李 強， 鄧雅月， 馬詩淳， 尹小波， 鄧 宇

(1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部沼氣科學研究所， 成都 610041； 2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)村可再生能源開發(fā)利用重點實驗室， 成都 610041)

餐廚垃圾三相分離預處理技術是指餐廚垃圾在收集、分選、破碎、制漿等工藝后利用三相分離機分別收集油相、液相和固相的一種技術，我國已建成的餐廚垃圾處理設施76%均采用了該方法[1]。其中廢油用于生產(chǎn)生物柴油[2]；廢水通過厭氧消化回收能源后再利用水處理技術達標排放，或者作為有機肥料還田施用[3]；廢渣通過填埋、焚燒、堆肥等措施進一步處理[4]。三相分離后的餐廚廢渣占原餐廚垃圾的15%以上[4]，其干物質(zhì)含量約為20.7%～23.9%[5]；以干物質(zhì)計，淀粉含量約為35.49%±1.85%，脂類0.67%±0.03%，粗蛋白34%[6]，有機物質(zhì)含量豐富，適宜以生物法實現(xiàn)資源的回收。

厭氧消化法處理餐廚垃圾是環(huán)保效應最好、成本最低的方式[7]，在世界范圍內(nèi)已經(jīng)得到了廣泛運用。目前，國內(nèi)外學者圍繞發(fā)酵溫度、有機負荷、發(fā)酵底物濃度、中間代謝產(chǎn)物、抑制因素、發(fā)酵過程中的微生物變化以及發(fā)酵工藝模式等已開展了多項研究，以維持發(fā)酵的穩(wěn)定性，提高厭氧消化效率[8-15]，但以餐廚固體廢渣為原料進行厭氧消化的研究報道還較少。潘建強[6]等開展了不同工段物料的產(chǎn)甲烷潛力分析，他們發(fā)現(xiàn)餐廚廢渣有機物質(zhì)含量豐富，產(chǎn)甲烷潛力達到194.46 NmLCH4·g-1VS[16]；Guilford[17]等開展了餐廚廢渣與紙、紙板混合干發(fā)酵的可行性；高樹梅[6]等發(fā)現(xiàn)餐廚廢渣在濕式厭氧消化條件下的產(chǎn)氣潛力可達到633 NmL·g-1VS；石廣甫介紹了上海老港餐廚垃圾處理廠工程的處理模式，該工程的餐廚廢渣采用臥式推流干式厭氧消化工藝處理，設計原料產(chǎn)氣率為120 Nm3·t-1漿料·d-1，具有較高的應用潛力[18]。但餐廚廢渣低C/N的特點會在厭氧消化過程中形成氨氮抑制而使效率降低[15, 19-21]。農(nóng)作物秸稈是我國常見的高碳有機廢棄物，將其作為輔助添加原料與餐廚廢渣混合發(fā)酵，既可以調(diào)節(jié)發(fā)酵原料的C/N，解除或緩解氨氮抑制以提高厭氧消化的效率，還可以實現(xiàn)農(nóng)作物秸稈的資源化利用。本研究以水稻秸稈為輔料，與餐廚廢渣進行混合干式厭氧消化，研究其厭氧消化規(guī)律，為開發(fā)餐廚廢渣的高效資源化利用技術提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 發(fā)酵原料

餐廚廢渣取自成都市某餐廚垃圾處理廠；水稻秸稈取自成都市周邊農(nóng)田并自然風干，用秸稈粉碎機粉碎成小于3 mm的顆粒。

1.2 接種物

將新鮮干清豬糞、風干秸稈、農(nóng)村戶用沼氣池沼液按一定比例混合后在35℃條件下培養(yǎng)60 d制得接種物。發(fā)酵原料和接種物的特性見表1。

表1 發(fā)酵原料和接種物的特性

1.3 發(fā)酵裝置

實驗采用1000 mL序批式厭氧干發(fā)酵瓶，發(fā)酵瓶頂部設排氣口和氣樣采集口，中部設發(fā)酵原料采樣口，見圖1。

圖1 實驗裝置示意圖

1.4 實驗方案

實驗設置不投加原料的空白組(CK)以排除接種物自身的產(chǎn)氣量對原料產(chǎn)氣率的干擾；設置僅投加秸稈的實驗組(ST)和僅投加餐廚廢渣的實驗組(PF)以分別考察其原料產(chǎn)氣率；設置餐廚廢渣與秸稈質(zhì)量比為5∶1[22]的混合發(fā)酵實驗組(SF)，考察混合發(fā)酵的性能。各實驗組的接種量均為30%[23]。詳細實驗設置如表2所示。

