隨著城鎮化和工業化進程的不斷推進，截至2019年底，我國剩余污泥產量已經接近6000萬t（含水率80%），預計2025年將會超過9000萬t。污泥中含有大量的有機物、重金屬、病原菌等，成分復雜、含水率高、容易腐敗。2022年，國家發展和改革委員會在《污泥無害化處理與資源化利用實施方案》中提出，2025年實現城市污泥無害化處置率達到90%以上，大力推進污泥能源資源回收利用。傳統的生物處理技術雖然能夠實現剩余污泥的無害化和穩定化，但是隨著“雙碳”目標的提出，其已經無法滿足我國低碳經濟發展的需求。

在當前低碳背景下，厭氧發酵被認為是實現剩余污泥資源化利用的重要手段，它通過將厭氧消化控制在酸化階段，從而將有機廢物轉化為高值產物，如揮發性脂肪酸（VFAs）、乳酸、乙醇等，具有廣泛的應用前景，如生物脫氮除磷、生物能源。其中，VFAs作為發酵過程中的重要產物之一，是化學產品合成的重要前體物質，包括聚羥基烷酸酯（PHAs）、生物燃料等。近年來其也被用于單細胞蛋白生產、香料合成等領域。同時，有研究表明剩余污泥厭氧發酵的碳回收率可達21.2%，對實現“雙碳”目標具有重要意義。然而，由于剩余污泥生物降解性較差、水解效率較低，嚴重抑制了其單獨厭氧發酵產酸效能。厭氧共發酵是一種新興的發酵策略，通過將2種或2種以上的有機廢物同時發酵以提高產酸量。厭氧共發酵克服了剩余污泥單獨發酵的缺陷，可以有效提升生物降解性和水解效率，同時還具有稀釋潛在有毒有害物質，改變有機組成等優點。

目前在剩余污泥厭氧共發酵研究中，主要通過加入餐廚垃圾、農業廢棄物等有機固廢促進共發酵產酸效能。然而，現有研究對剩余污泥厭氧共發酵產酸的機理以及優化調控手段等缺乏系統性梳理和探討。因此，本文將綜合分析剩余污泥與其他有機固廢厭氧共發酵產酸效能，討論工藝參數對厭氧共發酵過程的影響，提出剩余污泥厭氧共發酵產酸的下游應用（詳見圖1），并從能源與經濟的角度對剩余污泥厭氧共發酵技術進行展望，以期為剩余污泥厭氧共發酵技術的低碳化應用提供參考。

圖1 剩余污泥厭氧共發酵產酸研究進展總覽

低碳背景下，剩余污泥的資源化利用是實現污水處理廠有機固廢減污降碳協同增效的重要舉措。厭氧共發酵技術則是實現污泥資源化利用的最有效手段之一。通過剩余污泥與其他有機固廢厭氧共發酵產生的高值產物（如揮發性脂肪酸等）可廣泛應用于工業產品生產中，在實現污泥資源化利用的同時，降低了碳排放。然而，現有研究主要聚焦在剩余污泥厭氧共發酵產酸效能的探討，在共發酵產酸的機理及優化調控手段等方面缺乏系統性的總結與分析。因此，基于以往研究，系統分析了剩余污泥與餐廚垃圾、農業廢棄物等共發酵產酸效能，討論了C/N值、pH值、溫度以及污泥停留時間等工藝參數對剩余污泥厭氧共發酵過程的影響，提出了剩余污泥厭氧共發酵產酸的下游應用，并從能源與經濟角度對剩余污泥厭氧共發酵技術進行了展望，以期為剩余污泥厭氧共發酵技術的低碳化應用提供參考。

