短鏈脂肪酸（SCFAs）應用廣泛，可作為強化生物脫氮除磷過程中的碳源，生產可生物降解塑料，同時可進一步分解為沼氣、氫氣等能源，并用于發電等。目前，人們主要通過化學合成法制取SCFAs，由于化石原料的短缺，生物發酵法引起了研究人員的關注。污水處理廠中，活性污泥法的普遍使用導致了大量剩余污泥的產生，如果處理不當會造成二次污染，已成為城市化進程中的負擔。通過調研發現，可以將污泥進行發酵來制取SCFAs。為了研究蛋白質和碳水化合物在厭氧發酵過程中對產生SCFAs的影響，前期利用牛血清白蛋白和葡萄糖作為代表性底物，結果表明，在pH為10和5兩種條件下，利用蛋白質產生的SCFAs量要明顯高于利用碳水化合物產生的。張振宇研究了污泥聯合不同基質的厭氧發酵產酸效果，結果發現蛋白質組的產酸xiaoguozuijia。可見，蛋白質有很好的產生SCFAs效果，提高底物中蛋白質含量是否能提高產物中SCFAs產量，還有待驗證。秦玉格的研究表明，游離氨（FA）預處理能夠破壞污泥絮體的胞外聚合物和包裹在其中的微生物細胞（膜）壁，促進SCOD的溶出。借助FA的作用，可以節省堿性藥劑投加量。通過模擬不同FA預處理濃度下厭氧發酵各階段，發現FA對產乙酸階段無明顯影響，對水解酸化和同型產乙酸階段只有輕微的抑制作用，對產甲烷階段抑制較嚴重。提高底物中蛋白質含量后，生成的氨氮量也會隨之增加，而由氨氮形成FA的量與系統中pH相關。餐廚垃圾成分復雜、性質多變，由于每個地區飲食結構不同，導致餐廚垃圾的性質發生變化。直接用于厭氧發酵，即使是相似的研究，得出的結果也往往不盡相同。因此，有必要對餐廚垃圾主要代表性組分的發酵性能進行研究。餐廚垃圾有機物中主要有三種成分：蛋白質、碳水化合物和脂質，筆者關注的是蛋白質類餐廚垃圾，即經過測定后，若蛋白質含量最高，就屬于這一類垃圾。將蛋白質類餐廚垃圾添加到污泥中，可以在性質上形成互補，實現兩種廢棄物的集中處理，發揮規模效應。筆者通過提高底物中蛋白質含量來產生更多的SCFAs，并篩選出強化SCFAs產生的最佳pH條件，旨在為環境中有機固廢的資源化利用提供思路。1、材料與方法1.1 混合底物和剩余污泥的初始特性蛋白質類餐廚垃圾不僅蛋白質含量豐富，而且含油量和含鹽量較高。為了減少干擾，采用豆腐進行實驗，豆腐中富含植物蛋白，符合實驗要求。剩余污泥取自天津市某污水處理廠二沉池。反應瓶中的總固體（TS）質量為10g。在混合底物中，因為蛋白質類餐廚垃圾和污泥有機物中都含有比較豐富的蛋白質，所以將兩者按TS質量比為1∶1進行混合，混合底物和剩余污泥的pH分別為5.9±0.08、6.0±0.12，含水率分別為（96.60±0.35）%、（97.98±0.25）%，TS含量分別為（3.45±0.18）%、（1.79±0.42）%，揮發性總固體（VS）含量分別為（2.54±0.15）%、（0.89±0.17）%，總化學需氧量（TCOD）分別為（1172.32±54.44）、（780.77±155.89）mg/gTS，溶解性化學需氧量（SCOD）分別為（69.56±8.29）、（4.50±0.87）mg/gTS，總蛋白質（TPN）分別為（642.09±50.14）、（389.13±79.82）mg/gTS，溶解性蛋白質（SPN）分別為（7.87±0.53）、（3.00±0.58）mg/gTS，總碳水化合物（TPS）分別為（146.66±5.73）、（101.15±9.57）mg/gTS，溶解性碳水化合物（SPS）分別為（2.85±0.17）、（0.50±0.08）mg/gTS。1.2 間歇式發酵實驗將混合物和污泥分別放入500mL錐形瓶中，瓶口用紗布包裹。使用2mol/L的NaOH和HCl溶液將底物pH分別調節為4、6、7、8、10，不調節pH組作為空白對照。將反應瓶放入恒溫振蕩器中，在150r/min、35℃條件下反應8d。每隔24h調節1次pH，并于1、3、5、7、8d分別取10mL發酵液，在11000r/min下進行離心，采用0.45μm濾膜抽濾后，立即測定過濾液的SCFAs、SCOD、SPN、SPS。1.3 分析項目及檢測方法TS和VS采用重量法測定，TPN采用凱氏定氮法測定，SPN采用Folin-酚法測定，TPS和SPS采用蒽酮法測定，TCOD和SCOD采用重鉻酸鉀法測定。