短链脂肪酸（SCFAs）应用广泛，可作为强化生物脱氮除磷过程中的碳源，生产可生物降解塑料，同时可进一步分解为沼气、氢气等能源，并用于发电等。目前，人们主要通过化学合成法制取SCFAs，由于化石原料的短缺，生物发酵法引起了研究人员的关注。污水处理厂中，活性污泥法的普遍使用导致了大量剩余污泥的产生，如果处理不当会造成二次污染，已成为城市化进程中的负担。通过调研发现，可以将污泥进行发酵来制取SCFAs。

为了研究蛋白质和碳水化合物在厌氧发酵过程中对产生SCFAs的影响，前期利用牛血清白蛋白和葡萄糖作为代表性底物，结果表明，在pH为10和5两种条件下，利用蛋白质产生的SCFAs量要明显高于利用碳水化合物产生的。张振宇研究了污泥联合不同基质的厌氧发酵产酸效果，结果发现蛋白质组的产酸效果最佳。可见，蛋白质有很好的产生SCFAs效果，提高底物中蛋白质含量是否能提高产物中SCFAs产量，还有待验证。秦玉格的研究表明，游离氨（FA）预处理能够破坏污泥絮体的胞外聚合物和包裹在其中的微生物细胞（膜）壁，促进SCOD的溶出。借助FA的作用，可以节省碱性药剂投加量。通过模拟不同FA预处理浓度下厌氧发酵各阶段，发现FA对产乙酸阶段无明显影响，对水解酸化和同型产乙酸阶段只有轻微的抑制作用，对产甲烷阶段抑制较严重。提高底物中蛋白质含量后，生成的氨氮量也会随之增加，而由氨氮形成FA的量与系统中pH相关。

餐厨垃圾成分复杂、性质多变，由于每个地区饮食结构不同，导致餐厨垃圾的性质发生变化。直接用于厌氧发酵，即使是相似的研究，得出的结果也往往不尽相同。因此，有必要对餐厨垃圾主要代表性组分的发酵性能进行研究。餐厨垃圾有机物中主要有三种成分：蛋白质、碳水化合物和脂质，笔者关注的是蛋白质类餐厨垃圾，即经过测定后，若蛋白质含量最高，就属于这一类垃圾。将蛋白质类餐厨垃圾添加到污泥中，可以在性质上形成互补，实现两种废弃物的集中处理，发挥规模效应。笔者通过提高底物中蛋白质含量来产生更多的SCFAs，并筛选出强化SCFAs产生的最佳pH条件，旨在为环境中有机固废的资源化利用提供思路。

1、材料与方法

1.1 混合底物和剩余污泥的初始特性

蛋白质类餐厨垃圾不仅蛋白质含量丰富，而且含油量和含盐量较高。为了减少干扰，采用豆腐进行实验，豆腐中富含植物蛋白，符合实验要求。剩余污泥取自天津市某污水处理厂二沉池。反应瓶中的总固体（TS）质量为10g。在混合底物中，因为蛋白质类餐厨垃圾和污泥有机物中都含有比较丰富的蛋白质，所以将两者按TS质量比为1∶1进行混合，混合底物和剩余污泥的pH分别为5.9±0.08、6.0±0.12，含水率分别为（96.60±0.35）%、（97.98±0.25）%，TS含量分别为（3.45±0.18）%、（1.79±0.42）%，挥发性总固体（VS）含量分别为（2.54±0.15）%、（0.89±0.17）%，总化学需氧量（TCOD）分别为（1172.32±54.44）、（780.77±155.89）mg/gTS，溶解性化学需氧量（SCOD）分别为（69.56±8.29）、（4.50±0.87）mg/gTS，总蛋白质（TPN）分别为（642.09±50.14）、（389.13±79.82）mg/gTS，溶解性蛋白质（SPN）分别为（7.87±0.53）、（3.00±0.58）mg/gTS，总碳水化合物（TPS）分别为（146.66±5.73）、（101.15±9.57）mg/gTS，溶解性碳水化合物（SPS）分别为（2.85±0.17）、（0.50±0.08）mg/gTS。

1.2 间歇式发酵实验

将混合物和污泥分别放入500mL锥形瓶中，瓶口用纱布包裹。使用2mol/L的NaOH和HCl溶液将底物pH分别调节为4、6、7、8、10，不调节pH组作为空白对照。将反应瓶放入恒温振荡器中，在150r/min、35℃条件下反应8d。每隔24h调节1次pH，并于1、3、5、7、8d分别取10mL发酵液，在11000r/min下进行离心，采用0.45μm滤膜抽滤后，立即测定过滤液的SCFAs、SCOD、SPN、SPS。