目前，國內外研究主要聚焦剩余污泥和餐廚垃圾厭氧共發酵產酸過程。餐廚垃圾作為一種高生物降解性、非均質、低堿度的有機固體廢棄物，其在厭氧共發酵過程中能夠提升底物的C/N值，促進發酵產酸過程。同時，污泥的高緩沖能力能夠維持適宜pH值，防止產酸過程中pH值過低導致功能細菌代謝活性受到抑制。表1總結了剩余污泥與常見的餐廚垃圾厭氧共發酵產酸效能。與剩余污泥單獨發酵相比，剩余污泥和餐廚垃圾共同發酵的產酸量更高，且其產酸量與餐廚垃圾占比呈正相關。例如，Vidal-Antich等研究發現，當餐廚垃圾的占比從0%提高到50%時，總酸產量由95mg COD/gVS提高至489mg COD/gVS，該結果與Ma等的研究相近，均發現VFAs的產率隨著餐廚垃圾占比的提升而增加。該研究還發現，隨著餐廚垃圾的引入，產酸菌的豐度迅速增加，表明有機質的引入為微生物提供了富足的營養條件，從而提升了功能微生物的豐度，最終促進了底物發酵產酸過程。同時餐廚垃圾中的易生物降解底物可能是共發酵產酸量的主要貢獻者。

表1 剩余污泥與餐廚垃圾厭氧共發酵的產酸效能

餐廚垃圾的引入除了顯著提升共發酵體系的產酸量外，還會影響VFAs的組成。Vidal-Antich等的研究表明，剩余污泥與魚肉等富含蛋白質的餐廚垃圾厭氧共發酵產物以乙酸、丁酸為主，而與大米等富含碳水化合物的餐廚垃圾共發酵主要生成乙酸、丙酸、正丁酸。而Ma等的報道則和上述研究結果有很大不同，他們發現淀粉類物質會促進丁酸和乙醇的生成，脂類和蛋白質則有利于丙酸和戊酸的合成，該結果由底物特性差異導致功能微生物分布差異所致。其中，淀粉含量高的原料會使得厭氧桿菌（Anaerobacillus）、梭菌（Clostridium）、雙芽孢桿菌（Amphibacillus）等微生物富集；而隨著原料中脂質含量的增加，哈夫尼亞屬（Hafnia）、布羅絲菌屬（Brochothrix）和明串珠菌屬（Leuconostoc）豐度顯著提升。Bevilacqua等和Peces等的研究也得到了類似結論，這也說明了實際發酵產物預測的復雜性。此外，有研究進一步發現，富含碳水化合物的食物垃圾作為共發酵底物時產生的VFAs量最高（順序為小麥>玉米>大米>豆類>肉類），該結果可能是由于肉類和豆類相較于碳水化合物更難降解所致。因此，未來需要進一步探究餐廚垃圾組分對剩余污泥厭氧共發酵的影響及作用機制。

隨著社會對于農產品需求的不斷增加，大量農業廢棄物也隨之產生。與餐廚垃圾相比，農業廢棄物中含有大量難生物降解物質（如纖維素、半纖維素、木質素等），水解速率較慢，單獨發酵效率低下。而剩余污泥中豐富的功能微生物將有助于提升農業廢棄物的水解速率，從而促進發酵產酸效能。已有文獻報道了水稻、玉米秸稈、指甲花植物以及黑麥草等多種農業廢棄物與剩余污泥厭氧共發酵產酸的效能（表2）。例如，Yin等利用剩余污泥與富含木質纖維素的生物質（銀杏葉、草）共發酵評估中鏈脂肪酸的生產效能，發現己酸的產量顯著提升。其中，污泥與草共發酵時己酸產量最高（89.5mmol C/L），比各自單獨發酵分別提高了18.0%和41.7%；而污泥與銀杏葉共發酵時可產生63.8mmol C/L己酸，比單獨發酵分別提高了11.1%和1.03%。產酸效能提升不顯著原因可能是木質纖維素生物質的復雜結構可以抵抗發酵過程中的酶促攻擊，從而降低自身水解以及生物降解速率。因此，農業廢棄物在厭氧共發酵前通常需要經過熱、堿、機械等預處理，其環境經濟效益還需進一步評估。

