随着我国社会经济和城市化的发展，城市污水的产生及其数量在不断增加，城市污水处理厂正如雨后春笋般在全国各城市建成并投入运行。大量污水处理厂的兴建对防治我国的水污染问题起到了积极作用，但是由此带来的污水处理副产物——城市污泥产量随之激增。根据住建部资料显示，截止到2013 年年底，全国城镇污水处理厂超过3500 座，全国湿污泥(含水率80%)产生量在3000 万~3500 万吨。根据调研结果显示，我国污水处理厂所产生的污泥，有80%没有得到妥善处理。污泥的含水量高，易腐烂，成分复杂，不仅含有大量有机质、N、P、K 等营养元素，而且含有大量的病原菌、细菌、寄生虫卵及重金属等有毒有害物质及致癌物质，不当存放时会产生强烈恶臭。同时，若污泥不经处理随意堆放，经过雨水的侵蚀和渗漏作用，极易对地下水、土壤等造成二次污染，直接危害环境安全和人类身体健康。目前，我国污泥随意堆放所造成的污染与再污染问题已经凸显出来，并且引起了全社会的关注。
城市污泥产生与排放状况
随着我国城市化进程的加快，城市污泥的产量逐年升高。据环保部统计，至“十二五”期末我国湿污泥量（含湿量80%）将突破4600 万t。到2013 年3 月31 日，我国各城市、县总共有3451 座污水处理厂，日污水处理量达到1.45 亿m3。到2014 年12 月，全国正常运行的生活污水处理厂达到4000 座，“十二五”期间污水处理能力还将持续增加。我国的污水处理工艺大都以活性污泥法（占到86.2%）为主。其处理污水的过程中，会产生大量的剩余污泥，其数量约占处理水量的0.3%~0.5%（以含水率 97%计）。据有关统计资料显示，目前我国城镇污水处理厂产生的污泥量（干重）约为1000 万t/a，占我国总固废量的3.2%，并且正以大于10%的年增长率逐年增长。
随着污水处理量的日渐提高，污水厂污泥产量也大幅上涨。据污水处理处置市场报告（2010），2009 年我国城市污泥总产量达到2050 万t，2010 年上涨至3000 万 t，若按照15%的年增长率变化，“十二五”期间城市污水处理厂的污泥产量将突破4600 万t。截至2014 年年底。全国污泥处理处置设施建设仅完成“十二五”规划目标的43.4%，即224.81 万t/a，这比国家规划的污泥处理量少293.29万t/a。我国现有污水处理设施中，有污泥稳定处理设施的还不到25%，多数污水处理厂的污泥处理办法是将污泥经适当浓缩运至垃圾填埋厂或直接堆放，易造成二次污染和资源浪费，如何合理处置污泥已成为非常紧迫的任务。
城市污水厂污泥来源
城市生活污水污泥（简称城市污泥）是城市生活污水处理过程中产生的泥状物质总称，其来源和形成过程十分复杂，不同来源的污泥，其物理、化学和微生物学特性也不同。由于我国生活污水性质和处理工艺的相似性，使得城市污泥的来源和性质在总体上具有相似性。我国实行二级处理的城市污水厂污泥产生量中，初沉污泥和剩余污泥两者占到总量的90%以上，这也是污泥处理与处置的主要对象。表1列举了不同来源的污泥及其特性。
表1 污泥来源及其特性
污泥厌氧发酵产挥发性脂肪酸的原理
根据经典厌氧消化理论，可将城市污泥厌氧发酵产酸分为四个阶段，分别为污泥颗粒的分解、大分子物质水解为小分子物质、小分子可溶性物质的水解发酵产酸和产氢产乙酸阶段，如图2所示。
图2 污泥厌氧发酵产酸过程
1）污泥颗粒的分解阶段
城市污泥是由固体颗粒、微生物、有机高分子和阳离子形成的多孔菌胶团。在此阶段块状的污泥颗粒分解为易被胞外酶水解的小颗粒物质，污泥颗粒粒径变小。
2）大分子物质的水解阶段
此阶段的产物以氨基酸、单糖和长链脂肪酸为主。污泥中的主要有机成分可分为蛋白质、碳水化合物及脂类物质。大分子蛋白质在微生物分泌的蛋白水解酶作用下，在肽键处裂解，生成多肽，再生成二肽，多肽和二肽可在肽酶作用下水解生成各种氨基酸；而碳水化合物在相应的水解酶作用下分解为多糖、再生成寡糖，寡糖最后水解成各种单糖；脂类物质则在脂酶的作用下水解生成链脂肪酸。
3）小分子可溶性物质水解发酵产酸阶段