1.3 分析项目及检测方法

TS和VS采用重量法测定，TPN采用凯氏定氮法测定，SPN采用Folin-酚法测定，TPS和SPS采用蒽酮法测定，TCOD和SCOD采用重铬酸钾法测定。SCFAs采用气相色谱仪测定，载气为氮气，使用氢火焰离子化检测器（FID），进样口和检测器温度分别为200和220℃，柱温采用程序升温，在45℃下运行1min，然后按照10℃/min的速率升温到160℃，保持此温度运行3min，再以30℃/min的速率升到230℃，保持运行5min，色谱柱采用毛细管色谱柱（60m×0.25mm×1.4μm），液体进样量为1μL，采用外标法进行定量。

2、结果与讨论

2.1 SCFAs产量分析

pH和发酵时间对SCFAs产量的影响如图1所示。可知，对于这两种不同的底物，碱性条件下的SCFAs产量要明显高于酸性条件下的，混合底物和单独污泥都在pH为10时达到最大值，分别为215.9和35.5mgCOD/gTS。混合底物的最大SCFAs产量是单独污泥的6.1倍，表明了向污泥中添加蛋白质类餐厨垃圾能够明显提高SCFAs产量。

混合底物的SCFAs产量在第5天之后快速下降，可能存在产甲烷菌的消耗。实验过程中每天只调节1次pH，即使在pH为10的反应组，pH也可能下降到适宜产甲烷菌生存的环境。苑宏英采用剩余污泥作为发酵底物，最大挥发性脂肪酸（VFAs）产量达到2770.4mgCOD/L（200.6mgCOD/gTSS），而本实验中，混合底物最大SCFAs产量只有215.9mgCOD/gTS，可能是被产甲烷菌代谢掉了。

2.2 强碱性条件下SCFAs的产生机理

底物的溶出效果可以通过SCOD的变化来反映，混合底物和单独污泥的溶出情况如图2所示。两者都在pH为10时达到最大SCOD/TCOD值，从单独污泥的13.87%上升到混合底物的29.38%，表明混合底物中有机物更容易被释放出来，即添加的蛋白质类餐厨垃圾更容易被溶出。

TCOD主要是由TPN和TPS组成，对于混合底物和单独污泥，TPN含量都要远高于TPS，TPN/TPS值从单独污泥的3.85上升到混合底物的4.38。可见，两种底物的有机物中都以TPN为主，向单独污泥中添加蛋白质类餐厨垃圾后，混合底物中蛋白质含量会进一步增加。然而，TPN/TPS值仅仅提高了0.53，对蛋白质含量的提高有限。不过以TPN为主的蛋白质类餐厨垃圾有很好的溶出效果，添加后增加了底物中易于被利用的蛋白质含量。前期研究表明，蛋白质比碳水化合物有更好的产酸效果，从而极大地提高了SCFAs产量。

与水解发酵相关的微生物对pH适应性很强，可以在pH为3~10范围内顺利进行反应，当pH调为10时，微生物活性并不是最高，不是SCFAs产量大量增加的主要因素。因此，pH为10反应组SCFAs产量大量增加，可能并不是由微生物的高活性导致的。对于这两种底物，pH为10反应组SCOD含量均高于其他反应组，与图1中SCFAs产量保持一致。这表明，强碱性条件有利于有机质从固相转移到液相，可为后续发酵产酸细菌提供底物，从而产生大量SCFAs。

2.3 pH为10时混合底物中SCFAs的组成

对于混合底物，pH为10反应组的SCFAs产量明显高于其他反应组，其中，SCFAs组分含量和所占比例随时间的变化如图3所示。乙酸是SCFAs最主要的成分，在总SCFAs中所占比例始终保持在50%左右。乙酸可以通过乙酰辅酶A转化生成，也可以由其他SCFAs通过产氢产乙酸菌的作用生成。发酵前5d，丙酸含量仅低于乙酸，且第3天达到最大值，后期不断降低，没有积累。这可能与实验采用纱布包口的锥形瓶作为反应器有关，产生的H2可以逸出来，不会提高系统的H2分压，这样也就不会对丙酸代谢产生抑制。对于异丁酸、正丁酸、异戊酸、正戊酸这4种脂肪酸而言，无论在含量还是所占比例方面，都比较低。这可能是由于系统中产氢产乙酸菌活性较高，将其代谢掉了。SCFAs的种类和含量对其后续利用至关重要，例如：将SCFAs用于补充反硝化脱氮过程中所需的碳源。由于利用SCFAs的优先顺序为：乙酸>丁酸>丙酸，因此，实验所得发酵液有利于后续应用。

3、结论

蛋白质类餐厨垃圾中含有丰富的、易于被利用的蛋白质，添加到污泥中以后可以明显提高混合底物的SCFAs产量。强碱性条件能够保证最佳的产酸效果，pH为10反应组在第3天达到最大SCFAs产量，为215.9mgCOD/gTS。其中，乙酸占总SCFAs的比例为49.7%，丙酸占24.1%。