表2 實驗設計

各種原料充分混勻后裝入發(fā)酵瓶中，密封并連接氣體流量計。發(fā)酵瓶置于35℃±1℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，實驗期間每天記錄產(chǎn)氣量，定期取樣測試所產(chǎn)沼氣的氣體組分、發(fā)酵原料中的揮發(fā)性脂肪酸(Volatile fatty acids，VFAs)、氨氮(Ammonia nitrogen，AN)的含量，并在發(fā)酵結(jié)束后測試發(fā)酵殘渣的TS含量。

1.5 測試方法

產(chǎn)氣量利用氣體流量計記錄(碧普，μ-flow)；氣體組分用氣相色譜法測定(安捷倫，GC7820A)；VFAs采用氣相色譜法測定(安捷倫，GC7890)；AN采用蒸餾滴定法測定；TS和VS含量采用重量法測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 產(chǎn)氣規(guī)律

累積產(chǎn)氣量如圖2所示。CK組因僅投加接種物，在前期馴化過程中其自有的大部分有機物質(zhì)已被消耗，且未添加任何原料，所以累積產(chǎn)氣量最少，僅為1234.0 mL。ST、PF、SF等3個實驗組的累積產(chǎn)氣量分別為16968.0 mL、30882.5 mL和31452.0 mL，且均呈現(xiàn)相同的產(chǎn)氣趨勢，即分為前期馴化階段、高速產(chǎn)氣階段、緩慢產(chǎn)氣階段，但各組各階段出現(xiàn)的時間及持續(xù)時長有明顯的差異。ST組3個階段持續(xù)時長分別為9 d、14 d、42 d； PF組3個階段持續(xù)時長分別為29 d、33 d、3 d； SF組3個階段持續(xù)時長分別為13 d、19 d、33 d。3個實驗組達到90%累積產(chǎn)氣量的時間分別出現(xiàn)在第39 天、59 天、36 天。上述結(jié)果說明，盡管SF組的啟動時間比ST組更長，但其產(chǎn)氣速率更快，而PF組的啟動期最長，且產(chǎn)氣速率最低，這與其原料組成不同有關。ST組為全秸稈原料，其原料組成主要為纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等，原料水解慢，揮發(fā)酸產(chǎn)率低，不易累積(見圖4)；而SF組的原料含有大量的餐廚廢渣，其原料組成主要為淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪等，這類原料更容易被微生物水解產(chǎn)生大量的揮發(fā)酸[24]，揮發(fā)酸的迅速積累會影響產(chǎn)甲烷菌的生長，從而造成啟動期延長；但是大量的揮發(fā)酸也為產(chǎn)甲烷菌提供了豐富的中間產(chǎn)物，從而提高了產(chǎn)氣速率。同時，PF組為全餐廚廢渣原料，啟動期揮發(fā)酸急劇積累導致微生物無法適應發(fā)酵環(huán)境，從而延長啟動期。因此，添加高碳原料與餐廚廢渣混合發(fā)酵可以顯著縮短原料的產(chǎn)氣周期。

圖2 累積產(chǎn)氣量變化趨勢

2.2 原料產(chǎn)氣率

為排除接種物的干擾，在計算原料產(chǎn)氣率時將各實驗組按接種量等比例扣除接種物單位質(zhì)量產(chǎn)氣量(CK組)，扣除后ST、PF、SF這3組的累積產(chǎn)氣量分別為16597.8 mL、30512.3 mL和31081.8 mL，3組初始揮發(fā)性固體質(zhì)量分別為73.5 g、75.5 g和74.7 g，各實驗組的原料產(chǎn)氣率(VS計)分別為219.0 mL·g-1、389.5 mL·g-1和409.9 mL·g-1(見表3)。

