宋　娜，汪群慧*，王利紅，于　淼，常　強(qiáng)，趙娜娜，吳川福（.北京科技大學(xué)環(huán)境工程系，北京 00083；.邯鄲職業(yè)技術(shù)學(xué)院建工系，河北 邯鄲 05600）

乙醇預(yù)發(fā)酵對(duì)餐廚垃圾與酒糟水解酸化和甲烷發(fā)酵的影響

宋娜1，汪群慧1*，王利紅2，于淼1，常強(qiáng)1，趙娜娜1，吳川福1（1.北京科技大學(xué)環(huán)境工程系，北京 100083；2.邯鄲職業(yè)技術(shù)學(xué)院建工系，河北 邯鄲 056001）

為了解決餐廚垃圾與酒糟干式甲烷發(fā)酵過程易酸化問題，考察了兩種乙醇預(yù)發(fā)酵方式-餐廚垃圾單獨(dú)預(yù)發(fā)酵和餐廚垃圾與酒糟混合預(yù)發(fā)酵對(duì)底物水解酸化和甲烷發(fā)酵的影響，并與不進(jìn)行乙醇預(yù)發(fā)酵的對(duì)照組比較.結(jié)果顯示，對(duì)照組、餐廚垃圾單獨(dú)預(yù)發(fā)酵組（簡稱“FW預(yù)發(fā)酵組”）、餐廚垃圾與酒糟混合預(yù)發(fā)酵組（簡稱“FW+DG預(yù)發(fā)酵組”）的甲烷總產(chǎn)率分別為22.8，222.4，231.3mL/gVS.乙醇預(yù)發(fā)酵可以促進(jìn)發(fā)酵底物的水解，預(yù)發(fā)酵結(jié)束后，F(xiàn)W預(yù)發(fā)酵組發(fā)酵底物中的乙醇、總揮發(fā)性脂肪酸（TVFA）、乙酸濃度與對(duì)照組相比分別提高了4.5、1.4、4.9倍，F(xiàn)W+DG預(yù)發(fā)酵組則分別提高了7.8、1.6、5.9倍.另外，在甲烷發(fā)酵過程中，預(yù)發(fā)酵組的乙醇濃度顯著高于對(duì)照組，而乙酸、丙酸和TVFA濃度明顯低于對(duì)照組，表明乙醇預(yù)發(fā)酵使有機(jī)物更多的轉(zhuǎn)化為乙醇，減少了有機(jī)酸的生成，有效緩解甲烷發(fā)酵過程中的酸積累、產(chǎn)甲烷受抑制等問題.

酸控方式；乙醇預(yù)發(fā)酵；餐廚垃圾；酒糟；水解酸化；甲烷發(fā)酵

餐廚垃圾有機(jī)成分含量高，生物降解性好，產(chǎn)甲烷潛能高，是良好的甲烷發(fā)酵底物［1-2］.中國酒文化豐富，釀酒蒸餾后的副產(chǎn)物酒糟產(chǎn)量巨大，種類繁多，含有豐富的有機(jī)物，可采用生物法（甲烷發(fā)酵、乳酸發(fā)酵等）進(jìn)行資源化利用［3-4］.厭氧發(fā)酵回收沼氣作為一種有機(jī)廢物資源化利用途徑，因其簡單、高效的工藝特點(diǎn)，清潔、環(huán)保的技術(shù)理念及對(duì)節(jié)能減排的突出貢獻(xiàn)而備受關(guān)注［5-6］.

