《Journal of Environmental Management》：Enhancing volatile fatty acid production using arrested anaerobic digestion of food waste and high salinity glycerol sludge
编辑推荐：
本研究针对食品废物（FW）高盐处理易抑制发酵、高盐甘油污泥（HSGS）处置困难的问题，通过开展半连续式阻滞厌氧消化（aAD）共发酵研究。研究发现，HSGS的掺入显著提升了挥发性脂肪酸（VFA）产量（最高达36.04 g/L），其碱性特性可缓冲pH，减少甚至无需额外添加氢氧化钾（KOH），并改变了微生物群落结构。该研究为协同处理两种有机废料、生产高值VFA（可用于生物塑料、生物能源或药品）提供了一种经济高效的技术路径。
每年，大量的食品废物（Food Waste, FW）在垃圾填埋场中分解，成为人为甲烷（CH4）排放的重要来源，加剧了气候变化。与此同时，生物柴油生产过程中会产生一种棘手的副产品——高盐甘油污泥（High Salinity Glycerol Sludge, HSGS），其极高的盐分（如高达214 g/L的NaCl）常常抑制传统生物处理过程，导致处理成本高昂或被简单填埋。这两类有机废料，一个碳源丰富但易导致发酵系统酸败，另一个盐分超高但自身呈碱性，似乎都让人头疼。有没有一种方法，能“变废为宝”，同时解决这两个难题，并将它们转化为有价值的化学品呢？挥发性脂肪酸（Volatile Fatty Acids, VFAs）——这种短链脂肪酸，是生产生物塑料、生物燃料和药品的关键平台化合物，为我们指明了方向。传统的阻滞厌氧消化（arrested Anaerobic Digestion, aAD）技术可用于从有机废物中生产VFA，但单独处理FW时常因有机负荷高导致pH过低而抑制生产，而单独处理HSGS则受限于高盐的挑战。那么，将FW与HSGS混合处理，是否能取长补短，实现“1+1>2”的效果呢？发表在《Journal of Environmental Management》上的这项研究，为我们揭示了答案。
为了探究这一问题，研究团队设计了一套精细的半连续发酵实验系统。他们采用了五个不同体积比的FW与HSGS混合物（100:0, 75:25, 50:50, 25:75, 0:100）进行测试，每个比例设置三个重复反应器。实验在35°C的中温条件下进行，水力停留时间（Hydraulic Retention Time, HRT）设定为12天，总共运行了约5个HRT（62天）。研究人员定期监测反应器内的pH值，当pH低于7时，使用氢氧化钾（KOH）溶液进行调整。在整个实验过程中，他们系统性地分析了出料中的VFA浓度与组成、pH值、挥发性固体（Volatile Solids, VS）含量、可溶性化学需氧量（soluble Chemical Oxygen Demand, sCOD）以及产生的气体体积。在实验结束时，还采集了样品进行微生物群落分析，通过16S rRNA基因测序技术解析不同处理条件下微生物种群结构的变化，并利用PICRUSt工具预测了相关的代谢功能通路。
3.1. 有机负荷率（OLR）对高盐甘油污泥（HSGS）和食品废物（FW）共发酵挥发性脂肪酸（VFA）产量的影响
研究发现，所有处理在经过约一个HRT的启动期后，均进入了VFA产量的稳定状态。HSGS单独处理产生了最高的VFA总量，在实验第51天达到峰值36.04 g/L，显著高于其他处理。随着HSGS掺入比例增加（即有机负荷率OLR从2.5增至17.8 g VS/L-day），VFA产量也相应增加。尽管FW单独处理的绝对VFA产量（9.29 g/L）较低，但其单位挥发性固体（VS）的VFA产率（最高1.24 g VFA/g VS）在稳态期间是最高的。这表明HSGS的高有机含量直接驱动了更高的VFA产量，而FW的有机物转化为VFA的效率更优。
