红肉屠宰废水的酶法预处理——降低油脂(FOG)并强化生物沼气(Biogas)产气

《CATENA》：Enzymatic pre-treatment of red meat abattoir effluent to reduce fat, oil and grease while enhancing biogas generation

　　

未处理屠宰废水的排放因其高有机物含量及脂肪、油与油脂(fats, oils, and grease, FOG)而被认为具有显著环境风险。本研究考察了利用商用生物制剂(Eco-flush?)对屠宰废水进行酶法预处理，旨在改善屠宰废水水质并强化厌氧消化(anaerobic digestion, AD)中的生物能源回收。原料屠宰废水表征结果显示：可溶性化学需氧量(soluble chemical oxygen demand, sCOD)为1818 mg/L，FOG为2593 mg/L，浊度(turbidity)为592 FAU，氨氮(ammonia)含量为155 mg/L，溶解氧(dissolved oxygen, DO)含量为1.78 mg/L。FOG水解最佳效果出现在酶投加量为0.5% v/v时，测得最大FOG提取浓度为17,174 mg/L。超过此最佳浓度后，工艺性能下降，且总悬浮固体(total suspended solids, TSS)、浊度及氨氮含量上升。尽管如此，经预处理后的废水生物能源回收得到提升，沼气(biogas)产量增加高达134%，甲烷(CH4)体积分数达70%。

论文解读：红肉屠宰废水酶法预处理降解油脂并强化厌氧消化产沼

该研究由Dimakatso Hlamalani Makwakwa、Seshibe Stanford Makgato及Mabatho Moreroa完成，发表于《CATENA》相关环境催化与能源解决方案方向期刊。

一、研究背景与目的

肉类加工尤其是红肉屠宰行业产生的高浓度有机废水含有大量血液、蛋白质、脂肪、油与油脂(fats, oils, and grease, FOG)，若未经妥善处理排放会导致受纳水体缺氧、生态破坏及健康隐患。FOG还会引起管道堵塞、污泥上浮并抑制厌氧消化(anaerobic digestion, AD)中产甲烷菌活性，使水解成为AD限速步骤。现有物理化学或热、超声等预处理能耗较高，而酶法预处理因低能耗、操作简便及可选择性降解脂质和蛋白质受关注，但针对成分更复杂的红肉屠宰废水，最佳酶剂量及其与后续AD效能关联的研究尚存空白。因此，研究人员采用商用酶制剂Eco-flush?对南非红肉屠宰场废水进行预处理，探究不同酶剂量对FOG水解、可溶性化学需氧量(soluble chemical oxygen demand, sCOD)释放及后续批次厌氧消化产沼气(biogas)与甲烷(CH₄)的影响，确定最佳工艺条件。

二、主要关键技术方法

研究人员采集南非比勒陀利亚东北某红肉屠宰场（日宰约20头牛、20头羊）原始出水及牛粪(cow dung, CD)作接种物。取800 mL原水分别投加0%、0.25%、0.50%、0.75%、1.00% v/v商用酶液(Eco-flush?)，室温微曝气混匀反应24 h完成酶解预处理，去除浮渣后测定FOG、sCOD、TSS、浊度、氨氮、pH、DO及金属离子(ICP-MS)。将预处理出水与80 g CD于1 L消化瓶混匀构成厌氧体系，充氮除氧后以自动甲烷潜力测试系统(automated methane potential test system, AMPTS)于37℃静置培养43天，监测累积biogas及CH₄产量，所有实验设三重平行。

三、研究结果

3.1. 原料废水表征(Characterisation of raw effluent)

研究人员测定原水sCOD为1818 mg/L，FOG高达2593 mg/L（高于文献报道家禽及部分红肉屠宰废水），TSS 219.33 mg/L，浊度592.33 FAU，氨氮155.33 mg/L-N，pH 7.14，DO 1.78 mg/L。证实该废水属典型高FOG、高有机质强度废水，具备预处理必要性。

3.2. 酶活对FOG去除及sCOD的影响(Effect of enzyme activity on FOG removal and sCOD)

经24 h酶解，对照组FOG为2592.7 mg/L、sCOD 1818 mg/L；0.5% v/v酶剂量组FOG提取量升至17174 mg/L、sCOD升至4167 mg/L，为各剂量最高值。酶剂量继续增至0.75%及1.00% v/v时FOG提取量与sCOD均回落。表明脂酶将乳化/颗粒态甘油三酯水解为可萃取FOG及可溶性甘油与长链脂肪酸(long-chain fatty acids, LCFAs)，使sCOD升高；超出0.5% v/v后出现底物饱和、空间位阻或酶失活导致效率下降，确定0.5% v/v为最适酶浓度。

3.3. TSS、氨氮及浊度水平(TSS, ammonia and turbidity levels)

预处理后TSS由219.33升至242.52 mg/L（1.00%酶），浊度由592.3升至938.7 FAU（0.5%酶），氨氮由155.33升至254.33 mg/L（1.00%酶）。说明酶将大颗粒脂质、蛋白水解为更小胶体/溶解态及铵离子(NH₄⁺-N)，增加微生物可利用表面积而非传统"去除"污染物，过量酶致氨积累可能抑制产甲烷古菌。

3.4. 沼气与生物甲烷产量(Biogas and biomethane yields)

对照组43天累积biogas约1700–1900 NmL；0.5% v/v酶预处理组达约4600–4800 NmL（提高约134%），CH₄产量约2936 NmL（对照组<1300 NmL），CH₄占比约64%–70%。0.75% v/v次之（~3800 NmL biogas），1.00% v/v下降（~2700 NmL），表明适度酶解增溶促进酸化和产甲烷，过量则可能因挥发性脂肪酸(volatile fatty acids, VFAs)或氨抑制使AD失衡。

3.5. 二氧化碳与甲烷产率(Carbon dioxide and methane yields)

最适组(0.5% v/v)CO₂累积产量约1657 NmL，CH₄/CO₂比值反映底物可消化性改善；1.00% v/v组CH₄降至1740 NmL，印证抑制效应。

3.6. 金属分析(Metal analysis)

原水中Mg最高(2.62 ppm)，酶处理后降至0.59 ppm（0.75% v/v），Fe略升但仍低于南非国家水法限值(0.3 mg/L)，Sr降低，其余微量金属(Li、Cu、Zn、Ni等)变化微小且均符合排放标准。酶解促使结合态金属释放或再分配，不引入额外重金属风险。

四、讨论与结论翻译

研究人员指出红肉屠宰废水为高浓度有机废水，需有效处理后方可排放。酶预处理促进了富脂物质水解，表现为FOG增溶及相应COD溶解性提高。酶剂量至关重要，0.5% v/v(v/v)为最适条件，超量则因位阻或抑制导致效果降低。酶预处理引起TSS与浊度升高反映悬浮颗粒增溶及含氮有机物（蛋白）有效降解释放氨氮，提高了厌氧微生物底物可利用性。重要的是，酶水解显著提升厌氧消化性能——biogas、生物甲烷及CH₄产量增加，证明酶预处理通过提高底物生物可利用性加速AD动力学并提高能源回收效率。研究人员建议未来研究评估酶制剂使用成本及重复利用潜能。