近年來，干式厭氧發(fā)酵以其有機(jī)負(fù)荷高、單位容積產(chǎn)氣量高、不需額外添加水分、沼液產(chǎn)量小等優(yōu)點(diǎn)［7-8］，受到了國內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注.梁越敢等［8］研究了干發(fā)酵對(duì)稻草結(jié)構(gòu)及沼氣產(chǎn)量的影響，干發(fā)酵稻草60d實(shí)現(xiàn)了278.1mL/gVS的沼氣產(chǎn)量.但餐廚垃圾干式厭氧消化時(shí)，由于底物易降解，在發(fā)酵初期揮發(fā)性脂肪酸易積累，體系pH值下降呈酸性，產(chǎn)甲烷菌（適宜pH值為 6.8～7.2）受到嚴(yán)重抑制而停止產(chǎn)氣［9-10］.傳統(tǒng)的緩解干式發(fā)酵體系酸化的方式是向發(fā)酵體系中添加堿類物質(zhì)（CaCO3、Na2CO3、NaHCO3等）使系統(tǒng)pH值維持中性［11-12］，然而這種方式不僅增加了成本，步驟繁瑣，需要在線監(jiān)測與調(diào)控，且系統(tǒng)恢復(fù)時(shí)間較長甚至無法恢復(fù).因此，提出一種從根本上緩解發(fā)酵體系酸化、加強(qiáng)體系自身緩沖能力的措施十分必要.

本文比較了餐廚垃圾與酒糟混合預(yù)發(fā)酵、餐廚垃圾單獨(dú)預(yù)發(fā)酵以及原料未預(yù)處理的pH值、TVFA、乙醇、乙酸和丙酸濃度等指標(biāo)，研究乙醇預(yù)發(fā)酵對(duì)發(fā)酵底物水解酸化和甲烷發(fā)酵的影響及機(jī)理.以期找到一種能提高發(fā)酵體系自身緩沖能力的有效方式，解決餐廚垃圾干式厭氧消化中經(jīng)常出現(xiàn)的酸抑制問題，為同領(lǐng)域研究及工程實(shí)際應(yīng)用提供參考.

1　材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料

厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷的原料：餐廚垃圾取自北京科技大學(xué)學(xué)生食堂，經(jīng)簡單分揀、絞碎后放入冰箱（-20℃）冷藏備用；酒糟取自北京某白酒廠，研磨后放入冰箱（-20℃）冷藏備用；接種污泥取自肖家河污水處理廠二沉池出泥，本實(shí)驗(yàn)室對(duì)其進(jìn)行甲烷發(fā)酵的長期馴化.三種原料的主要成分指標(biāo)見表1.

表1　甲烷發(fā)酵的原料組成Table 1　Characteristics of the substrates used in methane fermentation

1.2實(shí)驗(yàn)方法

本研究按表2設(shè)計(jì)了3組不同的干式甲烷發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，以研究不同乙醇預(yù)發(fā)酵方式防止物料酸化的效果.各發(fā)酵組物料添加量為：污泥、餐廚垃圾、酒糟分別為300，40，30g，不加水，混合物料（餐廚垃圾+酒糟+接種污泥）的總固體含量（TS）和揮發(fā)性固體含量（VS）均分別為16.21%和11.58%.

表2　不同預(yù)發(fā)酵方式Table 2　Details of different ethanol pre-treatment methods

乙醇預(yù)發(fā)酵方法：按照 0.5‰的干重比例向乙醇發(fā)酵底物中接種安琪活性干酵母粉（安琪酵母股份有限公司生產(chǎn)）作為產(chǎn)乙醇菌，不斷攪拌以使乙醇菌與底物充分接觸，乙醇預(yù)發(fā)酵槽恒溫保持在（30±1）℃，缺氧環(huán)境，乙醇預(yù)發(fā)酵時(shí)間為24h.

甲烷發(fā)酵方法：經(jīng)過不同乙醇預(yù)發(fā)酵方式處理的發(fā)酵底物，放入 500mL厭氧發(fā)酵槽中，添加消化污泥并混合均勻，各發(fā)酵組中污泥：餐廚垃圾：酒糟（VS比）均為2.2：1：1.1.向反應(yīng)器內(nèi)通入氮?dú)猓?min） 以排出殘留空氣，將各發(fā)酵槽放置于THZ-82數(shù)顯恒溫氣浴振蕩器內(nèi)，保持發(fā)酵溫度在（35±1℃）進(jìn)行甲烷發(fā)酵.除 pH調(diào)節(jié)組外，對(duì)照組與乙醇預(yù)發(fā)酵組均不調(diào)解pH值.每3d取1次發(fā)酵液，分別測定總揮發(fā)性有機(jī)酸濃度、有機(jī)酸組成、乙醇濃度、pH值等；每天取氣體樣分析甲烷組成及產(chǎn)氣量；發(fā)酵前后測TS和VS等指標(biāo).甲烷發(fā)酵槽底端設(shè)置有沼液與沼渣排放口.發(fā)酵過程產(chǎn)生的氣體通過導(dǎo)氣管和集氣袋收集.

