翻译：林晓莹 卢泳君 魏韬（华南农业大学食品学院）自然资源的短缺和日益增强的环境意识正在推动生产系统从管道末端废物处理转向资源综合回收计划。在生物精炼厂中，利用食物残渣和污水污泥等废料进行发酵产生能源、化学品、营养物质和水的方法就符合上述新模式。食物残渣（Food Waste）是产酸发酵的理想底物，然而，FW发酵受到不同因素的限制。共发酵是两种或两种以上废物的混合发酵，是提高FW发酵产量的另一种方法。在不同的废弃物中，污水处理厂的废弃活性污泥(Waste Activated Sludge)是研究最多的FW发酵共底物。已有研究人员成功地进行了几项共发酵研究。尽管有这些研究努力，但共发酵的文献仍然不确定，需要进一步的研究才能使共发酵成为现实。本研究的目的是研究废活性污泥（WAS）和食物残渣（FW）共发酵(以WAS为主要底物)在不同实验条件下的性能，以了解这种方法的好处和限制。通过研究:(i) WAS/FW混合比例对发酵产率和产物构型的影响；(ii) pH值对共发酵性能的影响；(iii)自水解预处理提高发酵产率的可行性。此外，通过三个独立的发酵试验测试相同的混合物，可以评估共发酵的再现性。论文标题：Assessing the potential of waste activated sludge and food waste co-fermentation for carboxylic acids production本实验研究废活性污泥(WAS)和食物残渣(FW)分批共发酵生产羧酸。分别在有无额外加碱度、有无自水解预处理的条件下研究了WAS和FW比例为1:1、7:3、9:1混合物的发酵情况。实验结果表明，包括挥发性脂肪酸和乳酸在内的共发酵产率始终高于单发酵产率(约100 mg /gVS和80 mg /gVS)。随着FW在混合料中所占比例的增加，共发酵产率也随之增加，说明这主要是由于在共发酵条件下FW的降解程度更高。对于WAS/FW比例为1:1的混合液，最大共发酵产量平均为480 mgCOD/gVS。在额外加碱条件下进行的实验中，pH值对共发酵性能的重要性显而易见，说明混合液中WAS的比例应足够高，以使pH值保持在5.0以上。然而，发酵罐的操作条件也应防止醋酸消耗微生物的富集。自水解预处理没有提高共发酵产量，但表现出较小的动力学改善。在产品配置方面，随着FW在混合物中所占比例的增加，丁酸被富集，同时伴随pH值的降低，不利于丙酸。在中性pH下，WAS/FW比例为9：1的混合物发酵和WAS单发酵液中丙酸占优势。本实验中，共设置三个实验，均在中温（35℃）厌氧条件下，在250mL血清瓶中进行发酵14天分批测定，不添加接种物，发酵过程依赖于天然发酵细菌。实验一通过测定pH的变化、挥发性脂肪酸（VFA）的产量来了解混合物的组成对共发酵的影响，设置WAS/FW比例分别为1：1、7：3、9：1三种，且利用每种底物（即仅FW和仅WAS）的单发酵进行对照。实验结果表明，混合物共发酵组的产量均比WAS和FW单发酵对照的产量高，且随着混合物中FW比例的增加，pH从中性（WAS控制）降低到4以下。WAS/FW比例为1：1（489mgCOD/gVS）混合物共发酵产量最高，该混合物是FW量最高的混合物，混合物的共发酵产量随着混合物中FW量的减少而降低，这表明发酵产量的提高可能与共发酵条件下FW发酵程度的提高有关。实验1中最大发酵产量（第8天）的COD发酵曲线。误差线表示标准偏差。![]()
实验1中发酵产量（顶部）和pH（底部）的演变。误差线表示标准偏差。实验二旨在检查实验一的可重复性，探究FW较高碱度对共发酵的影响（FW*表示使用额外碱度进行的测试）。与实验一一样，共发酵混合物发酵产量比WAS和FW单发酵对照的发酵产量高得多（分别是96和72mgCOD/gVS），随着混合物中FW量的增加，三种没有额外碱度的混合物共发酵的产量（即WAS / FW_50 / 50，WAS / FW_70 / 30和WAS / FW_90 / 10）增加，进一步支持上述实验一产量的提高主要是由于在共同发酵下FW较高发酵。WAS / FW比例为1：1和7：3混合物的最大发酵产量与实验一相似，但是在实验二中，WAS/FW比例为9：1混合物显示的产量（327 mgCOD / gVS）比实验一（175 mgCOD / gVS）高。从第6天开始，发酵液中挥发性脂肪酸（VFA）的浓度（主要是乙酸）从大约3400mgCOD/L降低到600mgCOD/L，可能是因为pH值从5.9升高到7.2，即发酵罐发酵条件应防止能降解乙酸的物质富集。向FW中加碱（30gNaHCO₃/kg）不足以对WAS/FW比例为7：3和9：1混合物发酵产量产生显著影响，可能是混合物中FW比例相对较低。但是WAS/FW比例为1：1的发酵产量和加碱组的发酵产量随时间的变化显著不同，在第3天，WAS/FW*比例为1：1的VFA和乳酸产量增加，这与pH从4.6升高到5.1是同步的，其更好的发酵性能可能与发酵液的较高pH有关，其缓冲能力更高。因此，应限制共发酵混合物中FW的量，以保持pH值高于5.0。![]()
实验2中最大发酵产量（第6天）的COD发酵曲线。误差线表示标准偏差。![]()
图3。实验2中发酵产量（上图）和pH值（下图）的演变。误差线表示标准偏差。实验三对WAS进行自动水解预处理，探究其对共发酵的影响。WAS和WASp（经过预处理）单发酵比较，自动水解预处理在前四天中将WAS发酵产量提高了约25%（未处理组为135mgCOD/gVS，处理组为167mgCOD/gVS），但是从第五天开始两个样品的发酵产量相似，表明自动水解预处理可加快发酵速度，但不会增加WAS生物降解性。与未处理的WAS进行的共发酵混合物相比，用WASp进行的共发酵混合物显示出相似的发酵产量和发酵曲线，结果表明WAS自动水解预处理可能不是提高WAS/FW共发酵性能的合适方法。![]()
COD中的发酵曲线基于实验3中的最大发酵产量（第5天）。误差线表示标准偏差。![]()
实验3中发酵产量（上图）和pH值（下图）的演变。误差线表示标准偏差。本实验通过分批测试在不同的实验条件下研究了废活性污泥（WAS）和食物残渣（FW）共同发酵（混合物中WAS比例分别为50％，70％和90％）以生产羧酸，挥发性脂肪酸和乳酸。结果表明，共发酵条件下的发酵产率始终高于WAS和FW单发酵条件下的发酵产率。随着混合发酵中FW比例的增加，共发酵产量增加，这表明该改善主要是由于共发酵条件下FW降解率更高。从产物结构来看，随着FW在混合物中所占比例的增加，同时伴随pH值的降低，丁酸含量增加，乙酸和丙酸生成量降低。在额外加碱的条件下进行的实验表明，混合物中WAS的比例应足够大，以使pH值保持在5.0以上，避免碱的恒定投加。然而，发酵罐的操作条件应防止加入WAS的乙酸降解物的富集。最后，经自动水解预处理的WAS/FW共发酵混合菌体对共发酵动力学的改善很小，但并没有提高共发酵产量。总的来说，这些结果表明WAS/FW共发酵是在最大限度地减少化学试剂使用的同时提高发酵产量的一个机会。可以根据应用需求调整两种基材之间的比例，以调整产品的轮廓。论文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969720372946
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