SCFAs采用氣相色譜儀測定，載氣為氮氣，使用氫火焰離子化檢測器（FID），進樣口和檢測器溫度分別為200和220℃，柱溫采用程序升溫，在45℃下運行1min，然后按照10℃/min的速率升溫到160℃，保持此溫度運行3min，再以30℃/min的速率升到230℃，保持運行5min，色譜柱采用毛細管色譜柱（60m×0.25mm×1.4μm），液體進樣量為1μL，采用外標法進行定量。2、結果與討論2.1 SCFAs產量分析pH和發酵時間對SCFAs產量的影響如圖1所示。可知，對于這兩種不同的底物，堿性條件下的SCFAs產量要明顯高于酸性條件下的，混合底物和單獨污泥都在pH為10時達到最大值，分別為215.9和35.5mgCOD/gTS。混合底物的最大SCFAs產量是單獨污泥的6.1倍，表明了向污泥中添加蛋白質類餐廚垃圾能夠明顯提高SCFAs產量。混合底物的SCFAs產量在第5天之后快速下降，可能存在產甲烷菌的消耗。實驗過程中每天只調節1次pH，即使在pH為10的反應組，pH也可能下降到適宜產甲烷菌生存的環境。苑宏英采用剩余污泥作為發酵底物，最大揮發性脂肪酸（VFAs）產量達到2770.4mgCOD/L（200.6mgCOD/gTSS），而本實驗中，混合底物最大SCFAs產量只有215.9mgCOD/gTS，可能是被產甲烷菌代謝掉了。2.2 強堿性條件下SCFAs的產生機理底物的溶出效果可以通過SCOD的變化來反映，混合底物和單獨污泥的溶出情況如圖2所示。兩者都在pH為10時達到最大SCOD/TCOD值，從單獨污泥的13.87%上升到混合底物的29.38%，表明混合底物中有機物更容易被釋放出來，即添加的蛋白質類餐廚垃圾更容易被溶出。TCOD主要是由TPN和TPS組成，對于混合底物和單獨污泥，TPN含量都要遠高于TPS，TPN/TPS值從單獨污泥的3.85上升到混合底物的4.38。可見，兩種底物的有機物中都以TPN為主，向單獨污泥中添加蛋白質類餐廚垃圾后，混合底物中蛋白質含量會進一步增加。然而，TPN/TPS值僅僅提高了0.53，對蛋白質含量的提高有限。不過以TPN為主的蛋白質類餐廚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質含量。前期研究表明，蛋白質比碳水化合物有更好的產酸效果，從而極大地提高了SCFAs產量。與水解發酵相關的微生物對pH適應性很強，可以在pH為3~10范圍內順利進行反應，當pH調為10時，微生物活性并不是最高，不是SCFAs產量大量增加的主要因素。因此，pH為10反應組SCFAs產量大量增加，可能并不是由微生物的高活性導致的。對于這兩種底物，pH為10反應組SCOD含量均高于其他反應組，與圖1中SCFAs產量保持一致。這表明，強堿性條件有利于有機質從固相轉移到液相，可為后續發酵產酸細菌提供底物，從而產生大量SCFAs。2.3 pH為10時混合底物中SCFAs的組成對于混合底物，pH為10反應組的SCFAs產量明顯高于其他反應組，其中，SCFAs組分含量和所占比例隨時間的變化如圖3所示。乙酸是SCFAs最主要的成分，在總SCFAs中所占比例始終保持在50%左右。乙酸可以通過乙酰fumei a轉化生成，也可以由其他SCFAs通過產氫產乙酸菌的作用生成。發酵前5d，丙酸含量僅低于乙酸，且第3天達到最大值，后期不斷降低，沒有積累。這可能與實驗采用紗布包口的錐形瓶作為反應器有關，產生的H2可以逸出來，不會提高系統的H2分壓，這樣也就不會對丙酸代謝產生抑制。對于異丁酸、正丁酸、異戊酸、正戊酸這4種脂肪酸而言，無論在含量還是所占比例方面，都比較低。這可能是由于系統中產氫產乙酸菌活性較高，將其代謝掉了。SCFAs的種類和含量對其后續利用至關重要，例如：將SCFAs用于補充反硝化脫氮過程中所需的碳源。由于利用SCFAs的優先順序為：乙酸>丁酸>丙酸，因此，實驗所得發酵液有利于后續應用。3、結論蛋白質類餐廚垃圾中含有豐富的、易于被利用的蛋白質，添加到污泥中以后可以明顯提高混合底物的SCFAs產量。強堿性條件能夠保證最佳的產酸效果，pH為10反應組在第3天達到最大SCFAs產量，為215.9mgCOD/gTS。其中，乙酸占總SCFAs的比例為49.7%，丙酸占24.1%。