1.3分析方法

用減重法［13］分析 TS、VS及灰分含量，用pHS-3C型數(shù)字式酸度計(jì)測定 pH值；用比色法［14］（725N型分光光度計(jì)）測定總揮發(fā)性脂肪酸（TVFA）；乙醇濃度采用生物傳感器分析儀（山東省科學(xué)院生物研究所）測定；各有機(jī)酸濃度測定采用日本島津公司高效液相色譜儀 LC-20AT，所用檢測器為 SPD（紫外分光檢測器）-20A；色譜柱為Inertsil ODS-SP （5μm 4.6×250mm），以超純水（pH值用磷酸調(diào)至2.5～3.0）作為流動(dòng)相；流速為0.8mL/min；柱溫為室溫；二極管陣列檢驗(yàn)波長為210nm［15］.

沼氣中甲烷成分的測定采用島津 CP 3800氣相色譜儀，色譜條件：填充柱為CP-Porabond Q （1.80m×3.20mm，80～100目）；檢測器為TCD；載氣為氦氣；柱溫、檢測器、進(jìn)樣口的溫度分別為50、90、40℃［16］.

2　結(jié)果與討論

2.1乙醇預(yù)發(fā)酵方式對(duì)甲烷產(chǎn)量的影響

圖1　乙醇預(yù)發(fā)酵對(duì)甲烷產(chǎn)量的影響Fig.1　Effect of different ethanol pre-treatment methods on methane yield

餐廚垃圾單獨(dú)預(yù)發(fā)酵組、餐廚垃圾與酒糟混合預(yù)發(fā)酵組的原料按1.2所述方式進(jìn)行乙醇預(yù)發(fā)酵后，與未經(jīng)乙醇預(yù)發(fā)酵的對(duì)照組在相同條件下進(jìn)行甲烷發(fā)酵.其產(chǎn)氣結(jié)果如圖1所示.

由圖1a可以看出，在甲烷發(fā)酵第3d，各發(fā)酵組甲烷產(chǎn)量出現(xiàn)不同程度地降低.對(duì)照組產(chǎn)甲烷受到嚴(yán)重抑制，7～15d有極少量的甲烷產(chǎn)生，之后直至發(fā)酵結(jié)束仍未恢復(fù)產(chǎn)甲烷；FW預(yù)發(fā)酵組產(chǎn)甲烷停滯期為3d（第3～5d），后迅速恢復(fù)；FW+DG預(yù)發(fā)酵組產(chǎn)甲烷量有所下降，但下降幅度很小，發(fā)酵受抑制現(xiàn)象最不明顯.

由圖 1b可知，甲烷總產(chǎn)率由大到小的順序是：FW+DG預(yù)發(fā)酵＞FW預(yù)發(fā)酵＞對(duì)照組，但兩預(yù)發(fā)酵組相差很小. FW+DG預(yù)發(fā)酵組產(chǎn)氣速率最快，前 11d平均日產(chǎn)甲烷率達(dá) 19.90mL/（d·gVS），為對(duì)照組和FW預(yù)發(fā)酵組的14.4、1.5倍.累計(jì)甲烷產(chǎn)率達(dá)200mL/gVS時(shí)，F(xiàn)W+DG預(yù)發(fā)酵、FW預(yù)發(fā)酵用時(shí)分別為10，18d，說明FW+DG預(yù)發(fā)酵組產(chǎn)甲烷速率明顯大于FW預(yù)發(fā)酵組.

