝化区域内额外添加有机碳源，如甲醇和乙酸，以辅助生物氮磷去除过程[13]、[14]。对于日处理能力为10万立方米的污水处理厂而言，仅甲醇的添加成本每天就高达3000美元，全年成本则约为108万美元[15]。然而，除了原材料成本高昂且供应有限之外，这种外部添加碳源的方法还存在一个重大缺陷：其在运输和储存过程中存在显著的安全风险[14]。因此，利用城市污水活性污泥和食物垃圾经共发酵产生的挥发性脂肪酸作为碳源，用于城市污水处理厂的生物氮磷去除过程，无疑是一种更为理想的解决方案。
通常，利用城市污水活性污泥和食物垃圾进行共发酵以生产挥发性脂肪酸的过程会受到水解步骤的限制，其主要原因在于反应底物的絮体结构较为复杂且坚固，尤其是城市污水活性污泥中的胞外聚合物基质会形成阻碍作用[16]、[17]。在共发酵之前先进行电化学预处理，能够有效破坏城市污水活性污泥和食物垃圾的基质结构，加速水解进程，从而提升挥发性脂肪酸的产率[18]、[19]。尽管传统的电化学预处理方法已能有效克服水解过程中的瓶颈，但通过该方式处理城市污水活性污泥和食物垃圾的共发酵过程仍存在若干亟待研究的关键问题。一方面，由于金属氧化物涂层电极具有成本低、易于制造以及多种独特的功能特性，已被广泛用于污泥的电化学预处理领域[2]、[20]。虽然利用这类电极通过产生活性氯等氧化剂，能够有效分解城市污水活性污泥和食物垃圾，但这一过程同时也会产生具有致癌性的氯代消毒副产物[21]、[22]；目前关于这些氯代消毒副产物在后续共发酵后的残留特性及其可能带来的二次污染风险的研究仍然十分有限。另一方面，现有的电化学预处理研究尚未系统探讨不同类型电极如何影响挥发性脂肪酸的积累与氯代消毒副产物的生成之间的平衡关系，也有很少研究进一步评估通过电化学预处理产生的发酵挥发性脂肪酸作为低碳碳源在生物氮磷去除过程中的实际应用价值。
因此，本研究的主要目标如下：（i）探究电化学预处理对城市污水活性污泥和食物垃圾共发酵过程中挥发性脂肪酸产率的影响；（ii）研究通过共发酵产生的挥发性脂肪酸作为碳源在反硝化除磷系统中的应用效果；（iii）分析电化学预处理过程中氯代消毒副产物的生成情况、它们对后续共发酵过程的影响、这些副产物在共发酵后的残留特性以及可能的二次污染风险，从而评估该工艺的安全性；（iv）分析经过电化学预处理优化的共发酵工艺在利用城市污水活性污泥和食物垃圾生产挥发性脂肪酸方面的经济可行性。期望通过本研究进一步明确电化学预处理与共发酵结合的工艺在降低碳排放及提升生产效率方面的作用机制，为该技术的推广和应用提供技术与理论支持。因此，开展这项研究具有重要的指导意义，它能为城市有机固体废弃物的高值化利用以及污水处理厂碳源补充技术的升级提供新的思路与技术支持。
章节要点
化学试剂、城市污水活性污泥与食物垃圾的来源以及接种物
本研究中所使用的所有化学试剂均为试剂级。超纯水由美国赛默飞世尔科技的MicroPure UV水净化系统制备。所研究的氯代消毒副产物包括三卤甲烷、1,1,1-三氯丙酮、三氯乙腈、三氯硝基甲烷、三氯乙烯、1,1-二氯丙酮、三氯乙醛水合物、单氯乙酸、二氯乙酸以及三氯乙酸。
挥发性脂肪酸的产量与成分变化
如图1a所示，本研究分析了共发酵产物中作为主要碳源组分的挥发性脂肪酸的产量变化情况。在未进行电化学预处理的对照组中，挥发性脂肪酸的产量为1621.7毫克/升±112.1毫克/升COD，这一数值与以往的研究结果相近[34]。而当采用电化学预处理后，除CoAF-R3组外，其他组的挥发性脂肪酸产量均有显著提升。CoAF-R1组、CoAF-R2组以及CoAF-R4组的挥发性脂肪酸产量分别为2170.8毫克/升±69.0毫克/升COD、3273.2毫克/升±215.9毫克/升COD、2449.4毫克/升±78.6毫克/升COD。
结论
本研究系统地分析了电化学预处理与城市污水活性污泥和食物垃圾共发酵结合的工艺在提升挥发性脂肪酸产率方面的效率、碳源利用情况、生物安全性以及经济性表现。本研究的创新之处在于从四个关键方面对这一工艺进行了全面评估：一是对挥发性脂肪酸产率的提升作用，二是作为生物氮磷去除过程替代碳源的潜力，三是氯代消毒副产物的生成情况及其生物降解安全性，四是该工艺在技术经济层面的可行性。研究结果表明，电化学预处理
作者贡献说明
林青山：负责论文的初稿撰写、方法设计以及资金申请工作。王丽红：负责方法设计以及数据整理工作。何克杰：负责实验研究以及数据整理工作。李莉：负责方法设计以及实验研究工作。梁书婷：负责结果验证以及项目监督工作。李月卿：负责论文的审阅与编辑工作、项目监督以及实验研究工作。朱子冲：负责论文的初稿撰写以及概念设计工作。郭刚：负责论文的审阅与编辑工作以及资金申请工作。
利益冲突声明
所有作者声明，他们不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。
致谢
本研究得到了以下机构的支持：中国国家自然科学基金（项目编号：52100040）；重庆市自然科学基金（项目编号：CSTB2025NSCQ-GPX0344）；重庆市教育委员会科技研究计划（项目编号：KJQN202501310）；以及重庆文理学院科学研究基金（项目编号：R2023HH04）。
林青山|王丽红|何克杰|李莉|梁书婷|李月卿|朱子冲|郭刚