表3 原料產(chǎn)氣率換算表

由于ST和PF組均為單一原料，根據(jù)其實際產(chǎn)氣量和投加的VS量計算出稻草和餐廚廢渣的原料產(chǎn)氣率分別為219 mL·g-1VS、389.5 mL·g-1VS，據(jù)此結(jié)合SF組投加的兩種原料的質(zhì)量推算SF組的理論產(chǎn)氣量，結(jié)果為24049.1 mL，而SF組的實際產(chǎn)氣量為30622.3 mL，較理論產(chǎn)氣量其增加了6573.2 mL，增幅為27.3%。由此可見，兩種原料混合厭氧消化具有顯著的促進產(chǎn)氣效果。

2.3 沼氣中的甲烷含量

由于接種物經(jīng)過特別馴化，接種物中微生物的數(shù)量和活性都得到了大幅提高，因此各實驗組所產(chǎn)沼氣中的甲烷含量在啟動階段就能快速上升(見圖3)。ST、PF、SF這3組沼氣中的甲烷含量達到50%的時間分別出現(xiàn)在第8天、5天和13天，隨后的時間里ST和SF組的甲烷含量持續(xù)上升，在分別達到峰值62.5%和68.3%后開始緩慢下降并逐漸穩(wěn)定，從進入高速產(chǎn)氣階段至實驗結(jié)束期間，兩組的日平均甲烷含量為52.8%和62.2%；PF組在第5天達到53.0%后開始下降至31.0%，然后又開始緩慢上升，到實驗結(jié)束時仍然呈上升趨勢，最終達到70.7%。CK組的甲烷含量峰值出現(xiàn)在第23天，含量為47.4%，隨后整體呈現(xiàn)波動下降趨勢，特別在實驗后期下降速度較快，估計原因在于后期日產(chǎn)氣量較少，但定期采集發(fā)酵樣品時有空氣混入所導致。

圖3 沼氣中甲烷含量變化趨勢

2.4 VFAs含量

VFAs是原料被降解并形成沼氣過程中的中間代謝產(chǎn)物，在實驗過程中定期取樣檢測了乙酸、丙酸、丁酸的含量，并形成VFAs值。如圖4所示，CK組因未投加原料，故在整個實驗周期內(nèi)均無大量VFAs產(chǎn)生；ST組的VFAs含量在第14天時達到峰值12467 mg·L-1，隨后被迅速降解，在第24天降至300 mg·L-1以下；SF組VFAs含量的變化趨勢與ST組一致，但其峰值更高，在第8天時達到39070 mg·L-1，在第33天時降至300 mg·L-1以下；PF組的VFAs利用受到了明顯的抑制，其54029 mg·L-1的峰值含量出現(xiàn)在第10 天并呈下降趨勢，但在實驗結(jié)束時，其VFAs含量仍然還有14400 mg·L-1。分析認為：以純秸稈為發(fā)酵原料，盡管其VS/TS可達到90%以上，但較多的VS是難于被微生物降解利用的木質(zhì)素，故其VFAs始終不高，原料產(chǎn)氣率也比較低[25]；餐廚廢渣的有機物由較容易被降解的碳水化合物、脂類、蛋白質(zhì)組成，因此其VFAs含量和原料產(chǎn)氣率均比純秸稈高，但也是由于含有大量蛋白質(zhì)的緣故，當其被降解后形成大量的氨氮，造成氨氮抑制，因此在相同發(fā)酵周期內(nèi)，純餐廚廢渣組的VFAs還未被利用完。結(jié)合圖2可以看出，VFAs含量與產(chǎn)氣量呈正相關關系，當VFAs含量高時，日產(chǎn)氣量則較高；當VFAs被利用減少后，日產(chǎn)氣量則顯著降低。

圖4 VFAs含量變化趨勢

2.5 AN含量

由于餐廚廢渣中含有大量的蛋白質(zhì)，其被降解后會轉(zhuǎn)化為AN，而過量的AN會對厭氧消化過程造成抑制，因此在實驗周期內(nèi)定期采樣監(jiān)測AN含量的變化。如圖5所示，CK組未投加原料，故AN含量始終在2310±170 mg·L-1范圍內(nèi)；實驗組加入原料和水后，接種物中的AN被稀釋，ST組投加的原料為純秸稈，初始AN含量被稀釋至938 mg·L-1，在厭氧消化過程中有部分AN被微生物生長所利用，到實驗結(jié)束時，AN降至754 mg·L-1。有餐廚廢渣作為發(fā)酵原料的SF和PF兩組的初始AN分別為1738 mg·L-1和1902 mg·L-1，比ST組高出近1倍。在實驗周期內(nèi)兩組的AN含量顯著地增加：實驗結(jié)束時SF組的AN含量為4000 mg·L-1，較初始AN含量增加了2262 mg·L-1；PF組的AN含量為7112 mg·L-1，較初始AN含量增加了5210 mg·L-1。由于ST組的AN在實驗周期內(nèi)并未增加，可以看作秸稈類原料降解產(chǎn)生的AN形成了代謝平衡，因此假設增加的AN均由餐廚廢渣降解產(chǎn)生，則SF組投加的餐廚廢渣產(chǎn)生的AN為11.9 mg·g-1，PF組投加的餐廚廢渣產(chǎn)生的AN為16.3 mg·g-1。