表2 剩余污泥與農業廢棄物厭氧共發酵產酸效能

為了解決上述問題，細胞外氧化還原介質（一種次生代謝物）被報道可以作為電子穿梭系統來改善功能酶的活性，從而提升木質纖維素生物質的水解速率。指甲花作為一種富含碳水化合物的植物生物質，其體內含有豐富的基于醌基團的細胞外氧化還原介質，因此可以對剩余污泥共發酵產酸產生積極影響。Huang等研究發現，將剩余污泥與指甲花進行共發酵處理時，VFAs產量約為剩余污泥單獨發酵的2.6倍。同時，當指甲花的占比從25%增加到75%時，VFAs產量提升了1倍，進一步探究發現，指甲花酮（指甲花的次生代謝物）在發酵過程中能夠快速釋放到液相中并被有機質吸附，隨后通過自身電子穿梭系統強化表面生物質的水解和氧化，以此促進發酵進程。此外，指甲花酮甚至還能抑制發酵系統中產甲烷菌活性，從而減少發酵過程中VFAs的消耗。該結果也說明了農作物和一些植物的次生代謝物如酚、生物堿、萜烯、類固醇等可能在促進剩余污泥共發酵產酸方面具有一定潛力。

剩余污泥是一種含氮量高、生物降解性低的基質，其C/N值通常為6~9。有研究表明將C/N值調節至20/1~30/1能夠提升厭氧發酵細菌的代謝能力。通過引入其他有機固廢有助于提升C/N值，從而促進厭氧發酵產酸。例如，Jia等研究剩余污泥與農業廢棄物厭氧共發酵時發現，當C/N值為18/1、20/1、22/1時VFAs產量較高，與Rughoonundun等以及Xia等報道的最佳C/N值范圍一致。同時，在最佳C/N值條件下，蛋白質和難降解碳水化合物（纖維素、木質素）的降解程度更高，這可能是由于產酸功能酶在最佳C/N值下的活性更高所致。Chen等在利用餐廚垃圾作為厭氧共發酵底物時也發現，當發酵系統的C/N值為22時，微生物和功能酶的代謝活性相對較高。此外，C/N值還會影響VFAs的組分分布。有研究發現，隨著C/N值的升高，發酵產物中丁酸比例顯著上升，而丙酸積累明顯下降。因此，C/N值是影響剩余污泥厭氧共發酵的關鍵參數，未來還應進一步探討C/N值對剩余污泥厭氧共發酵產酸的作用機制，從而有效調控產酸量和產物分布。

pH值是影響剩余污泥厭氧共發酵產酸量和產物組成的重要因素之一。Feng等探究了pH值對剩余污泥與餐廚垃圾共發酵產酸的影響，發現當pH值為8和9時VFAs產量最高，該結果可能與功能菌在該pH范圍內代謝活性較高有關。Xin等則發現在氧化還原電位的作用下，pH值為6.5~7.5是剩余污泥厭氧共發酵的最佳產酸范圍。進一步研究發現，當發酵pH值控制在6~9時，發酵產物以丙酸、乙酸和正丁酸為主；而當pH值控制在10~11時，乙酸占比最高，該結果與Moretto等的研究一致，主要原因是pH會顯著影響發酵過程中微生物的活性及群落結構。當pH過低時，水解和酸化細菌的活性會受到強烈抑制，從而降低了VFAs生物合成效能。同時，上述研究也發現在pH6~8內，剩余污泥與碳水化合物共發酵系統中，具有產乙酸和丙酸能力的微生物（梭狀芽胞桿菌（Clostridia）、β-變形桿菌（β-Proteobacteria）、擬桿菌（Bacteroidetes）等）顯著富集，而這些優勢菌屬的形成將大大促進發酵產酸過程。總之，中性和偏堿性pH值有利于剩余污泥共發酵產酸，然而由于發酵產物的酸性特質，隨著發酵的進行pH值會逐漸降低，因此需要大量化學物質來維持中性或偏堿性條件。這不僅會提升操作成本和工藝復雜性，同時堿性化學物質因其鹽度含量較高還可能限制發酵殘渣作為肥料使用。因此，未來還需要進一步探究更多的pH調控方式。