此阶段产生的物质主要包括各种挥发性有机酸（VFAs）如乙酸、丙酸、异丁酸、丁酸、戊酸和异戊酸等以及醇类和酮类物质等。底物不同，发酵产酸的代谢途径也不同。单糖一般通过EMP、HMP 或ED 途径酵解为丙酮酸，然后丙酮酸在厌氧条件下被各功能厌氧微生物经不同的代谢途径形成多种VFAs 代谢产物。氨基酸主要通过两条途径降解产生VFAs：一条为单氨基酸在食氢厌氧微生物拉动下水解或还原脱氨，再形成VFAs，如丙氨酸、谷氨酸、组氨酸等。另一条为Stickland 反应，即在两种氨基酸之间，一种氨基酸作为电子供体，另一种氨基酸作为电子受体的氧化-还原脱氨基反应。在以蛋白质为主的底物厌氧发酵产酸过程中，单氨基酸经非耦合脱氨途径产酸的方式一般在体系中缺少作为电子受体的氧化性氨基酸时才发生。
4）产氢产乙酸阶段
发酵阶段的末端产物（VFAs、醇类及乳酸等）在此阶段进一步转化为乙酸、氢气、碳酸等物质。需要说明的是此阶段的反应只有在乙酸浓度和溶液中氢分压都较低时才能发生。其反应如下：
CH3CH2OH + H2O→CH3COOH + 2H2
CH3CH2COOH + 2H2O→CH3COOH + 3H2 +CO2
CH3CH2CH2COOH + 2H2O→2CH3COOH + 2H2
CH3CH2CH2CH2COOH + 2H2O→CH3CH2CH2COOH + CH3COOH + 2H2
成分复杂的有机废弃物厌氧降解产酸过程涉及的代谢途径众多，到目前为止，国内外学者对厌氧产酸代谢途径的分析多集中于简单的有机底物如葡萄糖等，而对于有机成分复杂的底物如城市污泥等厌氧生物转化为挥发性脂肪酸的主要代谢途径鲜有探讨。
污泥产挥发性脂肪酸的资源化利用
污泥厌氧发酵所得到的有机酸为混合的挥发性脂肪酸，常见的为乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、异丁酸、异戊酸等，而这些酸在国民经济的各个部门都具有广泛的用途。
乙酸也叫醋酸，2005年全球醋酸产能约1018.8万t/a，产量787.4万t，我国醋酸生产能力约200万t/a，占世界醋酸总生产能力的20%，产量为137万t，虽然国内醋酸生产能力不断提高，产量不断上升，但尚不能满足国内需求，进口量呈逐年上升趋势，由2000年的10.36万t增至2005年的54.2万t。醋酸本身也可以作为一种小分子有机酸，可以作为微生物的碳源，也是一种良好的发酵底物。醋酸的价格随市场变化变动较大。
丙酸是重要的化工原料，广泛应用于食品、饲料、橡胶、塑料、油漆、涂料、香料、医药、农药、印刷等领域。全球2003年丙酸需求量约为25万t，国内目前丙酸的需求量达2.5万～3.0万t/a。主要用作饲料和食品工艺的防腐剂，农业上的除草剂和杀菌剂，医药工业生产维生素B6 等。目前中国市场价格在11000～12000元/t 之间。
目前我国的污泥处理形势十分严峻，多数情况下仅实现了污泥的转移，而未能将污染成分无害化，资源化利用率更是亟待提高，引进国外的技术和相关设备不仅昂贵的投资费用难以接受，而且由于污泥成分的差别往往很难达到预期效果。为了加快我国污泥处理工艺的更新换代，以满足对环境保护的迫切要求，结合具体国情，依靠自身力量对城市污泥的处理、处置及资源化利用开展基础研究是十分必要的。
本文由李文超摘编自刘和著《城市污泥厌氧发酵产挥发性脂肪酸：原理与应用》一书，略有改动。
978-7-03-046193-3
《城市污泥厌氧发酵产挥发性脂肪酸：原理与应用》是作者多年来在污泥厌氧发酵产酸资源化利用领域研究的结果，系统总结了城市污泥的理化特性及其对厌氧发酵产酸的影响，阐述了污泥产酸的微生物学原理，着重阐述了污泥产酸发酵的各种工艺，最后对污泥产有机酸在污水脱氮除磷领域的应用进行了阐述。本书是作者对所主持的国家自然科学基金以及863计划等多项科研项目研究成果的整理和提炼，系统阐述污泥产酸及其资源化利用的专著，提出了很多新观点和新理论，其内容新颖、理论体系完整，具有科学性、前沿性、实践性和指导性。
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