圖5 AN含量變化趨勢

2.6 微生物群落結(jié)構(gòu)

厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中的微生物組成與發(fā)酵原料具有密切的關系。實驗結(jié)束后，采用MiSeq測序分析細菌和古菌的群落結(jié)構(gòu)變化。在屬水平，具有水解糖類、蛋白質(zhì)產(chǎn)酸、氫氣和二氧化碳能力的Clostridiumsensu stricto_1，Terrisporobacter和Romboutsia等厚壁菌門成員是普遍存在于本研究中的優(yōu)勢細菌。但是，在不同的發(fā)酵原料中，優(yōu)勢物種具有明顯的差異。其中，僅能夠利用麥芽糖和酮葡糖酸的Turicibacter[26]、利用多種糖類的Streptococcus[27]在含有餐廚垃圾的PF組和SF組具有顯著的優(yōu)勢，并且在PF組含量最高，暗示著該類群的氨氮耐受能力較強。以秸稈為原料的ST組，具有獨特的優(yōu)勢物種Ruminofilibacter和Hydrogenispora。其中，Ruminofilibacter是ST組中相對豐度最高的細菌，具有纖維素降解能力[28]；其次為Hydrogenispora，它可利用多種五碳糖、六碳糖、幾丁質(zhì)、淀粉和酵母粉等產(chǎn)氫[29]，這些類群的增殖可促進木質(zhì)纖維素的水解。

圖6 細菌組成(屬水平)

從古菌屬水平來看，接種物中馴化的產(chǎn)甲烷菌主要為Methanosarcina(甲烷八疊球菌屬)、Methanobacterium(甲烷桿菌屬)、Methanosaeta(甲烷鬃菌屬)、Methanoculleus(甲烷袋狀菌屬)和Methanofollis(甲烷泡菌屬)，分別占比79.0%、7.2%、4.3%、3.6%和2.1%。Methanosarcina既能裂解乙酸產(chǎn)甲烷也能還原二氧化碳產(chǎn)甲烷，而Methanosaeta只能利用乙酸，Methanobacterium、Methanoculleus和Methanofollis則是氫營養(yǎng)性產(chǎn)甲烷菌。經(jīng)過65 d的發(fā)酵后，各實驗組的產(chǎn)甲烷菌發(fā)生了一些變化，ST組Methanosarcina的豐度減少到了62.3%，而Methanobacterium的豐度增加到了20.4%，還有一種未分類的微生物增加到了10.0%；SF組的Methanosarcina豐度增加到了91.7%，乙酸營養(yǎng)型的Methanosaeta已近乎消失，另外還出現(xiàn)了Methanosphaera(甲烷球形菌屬)，豐度占比2.0%，也是一種氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌；PF組與SF組類似：未發(fā)現(xiàn)乙酸營養(yǎng)型的Methanosaeta，Methanobrevibacter(甲烷短桿菌屬)豐度增至2.2%，這是一種氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌，該組里還出現(xiàn)了一種未分類的微生物，占比達到3.6%。值得注意的是，Methanosarcina可以通過形成聚集體、調(diào)節(jié)細胞壁膜滲透壓等方式適應環(huán)境脅迫，是氨氮濃度較高的厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中的優(yōu)勢產(chǎn)甲烷菌，在氨氮濃度超過3000 mg·L-1的PF組和SF組，Methanosarcina均為相對豐度最高的產(chǎn)甲烷菌。另外，在ST組，未培養(yǎng)的深古菌Bathyarchaeota的相對豐度僅次于Methanosarcina，該類群具有降解木質(zhì)纖維素、同型產(chǎn)乙酸等功能[30-31]，其大量增殖與秸稈纖維素的水解產(chǎn)氫、產(chǎn)酸等代謝相關。