溫度可通過影響生化反應（如酶活性、微生物生長、代謝速率等）以及物理化學過程（如傳質、化學平衡、氣體溶解度等）等，從而影響共發酵產酸效能。Chen等結合模型分析探究了溫度對于剩余污泥與餐廚垃圾共發酵產酸的影響，實驗結果和預測結果均證實當溫度為37℃時，系統可達最大VFAs產量692.40mg COD/g VS。Moretto等也發現，以餐廚垃圾作為共發酵底物時，中溫條件（35℃）下共發酵產酸量最高。進一步研究發現，溫度在20℃與35℃時主要產物為乙酸和丙酸，而當溫度提升至50℃和60℃時，產物中乳酸占比相對較高。因此，通過控制剩余污泥共發酵過程中的溫度條件，可以有效調節產酸量和產物分布。盡管高溫條件有助于提升有機質的增溶效率，但也會抑制部分種類功能細菌的活性，從而影響共發酵產酸效能。因此，未來可進一步探討中溫及低溫條件對于剩余污泥厭氧共發酵產酸的作用機制。

污泥停留時間（SRT），也稱污泥齡，是指污泥從進入反應器到完全排出所需的時間，其影響著功能微生物群落平衡。Chen等發現在SRT為6d 時，剩余污泥和餐廚垃圾厭氧共發酵可達最大的VFAs產量。Wu等的研究證實了相同的結論，并且發現SRT過長會導致VFAs發生進一步轉化，而SRT過短，則會導致有機物未被轉化成VFAs就已經被排出。此外，在剩余污泥與農業廢棄物共發酵體系中，Guo等發現在SRT為8d時，厭氧共發酵的VFAs產量達到最大值；同時系統中有機負荷隨著SRT的降低而增加，而發酵液中可溶性碳水化合物的濃度隨著SRT的降低而降低。因此，在剩余污泥厭氧共發酵過程中，通過優化SRT可以有效提升VFAs產量。實際運用中剩余污泥厭氧共發酵過程可能受到多種因素協同作用，未來仍需探究多種因素之間相互作用機制，從而更好地優化調控工藝參數。

針對我國城鎮污水氮磷污染去除問題，傳統污水生物處理工藝通常需要額外投加碳源以強化生物脫氮除磷效能。然而，常規投加的碳源（如葡萄糖）成本高昂，而厭氧發酵產生的VFAs被認為是污水生物處理的可替代碳源。圖2a為剩余污泥厭氧共發酵產酸強化污水廠生物脫氮除磷的路線。Pang等發現，剩余污泥厭氧共發酵系統的碳源釋放量可達1785.7mg/L，其中總可溶性碳源以乙酸為主（44.4%~83.9%），生物可利用碳的回收率可達38.0%，該結果充分體現共發酵液的生物可利用性。同時有研究表明，VFAs含量的升高可促進微生物反硝化脫氮能力。而對于除磷工藝而言，以VFAs為碳源的生物除磷工藝比化學除磷工藝更具成本優勢。相比于剩余污泥單獨發酵，共發酵顯著提升了VFAs產量，有助于進一步推動以VFAs作為碳源提升生物脫氮除磷效能，從而強化其在污水生物處理中的應用前景。