由以上結(jié)果可知：對(duì)照組的甲烷菌會(huì)受到嚴(yán)重抑制，系統(tǒng)自身很難恢復(fù)產(chǎn)甲烷；而經(jīng)乙醇預(yù)發(fā)酵的兩組系統(tǒng)自身緩沖能力較強(qiáng)，恢復(fù)產(chǎn)甲烷的速度較快，產(chǎn)甲烷速率也大大提高.

2.2乙醇預(yù)發(fā)酵酸控方式對(duì)底物水解酸化和甲烷發(fā)酵過程的影響

乙醇預(yù)發(fā)酵之所以能提高甲烷發(fā)酵效率，推測可能有以下幾個(gè)原因：一是酵母菌水解能力較強(qiáng)，擴(kuò)大了基質(zhì)利用范圍，生成的短鏈脂肪酸總量提高；二是乙醇預(yù)發(fā)酵改變了碳源分流，使得一部分碳源轉(zhuǎn)化為乙醇，再由乙醇轉(zhuǎn)化為乙酸，減緩了短鏈脂肪酸的生成速度，因此緩解了酸抑制現(xiàn)象.

2.2.1乙醇預(yù)發(fā)酵對(duì)水解酸化過程的影響上述實(shí)驗(yàn)組無論是否進(jìn)行乙醇預(yù)發(fā)酵，其發(fā)酵底物從取回到投入甲烷發(fā)酵槽之前，都可以看作是水解酸化過程的一部分（甲烷發(fā)酵槽內(nèi)也會(huì)發(fā)生部分水解酸化過程）.本研究考察了 FW 預(yù)發(fā)酵和FW+DG預(yù)發(fā)酵組經(jīng)乙醇預(yù)發(fā)酵后混合底物（餐廚垃圾和酒糟）的水解酸化情況，主要分析了乙醇與揮發(fā)性脂肪酸（TVFA、乙酸）的濃度，并與對(duì)照組比較，其結(jié)果如圖2所示（3組混合底物乙醇發(fā)酵前的乙醇、TVFA、乙酸濃度均分別為 0.1，0.3，0.2g/L）.

由圖2a可知，乙醇、TVFA、乙酸濃度由高到低的順序均為：FW+DG預(yù)發(fā)酵＞FW預(yù)發(fā)酵＞對(duì)照組，經(jīng)過乙醇預(yù)發(fā)酵后，F(xiàn)W預(yù)發(fā)酵的乙醇、TVFA、乙酸濃度與對(duì)照組相比分別提高了4.5、1.4、4.9倍，F(xiàn)W+DG預(yù)發(fā)酵組則分別提高了7.8、1.6、5.9倍，水解酸化程度顯著提高.因酵母菌水解能力較強(qiáng)，擴(kuò)大了餐廚垃圾和酒糟中可利用有機(jī)質(zhì)范圍，加快了有機(jī)物降解速率.因此，經(jīng)過乙醇預(yù)發(fā)酵的兩組乙醇和TVFA濃度大大增加.而FW+DG預(yù)發(fā)酵組餐廚垃圾和酒糟兩種基質(zhì)均進(jìn)行乙醇預(yù)發(fā)酵了，所以該組的乙醇和TVFA濃度最高.

圖2　乙醇預(yù)發(fā)酵后底物的乙醇、乙酸和TVFA濃度Fig.2　Substrates’ ethanol，acetic acid and TVFA concentrations after ethanol pre-fermentation

然而通過之前的研究可知，未處理的餐廚垃圾進(jìn)入甲烷發(fā)酵系統(tǒng)時(shí)會(huì)迅速水解酸化，TVFA的大量積累是導(dǎo)致發(fā)酵系統(tǒng)酸敗的主要原因.而乙醇預(yù)發(fā)酵方式提高了底物的水解酸化速率，卻未對(duì)甲烷發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)生抑制作用.其原因?qū)奶荚捶至鞅桓淖兊姆矫娼忉?

