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xiaoguozuijia。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fumei 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%。