3.2. 盐度对挥发性脂肪酸（VFA）产量的影响
一个反直觉的发现是，尽管HSGS带来极高的盐度（53.5 – 214 g/L NaCl），但这并未对VFA的生产效率造成显著抑制。当将VFA产量按单位VS标准化以排除有机负荷差异的影响后，不同盐度处理间的VFA转化效率（0.19 – 0.77 g VFA/g VS）没有显著差异。这与之前许多仅添加氯化钠（NaCl）的研究结论不同，表明真实的HSGS废物基质的复杂性（除盐外还有高有机物）可能带来了不同的微生物响应，使得系统能够在高盐环境下维持有效的发酵功能。
3.3. 盐度对挥发性脂肪酸（VFA）组成的影响
盐度的增加显著改变了VFA的组成谱。随着HSGS比例提高，发酵产物中的乙酸比例急剧上升，在HSGS处理中占总VFA的86.7%至98.2%，而FW单独处理中乙酸比例仅为67.7%，同时含有更高比例的丁酸和戊酸。高盐处理中几乎不产生丙酸。这种向乙酸为主的转变，与后续观察到的微生物群落结构变化密切相关。
3.4. pH对挥发性脂肪酸（VFA）产量的影响
HSGS的天然碱性（pH约9.85）在共发酵系统中发挥了关键作用。随着HSGS掺入比例超过50%，反应器的pH可稳定维持在9-10之间，在整个实验期间无需额外添加KOH进行调节。相比之下，FW单独处理需要每周添加KOH以将pH从酸性水平提升至7以上，其KOH添加量比FW:HSGS为75:25的处理高出95%。HSGS的碱性有效缓冲了FW降解过程中产生的酸性物质，不仅节省了化学试剂成本，也避免了低pH对发酵微生物的抑制，从而稳定了VFA生产。
3.5. 挥发性固体、可溶性化学需氧量和气体产量
挥发性固体（VS）和可溶性化学需氧量（sCOD）的浓度趋势与OLR一致，HSGS处理中最高，FW处理中最低。各处理间的发酵气体产量在稳定期无显著差异，产量较低，证实了该阻滞厌氧消化过程成功抑制了产甲烷阶段，使碳流主要导向了VFA合成。
3.6. 微生物群落分析
微生物分析揭示了盐度驱动群落结构转变的微观机制。FW单独处理中的微生物群落多样性较低，且含有近15%的产甲烷古菌（主要是Methanobrevibacter）。而加入HSGS后，群落多样性显著增加，产甲烷古菌的比例可忽略不计。高盐条件抑制了产甲烷菌，同时富集了更多样的细菌种群，包括Leuconostoc、Bifidobacterium和Pseudomonas等已知的乙酸生产菌。代谢通路预测分析显示，随着盐度增加，同型乳酸发酵途径相对丰度降低，而异型乳酸发酵途径增加，后者能从六碳前体产生乙酸，这从功能上解释了乙酸产量占比升高的原因。
本研究得出结论，利用高盐甘油污泥（HSGS）与食品废物（FW）进行共发酵或阻滞厌氧消化（aAD），是一种极具潜力的废弃物协同处理与资源化策略。HSGS不仅能作为优质的有机碳源显著提升VFA产量（单独处理最高达36.04 g/L），其固有的高碱度还能有效缓冲系统pH，大幅减少甚至完全替代昂贵的外源碱剂添加，降低了操作成本。尽管盐度极高，但并未显著抑制VFA的生产效率。从微生物学角度看，HSGS的引入提高了群落多样性，抑制了产甲烷菌，并促进了乙酸生成菌的生长，从而将碳流导向了更有价值的VFA合成。这项工作成功演示了如何将两种难以单独处理的有机废物——易酸化的FW和高盐的HSGS——转化为生产生物塑料、生物能源和药品原料的平台化合物VFA，为实现循环生物经济提供了创新的技术思路。未来的中试规模研究将有助于评估该工艺的长期稳定性和经济性，推动其迈向实际应用。
