综述：食品油性废水（FOW）的生物处理：关于底物特性、生物降解途径、工艺性能及低碳前景的综述

《Journal of Water Process Engineering》：Biological treatment of food oily wastewater (FOW): A review of substrate characteristics, biodegradation pathways, process performance and low-carbon perspectives

　　

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  阐明了食品废水（FOW）生物降解过程中涉及的底物转化和代谢途径。
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  对各种独立和集成处理工艺处理食品废水的效果进行了全面评估。
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  提出了一个以低碳和资源利用为导向的食品废水处理框架。

引言

随着经济的快速发展和餐饮及食品加工业的扩张，食品废物的产生以及相关的含油废水（FOW）量大幅增加。据报道，中国城市餐饮业的年增长率约为18%，2018年食品废物产量达到了1.22亿吨[1] [2]。在亚洲，预计到2025年城市食品废物产量将从2.78亿吨增加到4.16亿吨，这意味着FOW产量的持续增长[3] [4]。FOW来源于多种途径，包括食品加工、烹饪活动、餐厅废水和食品废物渗滤液。其特点是有机物含量高且底物组成复杂，包含易于生物降解的碳水化合物和蛋白质，以及难以生物降解的脂肪、油和油脂（FOGs），如植物油和动物脂肪。餐饮废水中的油含量可高达1640毫克/升，未经处理的FOW直接排放可能威胁水生生态系统并造成严重的环境污染[3] [5] [6] [7]。因此，FOGs的降解成为评估FOW处理效果的关键指标。同时，FOW的高有机物含量也为资源回收提供了巨大潜力，包括甲烷（CH₄）生产、脂肪酸回收等增值途径[8] [9]。FOW兼具污染源和可回收有机碳资源的双重特性，使其成为制定低碳和资源导向的废水处理策略的重要目标。

当前的FOW净化技术大致可以分为物理、化学和生物方法，每种方法都依靠不同的机制来实现油水分离。物理方法的油去除效率可达90%[10]；然而，它们对乳化或细小油滴的处理效果有限。化学方法受试剂类型、剂量和操作条件的影响较大，这可能会增加运营成本。此外，某些混凝剂或絮凝剂可能对后续污泥处理产生不利影响[11]。生物方法通常被认为是经济高效且环境友好的FOW处理方法。然而，FOW的处理效果不能仅通过污染物去除效率来评估。由于其高FOGs含量、复杂的有机组成、乳化油滴、盐度、表面活性剂以及潜在的抑制性化合物，FOW对生物系统提出了多重限制，包括水解限制[12] [13]、长链脂肪酸（LCFAs）的抑制[14] [15] [16] [17]、传质阻力[18] [19] [20] [21]、污泥沉降性能差、污泥上浮、膜污染[22]，以及在有机负荷冲击下的不稳定性[22]。这些底物层面的特性直接决定了关键的过程工程要求，如有机负荷率（OLR）、水力停留时间（HRT）、污泥停留时间（SRT）、pH值和碱度控制、生物质保留、甲烷回收、曝气需求以及后处理要求。