圖7 古菌組成(屬水平)

3 討論

餐廚廢渣是一種低C/N的原料，而農(nóng)作物秸稈正好相反，二者搭配可以調(diào)節(jié)發(fā)酵原料的C/N。實驗中ST、SF、PF這3個實驗組在經(jīng)過接種、投料等操作后，各自的C/N變?yōu)榱?1.9、12.1和8.9。從累積產(chǎn)氣量和發(fā)酵周期來看，C/N越接近20～30∶1的厭氧消化原料最佳水平[32]，其前期馴化階段更短，啟動速度更快，高速產(chǎn)氣階段維持的時長也更短；李淑蘭[33]等開展了同為低C/N原料的雞糞和秸稈的混合發(fā)酵產(chǎn)氣潛力研究，得出了相同的結(jié)論。究其原因，主要在于AN的抑制，Sung[34]等人的研究認為1.54 g·L-1的AN含量是濕式厭氧消化的閾值，陳祥[35]在餐廚垃圾與園林垃圾混合干發(fā)酵時發(fā)現(xiàn)，在25%的TS濃度時，AN含量達到4.2 g·L-1時才會出現(xiàn)抑制。研究證實游離氨比銨離子更容易對微生物造成抑制，抑制機理可能以兩種方式影響產(chǎn)甲烷菌： 1)銨離子可能直接抑制產(chǎn)生甲烷的酶； 2)疏水性氨分子通過擴散進入細胞，導致質(zhì)子失衡或鉀缺乏[36]。高樹梅[37]在研究中發(fā)現(xiàn)，當出現(xiàn)AN抑制時，輔酶F420會明顯增加，而其主要由氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生，因此此時的VFAs的代謝途徑也會發(fā)生變化，由乙酸直接發(fā)酵產(chǎn)生甲烷和二氧化碳轉(zhuǎn)變?yōu)楸灰宜峄I氧化菌降解為氫氣和二氧化碳后再合成甲烷[38]。在本實驗中ST組和SF組的AN含量未達到干式厭氧消化的抑制閾值，所以VFAs均未出現(xiàn)積累的現(xiàn)象；而PF組的AN含量呈持續(xù)增長趨勢，在第17天∶時就接近了4200 mg·L-1，并在發(fā)酵結(jié)束時最終達到7112 mg·L-1，超過抑制閾值69.3%，結(jié)合微生物群落結(jié)構(gòu)分析可以看出，本實驗中的接種物就以氫營養(yǎng)型的產(chǎn)甲烷古菌為主，所以在實驗周期內(nèi)大部分微生物的組成變化情況不大，但乙酸營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌受抑制還是較明顯，在SF組和PF組內(nèi)接種物中的Methanosaeta已近乎消失，特別是PF組受抑制情況嚴重，造成VFAs的代謝速度緩慢，至實驗結(jié)束時仍有超過10000 mg·L-1，猜測認為高AN不僅會對乙酸營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌造成抑制，還可能會對降解VFAs的互營氧化菌造成抑制，因此AN的積累是延長PF組啟動期、降低產(chǎn)氣效率的主要原因。綜上分析，盡可能使發(fā)酵原料的C/N處于厭氧消化的最適范圍內(nèi)，可以保證厭氧消化的順利進行，避免出現(xiàn)氨氮抑制而降低厭氧消化效率，富碳原料和富氮原料的混合發(fā)酵是行之有效的一種方法。

4 結(jié)論

(1)在65 d的發(fā)酵周期內(nèi)，純餐廚廢渣的干式厭氧消化產(chǎn)氣潛力為389.5 mL·g-1VS，按5∶1的比例加入水稻秸稈調(diào)節(jié)C/N后在同樣條件下產(chǎn)氣潛力可以達到409.9 mL·g-1VS，二者的混合發(fā)酵比單一原料產(chǎn)氣率可以增加27.3%。

(2)高AN含量會影響微生物種群的分布，特別是產(chǎn)甲烷菌，從而影響VFAs的降解途徑，其顯著地延長了原料的發(fā)酵周期。

(3)Methanosarcina是古菌屬水平下最豐富的一類微生物，在餐廚廢渣與秸稈混合厭氧消化的實驗中占比超過了91.7%。