假設(shè)底物中的碳源主要被轉(zhuǎn)化為乙醇和TVFA，由表 3可知，預(yù)發(fā)酵后底物中乙醇/（乙醇+TVFA）由高到低的順序?yàn)椋篎W+DG預(yù)發(fā)酵＞FW預(yù)發(fā)酵＞對(duì)照組，乙酸/（乙醇+TVFA）由高到低的順序： FW預(yù)發(fā)酵＞FW+DG預(yù)發(fā)酵＞對(duì)照組，而丙酸、丁酸等其他VFA/（乙醇+TVFA）由高到低的順序?yàn)閷?duì)照＞FW預(yù)發(fā)酵＞FW+DG預(yù)發(fā)酵組.經(jīng)過乙醇預(yù)發(fā)酵之后，更多的碳源被轉(zhuǎn)化為乙醇和乙酸，而其他揮發(fā)性脂肪酸的生成比例與對(duì)照組相比則降低69%以上.

表3　不同預(yù)發(fā)酵方式下的碳源分流情況Table 3　Effect of different ethanol pre-treatment methods on carbon distribution

乙醇預(yù)發(fā)酵通過微生物的作用將更多的碳源轉(zhuǎn)化為乙醇，F(xiàn)W預(yù)發(fā)酵、FW+DG預(yù)發(fā)酵組在預(yù)發(fā)酵階段已轉(zhuǎn)化的碳源中分別有40%，50%流向乙醇.乙醇在甲烷發(fā)酵過程中可緩慢轉(zhuǎn)化為乙酸，避免了餐廚垃圾直接甲烷發(fā)酵時(shí)揮發(fā)性脂肪酸的大量生成和體系酸化情況.而對(duì)照組發(fā)酵底物中大部分有機(jī)物未被分解，接種污泥后，污泥中的水解酸化細(xì)菌將餐廚垃圾迅速水解酸化，由于餐廚垃圾含有較多蛋白質(zhì)、脂質(zhì)等，容易產(chǎn)生丙酸、丁酸等，而這些揮發(fā)性脂肪酸不能直接被利用，易造成TVFA濃度累積.

此外，甲烷發(fā)酵系統(tǒng)中的產(chǎn)甲烷菌包括酸利用產(chǎn)甲烷菌和氫利用產(chǎn)甲烷菌.在一般的厭氧消化系統(tǒng)中，酸利用產(chǎn)甲烷菌占主導(dǎo)，70%的甲烷都是由酸利用產(chǎn)甲烷菌生成的，甚至 Lim等［17］研究顯示酸利用產(chǎn)甲烷菌占單相厭氧消化系統(tǒng)中產(chǎn)甲烷菌的 86%.酸利用產(chǎn)甲烷菌只能直接分解乙酸產(chǎn)甲烷，因此，乙酸占 TVFA的比例增大可以提高發(fā)酵速率.乙醇預(yù)發(fā)酵組的乙酸/（乙醇+TVFA）為對(duì)照組的2倍以上，而酵母菌與垃圾本身含有的微生物共同作用使有機(jī)物更快更多的生成甲烷菌可直接利用的乙酸，這與趙振煥等［18］的研究結(jié)果一致.因此，經(jīng)過乙醇預(yù)發(fā)酵的物料進(jìn)入甲烷發(fā)酵系統(tǒng)后，由于占TVFA比例較高的乙酸可以被優(yōu)先利用，揮發(fā)性脂肪酸不會(huì)積累.

2.2.2乙醇預(yù)發(fā)酵對(duì)甲烷發(fā)酵過程的 pH值、TVFA及乙醇濃度的影響pH值和TVFA是厭氧發(fā)酵過程中兩個(gè)重要的監(jiān)測指標(biāo).

對(duì)照組、FW預(yù)發(fā)酵和FW+DG預(yù)發(fā)酵組分別接種同樣活性和同樣比例的消化污泥后開始進(jìn)行甲烷發(fā)酵，并在前3d每天取樣分析pH值、TVFA和乙醇濃度，因過多抽取試樣會(huì)導(dǎo)致發(fā)酵物料減少，在甲烷發(fā)酵第3d以后，每隔3d取一次樣，分析其pH值、TVFA及乙醇濃度.其結(jié)果如圖3所示.