为了提高本综述的透明度和可重复性，使用了Web of Science Core Collection (WoSCC)进行了结构化的文献搜索和筛选程序。搜索范围涵盖了2007年以来发表的英文期刊文章和综述论文，关键词组合涉及废水类型和处理方法。最初识别出400条记录，经过去重、标题/摘要筛选和全文资格评估后，最终选出了161项研究进行详细综合分析（见图1(a)）。在数据提取时，优先考虑了报告了废水类型、处理过程和效果、操作参数、碳/能量指标及工程限制的研究。此外，还纳入了少量中文文献作为补充资料，以提供中文语境下的工程案例证据。对这一领域进行了简要的文献计量学分析。如图1(b)所示，过去二十年间的出版物数量总体上有所增加。合作网络变得更加多元化，中国和美国成为主要枢纽，跨区域联系也在增加（见图1(c)）。关键词共现分析表明，研究重点逐渐从处理方法的选择转向了性能优化和微生物调控（见图1(d)）。总体而言，这些迹象表明该领域的研究成果稳步积累，研究重点正从过程可行性验证转向开发更高效和强化处理策略。尽管众多研究报道了好氧、厌氧和集成工艺在FOW处理中的效果，但大多数讨论仍集中在COD或FOGs的去除上。由于操作参数、能耗、甲烷产率、直接温室气体（GHG）排放和长期稳定性等数据缺乏一致性报道，不同处理系统之间的比较分析仍然有限。因此，FOW处理的低碳潜力尚未得到充分量化，底物复杂性、反应器性能与低碳工艺设计之间的联系也未明确建立。为了填补这一空白，本综述旨在将FOW的底物特性与过程工程要求和低碳设计考量联系起来。具体而言，本综述：（1）总结了FOW的组成和降解挑战，并强调了其工程意义；（2）比较了好氧、厌氧和集成工艺在处理效果、操作条件、稳定性和放大限制方面的差异；（3）探讨了不同生物降解途径和处理配置的碳和能量影响；（4）通过整合已有的过程性能数据、碳/能量相关因素和工艺选择原则，提出了一个以低碳为导向的设计框架。虽然不能声称低碳FOW处理已经得到了定量验证，但本综述提供了一条设计路线图，并为高浓度有机废水的处理过程选择和低碳处理系统的开发提供了理论基础。

章节摘录

FOW的关键底物特性

FOGs是FOW中最具有特征性和处理相关性的底物，主要由植物油、动物脂肪和油脂组成。在分子层面，这些化合物主要是由甘油和LCFAs组成的甘油三酯，其链长、饱和度和分子结构决定了液体油和固体脂肪之间的物理化学差异[23] [24]。如表S1所示，常见的FOGs含有多种饱和和不饱和的LCFAs，碳链长度介于C16至C18之间

生物降解途径、碳的命运及排放影响

FOW的生物降解途径不仅对于理解FOGs的微生物转化过程至关重要，而且对于解释反应器性能、碳转化、能量回收和温室气体排放也有重要意义。在FOW处理中，关键的工程问题不仅是如何去除有机污染物，更重要的是如何将输入碳转化为CO₂、生物质、CH₄、剩余有机物或可回收产品。因此，本节重点讨论了主要的好氧和厌氧

FOW的生物处理效果和工程适用性

根据氧气需求和微生物生长模式的不同，已经开发并应用了多种生物处理工艺，详见表2。

碳排放范围的选择与分析

显然，FOW处理过程中产生的GHG与所采用的处理技术密切相关。除了污染物转化产生的CO₂和CH₄外，生物固氮过程中产生的N₂O也是碳足迹的重要组成部分，如图4(a)所示。此外，由于CH₄和N₂O的全球变暖潜力（GWP）远高于CO₂，因此它们的减排和潜在回收可能具有关键意义

结论

FOW处理工艺应根据废水的性质、FOGs特性、营养条件及排放要求来选择，而不仅仅基于COD去除效率。好氧工艺适用于低至中等强度的FOW，并可用于改善剩余COD和营养物质，但其较高的曝气需求、污泥生成量以及可回收有机碳的氧化限制了其作为高强度FOW主要处理方法的适用性。厌氧

CRediT作者贡献声明

王宇涵：编写——初稿，可视化，数据管理，概念构思。 杨莉莉：编写——初稿。 刘冰：编写——审稿与编辑，监督，资源协调，项目管理，资金申请。 王静：编写——审稿与编辑，监督。 于杰：编写——审稿与编辑。 侯赛因·甘吉杜斯特：编写——审稿与编辑，监督。 陈飞勇：编写——审稿与编辑，监督，资源协调，项目管理。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了济南智慧水务外国专家工作室项目（WGZJGZS）和山东省自然科学基金（一般项目）[ZR2024ME129]的支持。

王宇涵|杨莉莉|刘冰|王静|于杰|侯赛因·甘吉杜斯特|陈飞勇