圖2 剩余污泥厭氧共發酵產酸下游應用

近年來，聚羥基烷酸酯（PHAs）作為一種新型環保材料備受矚目。由于其與傳統的衍生塑料在結晶度、抗張強度、熔點等方面的相似特性，以及本身具有的良好光學活性、壓電性及生物可降解性等，因而被認為是傳統塑料的優良替代品，然而高昂的生產成本限制了其推廣應用。傳統的PHAs生產工藝通常采用純菌培養，該工藝對于滅菌要求高，后續加工處理還會進一步提升生產成本。由于PHAs生產中約50%的成本來源于底物，因此利用VFAs作為PHAs合成的前體物質成為經濟性生產的可行選擇（圖2b）。例如，Moretto等利用剩余污泥與餐廚垃圾厭氧共發酵產生的VFAs制備PHAs，結果表明與單獨發酵的上清液相比，共發酵的上清液有助于提升PHAs合成系統的碳負荷，從而提升了PHAs的積累量。Lanfranchi等通過將剩余污泥與蔬菜進行共發酵，也發現共發酵液實現了高效的PHAs生產（0.37g/g）。因此，剩余污泥厭氧共發酵生成的VFAs可有效提升PHAs產量并降低合成成本，但其所帶來的環境影響仍需進一步評估。

微生物燃料電池（MFC）是一種利用電活性微生物氧化有機物，將化學能轉化為電能的新型低碳技術。在MFC中，微生物通過氧化有機物產生電子，電子通過外電路傳遞從而產生電能，同步實現了污染物降解和產能需求。有研究表明，將剩余污泥厭氧共發酵產生的VFAs用作MFC系統中的有機底物，是經濟有效的選擇（圖2c）。例如，Chen等將剩余污泥與餐廚垃圾共發酵產生的發酵液用于MFC中，發現相比使用剩余污泥單獨發酵上清液，共發酵上清液作為底物時產電能力顯著提升，可能是由于共發酵上清液中乙酸含量較高，其被報道是MFC中電活性微生物的首選底物。Du等也發現當剩余污泥和餐廚垃圾以1∶4（質量比）的比例混合時，利用共發酵液的MFC系統的庫倫效率從6.1%提升到了31.3%。盡管將共發酵產生的VFAs用作MFC系統底物可以有效降低運行成本，但是較低的產電效率限制了其進一步推廣和發展，未來仍需進一步優化剩余污泥厭氧共發酵產酸效能以及MFC裝置結構。

共發酵技術是提升剩余污泥厭氧發酵產酸效能的重要途徑。目前已開展了剩余污泥和多種有機固廢厭氧共發酵產酸研究，包括餐廚垃圾、農業廢棄物等。綜合分析已有研究結果，剩余污泥厭氧共發酵一般在中性pH值附近，SRT6~8d以及中溫條件下達到最大VFAs產量。然而由于不同底物性質及實驗條件的差異，最佳發酵條件還需要通過進一步確定。未來可以從以下方面進行深入探究：

1）不同底物對剩余污泥厭氧共發酵產酸的影響機制。共發酵技術的目的是為了提升系統的可生物降解性從而促進發酵產酸過程，然而不同共發酵底物的組成成分、原生微生物群落等均不相同，因此需要深入探究不同底物對于污泥共發酵過程的影響機制，從而優化調控污泥厭氧共發酵產酸效能。

2）全面解析剩余污泥厭氧共發酵各影響因素之間的相互作用關系。污泥厭氧共發酵過程受到多種因素的共同影響，目前大多數研究仍停留在單因素分析，各影響條件之間的相互作用關系尚不明晰。

3）綜合評估厭氧共發酵工藝與下游應用相耦合的經濟性和可行性。盡管目前針對共發酵產物應用于生物技術和產品生產已開展了相關研究，但是對于耦合工藝的環境經濟效益仍缺乏全面系統評估。

陳銀廣，同濟大學環境學院教授，主要從事污染控制與資源化的研究。以第一或通訊作者在國內外學術期刊發表論文100余篇；主持了國家重大專項、國家杰出青年基金、國家863等國家級項目；2014年以來一直入選中國高被引學者榜單(環境類)；擔任《環境工程》編委、Water Research期刊Associate editor。