圖3　預(yù)發(fā)酵方式對(duì)pH值、TVFA和乙醇濃度的影響Fig.3　Effect of different ethanol pre-treatment methods on pH and concentrations of TVFA and ethanol concentrations

在甲烷發(fā)酵第 0d時(shí)，混合物料 pH值在6.6～6.8的范圍（圖3a），而TVFA為2.1～3.3g/L（圖3b）.隨著甲烷發(fā)酵的進(jìn)行，前 3d pH值顯著下降，TVFA持續(xù)上升，這與此時(shí)甲烷產(chǎn)量下降，甲烷發(fā)酵受到抑制的結(jié)果相對(duì)應(yīng)（圖 1a）.說明在甲烷發(fā)酵前期過程中仍然存在酸化階段，但酸化程度由小到大分別為：FW+DG預(yù)發(fā)酵＜FW預(yù)發(fā)酵＜對(duì)照組.

甲烷發(fā)酵體系酸化又分為可逆性酸化和不可逆性酸化，發(fā)生酸化的體系pH值能隨著甲烷發(fā)酵的進(jìn)行恢復(fù)至中性，為可逆性酸化.本研究在甲烷發(fā)酵3d后，兩組預(yù)發(fā)酵組的pH值逐漸上升，到第6d即恢復(fù)至6.8以上，此后基本穩(wěn)定在6.8～7.2范圍內(nèi)，甲烷產(chǎn)量也較高.而對(duì)照組的TVFA濃度降低速度和pH值升高速度較慢，直至發(fā)酵結(jié)束pH值仍未恢復(fù)至中性，基本停止產(chǎn)甲烷. TVFA的分析結(jié)果表明，兩組預(yù)發(fā)酵組的TVFA濃度在甲烷發(fā)酵過程中均比對(duì)照組低，這說明，兩預(yù)發(fā)酵組在甲烷發(fā)酵前期僅發(fā)生了可逆性酸化現(xiàn)象，而對(duì)照組則發(fā)生的是不可逆性酸化現(xiàn)象.

可逆性酸化可能與系統(tǒng)中的乙醇濃度有關(guān)，如圖3c所示，甲烷發(fā)酵過程中的乙醇濃度由高到底的順序?yàn)椋篎W+DG預(yù)發(fā)酵＞FW預(yù)發(fā)酵＞對(duì)照組，F(xiàn)W預(yù)發(fā)酵、FW+DG預(yù)發(fā)酵組初始乙醇濃度分別為對(duì)照組的6、7倍.結(jié)合圖2和圖3c可知，乙醇不僅在預(yù)發(fā)酵過程中產(chǎn)生，在甲烷發(fā)酵的初期階段也產(chǎn)生，乙醇預(yù)發(fā)酵后底物中部分碳水化合物轉(zhuǎn)化為中性的乙醇，這對(duì)緩解體系酸化起到重要作用.

此外，對(duì)比兩預(yù)發(fā)酵組可以看出，在甲烷發(fā)酵初期（第3～9d）FW+DG預(yù)發(fā)酵組TVFA濃度降低速率比 FW預(yù)發(fā)酵組快，這與2.1節(jié)中所述的 FW+DG預(yù)發(fā)酵組產(chǎn)甲烷速率更快是一致的.

2.3乙醇預(yù)發(fā)酵酸控方式提高甲烷產(chǎn)量的機(jī)理分析

在厭氧發(fā)酵的水解酸化階段，碳水化合物先水解轉(zhuǎn)化為葡萄糖，葡萄糖經(jīng)過糖酵解途徑（EMP）產(chǎn)生中間產(chǎn)物丙酮酸，而此后丙酮酸經(jīng)過不同代謝途徑轉(zhuǎn)化為不同的產(chǎn)物，包括乙酸、乙醇、丙酸、乳酸、丁酸等（圖4）.其中，乙醇、丙酸、乳酸、丁酸等不能直接被產(chǎn)甲烷菌利用，均需先轉(zhuǎn)化為乙酸，而乙醇、丁酸、丙酸轉(zhuǎn)化為乙酸的吉布斯自由能分別是9.6，48，76kJ/mol［19］，說明乙醇更容易轉(zhuǎn)化為乙酸，丙酸更難降解為乙酸.此外，乙醇為中性，其大量存在也不會(huì)造成體系 pH值下降.因此，促進(jìn)丙酮酸更多的向乙酸及乙醇方向轉(zhuǎn)化對(duì)提高厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷效率及防止體系酸化具有重要意義.

