钙皂化对污水污泥与脂肪、油和油脂在低碳添加率下厌氧共消化影响：性能、动力学与微生物响应

《Bioresource Technology》：Effect of calcium saponification on anaerobic co-digestion of sewage sludge with fat, oil, and grease at low addition rates: Performance, kinetics and microbial responses

　　

研究人员评估了在现实低添加率下污水污泥与脂肪、油和油脂(FOG)的厌氧共消化。污泥单消化受可降解有机物有限、碳氮比低和甲烷回收中等偏低的限制，共消化可强化现有消化池。FOG虽只占污泥干固体约10–15%，但可消化性高，对沼气贡献大。水解释放的长链脂肪酸(LCFA)可抑制产甲烷活性。实际厂中FOG更适合作为少量共基质而非主要进料。研究人员选取2%、5%、10%挥发性固体(VS)代表保守低负荷。下水道中FOG可与钙形成金属皂，氢氧化钙(Ca(OH)2)介导的钙皂化可能降低LCFA抑制。研究用橄榄油(OO)、葵花籽油(SO)、猪脂(PF)及其钙皂化物(SOO、SSO、SPF)作模型基质。批式试验显示FOG类型强烈影响性能：OO随添加率提升甲烷产量显著增加，SO增益有限，PF在10% VS时性能下降。钙皂化改善SO和PF的甲烷产率与动力学，改变脂质稳定性与表观利用率；SOO在5% VS时累积比甲烷产率(CSMY)提升约49%。微生物方面，核心群落广泛保留，批次间按批次聚类强于按负荷聚类，合成营养型LCFA氧化菌Syntrophomonas丰度中等。研究表明低剂量FOG共消化响应具基质依赖性，钙皂化为饱和/动物脂类和高负荷场景提供工艺益处。

该研究发表于《Bioresource Technology》。城市污水污泥厌氧消化(AD)常受限于可生物降解有机物不足、碳氮比失衡与甲烷回收率不高。污泥中脂肪、油和油脂(FOG)占比虽小，但可消化性强，对沼气贡献大；然而脂质水解会释放长链脂肪酸(LCFA)，LCFA积累可吸附于生物质、限制传质并抑制产甲烷菌。已有高添加率研究多显示高甲烷潜力，但满级污水厂更常把FOG作为辅助共基质，而非主要进料组分。下水道环境里， discharged lipids 会与钙等二价阳离子形成金属皂，钙皂化可能改变脂质分散性、可及性与抑制行为。现有文献对控制钙皂化在不同FOG类型、低添加率下如何影响共消化性能和微生物响应仍认识不足，因此研究人员开展本研究。

为开展研究，研究人员使用来自Reading Sewage Treatment Works的厌氧消化污泥饼作接种物，并与浓缩初沉污泥(TPS)和浓缩剩余活性污泥(TSAS)按挥发性固体(VS)比50:50混合构成污泥基质；模型FOG包括橄榄油(OO)、葵花籽油(SO)、猪脂(PF)，以及用氢氧化钙(Ca(OH)₂)制备的钙皂化产物SOO、SSO、SPF。关键技术方法主要有：批式厌氧共消化实验，在250 mL Duran瓶内以180 mL工作体积、35 °C培养并用排水法测沼气；气相色谱分析顶空气体甲烷含量；总固体(TS)与挥发性固体(VS)及脂肪含量测定；热重分析(TGA)表征残基热降解行为；16S rRNA基因V3–V4区扩增子测序结合SILVA 138数据库做分类，并用PICRUSt2预测京都基因与基因组百科全书(KEGG)功能；修正Gompertz模型拟合最大甲烷产率(R_m)、甲烷潜力(CSMY_o)与滞后期(λ)。

3.1. 原料FOG与污水污泥厌氧共消化中的沼气甲烷产量

研究人员通过批式累积甲烷曲线与修正Gompertz模型发现，OO在5%和10% VS分别显著增产27%和40%；SO各添加率增益小于10%且不显著；PF在2%–5% VS改善，但10% VS时CSMY略低于对照、R_m显著下降。结论：单不饱和脂肪酸(MUFA)丰富的OO分散性好、利于产甲烷；多不饱和脂肪酸(PUFA)丰富的SO有氢化与合成营养压力；饱和脂肪酸(SFA)丰富的PF在高负荷下产生疏水沉积与传质限制。

3.2. 皂化FOG与污水污泥厌氧共消化的甲烷产量

SOO在5% VS达到247.5 mL CH₄/g VS，较对照增49%；SSO各负荷增14%–18%但不显著；SPF在5% VS增28%。动力学上SOO5的R_m为20.6 mL/g VS/d，SSO2达42.9 mL/g VS/d。结论：钙皂化在低中负荷可减少LCFA对生物质黏附，高负荷则可能因钙脂肪酸盐聚集增加传质阻力；其效益取决于不饱和度与物理形态，对PF/SPF和SO/SSO改善更明显。

3.3. 挥发性固体与脂肪去除效率

OO系统VS去除随负荷下降，而OO10仍有最高CSMY，说明甲烷产出与终点去除效率解耦。SO批2% VS脂肪去除升至55.4%，10% VS回落；SSO10脂肪去除达67.1%，显示皂化改善高负荷表观脂利用。PF批10% VS时VS与脂肪去除均恶化；SPF脂肪去除低于对照却仍维持较高CSMY与更好动力学，表明皂化改变了SFA基质中表观脂肪去除与甲烷回收的关系。热重分析显示SOO、SSO、SPF残炭高于OO，证实钙皂化改变基质形态。

3.4. FOG及钙诱导皂化对厌氧共消化微生物群落结构与响应

α和β多样性显示群落无剧烈更替；每批次共享450–606个扩增序列变体(ASV)，Shannon指数6.6–7.7，样品按批次而非VS水平聚类。菌门以Firmicutes、Actinobacteriota、Coprothermobacterota为主。SSO批次中Coprothermobacter丰度高，但对照中已存在，属批次背景。与LCFA β-氧化相关的Syntrophomonas在low FOG下仅约1%–6%，远低于高FOG文献值；PF10其丰度低于对照，与性能下降一致。古菌与PICRUSt2预测功能显示核心产甲烷与LCFA降解潜能广泛保留。

讨论部分总结：低添加率下FOG共消化不是单一“促进或抑制”，而是由FOG脂肪酸组成、物理形态、添加率和钙皂化共同决定。钙皂化对液态MUFA油类增益有限，却能缓解固态SFA动物脂与PUFA油类在高负荷下的限制。VS/脂肪去除与CSMY解耦说明终点化学指标不能替代过程动力学评价。微生物核心结构保留意味着工艺改变主要通过底物形态与中间产物环境发挥作用，而非颠覆性群落替代。

研究结论部分翻译：钙皂化改善了葵花籽油与猪脂在低剂量共消化中的甲烷产率和动力学，改变了脂质稳定性与表观脂利用；橄榄油本身响应已较好，皂化主要在5% VS显示额外收益。核心微生物群落经FOG皂化后广泛保留。低剂量FOG共消化响应具有强基质依赖性；用模型FOG分离FOG类型、负荷与钙皂化效应，可为后续异质下水道FOG沉积物验证提供依据。该研究为污泥消化池把下水道来源钙皂化FOG沉积物作为辅助共基质提供了机制层面的支撑。