圖4　碳水化合物的降解途徑Fig.4　The metabolic pathways of carbohydrate

由圖5a，5b結(jié)合圖3可看出，3組發(fā)酵試驗(yàn)中乙酸與丙酸濃度的總體變化趨勢(shì)與TVFA大致相同，都是先急劇增大后逐漸降低，但經(jīng)過乙醇預(yù)發(fā)酵的兩組乙酸、丙酸濃度增幅明顯低于對(duì)照組，且對(duì)照組乙酸與丙酸濃度在任一階段都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它兩實(shí)驗(yàn)組.有文獻(xiàn)報(bào)道顯示厭氧發(fā)酵體系的丙酸濃度大于 0.9g/L時(shí)會(huì)對(duì)產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生抑制作用［20］，本實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果也表明：未預(yù)處理的對(duì)照組丙酸濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于預(yù)處理組的，且丙酸濃度高于 0.9g/L的持續(xù)時(shí)間由短到長分別為：FW+DG預(yù)發(fā)酵（1d）＜FW預(yù)發(fā)酵（5d）＜對(duì)照組（14d）.FW+DG 預(yù)發(fā)酵組高于0.9g/L持續(xù)時(shí)間最短，此期間產(chǎn)甲烷有所下降但未停止.

由圖5c還可知，PC/AC由大到小的順序?yàn)椋簩?duì)照＞FW預(yù)發(fā)酵＞FW+DG預(yù)發(fā)酵組.其順序與產(chǎn)甲烷量由高到低的順序相反.丙酸/乙酸是厭氧發(fā)酵一個(gè)敏感的指標(biāo).王利紅等［21］提出甲烷發(fā)酵過程中，丙酸/乙酸比值超過0.08系統(tǒng)開始出現(xiàn)抑制現(xiàn)象，高于0.10則會(huì)對(duì)甲烷菌產(chǎn)生50%的抑制.本研究對(duì)照組的PC/AC在整個(gè)發(fā)酵過程中一直大于0.10，產(chǎn)甲烷菌一直受到抑制.而兩預(yù)發(fā)酵組的PC/AC隨著發(fā)酵的進(jìn)行呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，系統(tǒng)比較穩(wěn)定地產(chǎn)甲烷.

綜上所述，有機(jī)物轉(zhuǎn)化為乙醇對(duì)厭氧發(fā)酵的積極作用有兩方面：一是部分有機(jī)物轉(zhuǎn)化為乙醇后，生成的有機(jī)酸必然減少，而乙醇pH為中性，對(duì)維持發(fā)酵系統(tǒng)pH穩(wěn)定、保持產(chǎn)甲烷菌活性有重要意義；二是與乳酸、丙酸、丁酸相比，乙醇較容易轉(zhuǎn)化為產(chǎn)甲烷菌能直接利用的乙酸，從而提高了產(chǎn)甲烷速度和產(chǎn)量.餐廚垃圾與酒糟混合預(yù)發(fā)酵24h是一種操作簡單、經(jīng)濟(jì)合理的厭氧發(fā)酵生物預(yù)處理方式.該種方式酸積累現(xiàn)象不明顯，產(chǎn)甲烷抑制期最短，累積甲烷產(chǎn)量最高.

圖5　預(yù)發(fā)酵方式對(duì)乙酸、丙酸和丙酸/乙酸的影響Fig.5　Time series of acetic acid （AC），propanoic acid （PC）concentrations and PC/AC during co-digestion of food waste and distillers’ grains with different pre-treatment methods

3　結(jié)論

3.1對(duì)照組、FW預(yù)發(fā)酵組、FW+DG預(yù)發(fā)酵組發(fā)酵33d后的累計(jì)甲烷產(chǎn)率分別為22.8，222.4，231.3mL/gVS.說明乙醇預(yù)發(fā)酵在促進(jìn)產(chǎn)甲烷方面具有明顯效果.

3.2乙醇預(yù)發(fā)酵可以促進(jìn)發(fā)酵物料的水解，其水解產(chǎn)物中乙醇及 TVFA、乙酸濃度比對(duì)照組高.FW預(yù)發(fā)酵的乙醇、TVFA、乙酸濃度與對(duì)照組相比分別提高了4.5、1.4、4.9倍，F(xiàn)W+DG預(yù)發(fā)酵組則分別提高了7.8，1.6，5.9倍.對(duì)照組、FW預(yù)發(fā)酵、FW+DG預(yù)發(fā)酵組的乙酸/（TVFA+乙醇（濃度之比））分別為0.15、0.39、0.34，乙醇/（TVFA+乙醇（濃度之比））分別為0.17、0.40、0.50.經(jīng)過乙醇預(yù)發(fā)酵之后，更多的碳源被轉(zhuǎn)化為乙醇和乙酸.

3.3經(jīng)乙醇預(yù)發(fā)酵的后續(xù)甲烷發(fā)酵過程中乙醇含量仍高于對(duì)照組，這是因?yàn)閹в写罅恳掖忌删奈锪线M(jìn)入甲烷發(fā)酵系統(tǒng)，會(huì)在甲烷發(fā)酵初期短時(shí)間維持乙醇發(fā)酵優(yōu)勢(shì)，保持中性物質(zhì)-乙醇的濃度，使甲烷發(fā)酵系統(tǒng)不容易酸化.而預(yù)發(fā)酵組的乙酸、丙酸和TVFA等濃度明顯低于對(duì)照組，說明乙醇預(yù)發(fā)酵使糖代謝途徑向乙醇生成途徑轉(zhuǎn)化，減少了丙酸等有機(jī)酸的生成，有效緩解發(fā)酵過程中的酸積累、產(chǎn)甲烷受抑制問題.

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Effect of ethanol pre-treatment on hydrolytic acidification and methane fermentation of food waste and distillers’

grains. SONG Na1，WANG Qun-hui1*，WANG Li-hong2，YU Miao1，CHANG Qiang1，ZHAO Na-na1，WU Chuan-fu1，（1.Department of Environmental Engineering，Beijing University of Science and Technology，Beijing 100083，China； 2.Department of Architectural Engineering，Handan Polytechnic College，Handan 056001，China）.

China Environmental Science，2015，35（7）：2095～2102

To prevent the anaerobic co-digestion of food waste （FW） and distillers’ grains （DG） system from acidification，the performance of anaerobic digestion of FW and DG with different ethanol pre-treatment （EP） methods （i.e.，F(xiàn)W EP and FW+DG co-EP） was evaluated. The results showed that the cumulative methane yield of control （i.e.，without EP），F(xiàn)W EP and FW+DG co-EP groups were 22.8，222.4，231.3mL/g-VS，respectively. The ethanol，TVFA and acetic acid content of the hydrolysates in FW EP group were 4.5，1.4 and 4.9 times higher than those in the control group，while 7.8，1.6，5.9 times higher in FW+DG co-EP group. It indicated that EP could promote the hydrolysis extent and methane yield of the substrates. Moreover，the ethanol content of the EP groups were markedly higher than that in the control group，but acetic acid，propionic acid and TVFA content were remarkably lower than those in the control group. The results suggested that organic matter of the substrates tends to convert into ethanol，instead of VFAs，in EP scenario. Thus，EP is an effective way to prevent the accumulation of organic acids in anaerobic digestion systems.

acidification control method；ethanol pre-treatment；food waste；distillers’ grains；hydrolytic acidification；methane fermentation

X705

A

1000-6923（2015）07-2095-08

2014-12-28

國家自然科學(xué)基金（51278050）；國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2014BAC24B01）

* 責(zé)任作者，教授，wangqh59@sina.com

宋娜（1990-）女，山東濱州人，北京科技大學(xué)水與環(huán)境工程學(xué)院碩士研究生.主要從事餐廚垃圾資源化利用方面的研究.