乙醇預發酵對餐廚垃圾與酒糟水解酸化和甲烷發酵的影響

宋　娜，汪群慧*，王利紅，于　淼，常　強，趙娜娜，吳川福（.北京科技大學環境工程系，北京 00083；.邯鄲職業技術學院建工系，河北 邯鄲 05600）

乙醇預發酵對餐廚垃圾與酒糟水解酸化和甲烷發酵的影響

宋娜1，汪群慧1*，王利紅2，于淼1，常強1，趙娜娜1，吳川福1（1.北京科技大學環境工程系，北京 100083；2.邯鄲職業技術學院建工系，河北 邯鄲 056001）

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

酸控方式；乙醇預發酵；餐廚垃圾；酒糟；水解酸化；甲烷發酵

餐廚垃圾有機成分含量高，生物降解性好，產甲烷潛能高，是良好的甲烷發酵底物［1-2］.中國酒文化豐富，釀酒蒸餾后的副產物酒糟產量巨大，種類繁多，含有豐富的有機物，可采用生物法（甲烷發酵、乳酸發酵等）進行資源化利用［3-4］.厭氧發酵回收沼氣作為一種有機廢物資源化利用途徑，因其簡單、高效的工藝特點，清潔、環保的技術理念及對節能減排的突出貢獻而備受關注［5-6］.

近年來，干式厭氧發酵以其有機負荷高、單位容積產氣量高、不需額外添加水分、沼液產量小等優點［7-8］，受到了國內外研究人員的廣泛關注.梁越敢等［8］研究了干發酵對稻草結構及沼氣產量的影響，干發酵稻草60d實現了278.1mL/gVS的沼氣產量.但餐廚垃圾干式厭氧消化時，由于底物易降解，在發酵初期揮發性脂肪酸易積累，體系pH值下降呈酸性，產甲烷菌（適宜pH值為 6.8～7.2）受到嚴重抑制而停止產氣［9-10］.傳統的緩解干式發酵體系酸化的方式是向發酵體系中添加堿類物質（CaCO3、Na2CO3、NaHCO3等）使系統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，需要在線監測與調控，且系統恢復時間較長甚至無法恢復.因此，提出一種從根本上緩解發酵體系酸化、加強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發酵、餐廚垃圾單獨預發酵以及原料未預處理的pH值、TVFA、乙醇、乙酸和丙酸濃度等指標，研究乙醇預發酵對發酵底物水解酸化和甲烷發酵的影響及機理.以期找到一種能提高發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常出現的酸抑制問題，為同領域研究及工程實際應用提供參考.

1　材料與方法

1.1實驗材料

厭氧發酵產甲烷的原料：餐廚垃圾取自北京科技大學學生食堂，經簡單分揀、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，本實驗室對其進行甲烷發酵的長期馴化.三種原料的主要成分指標見表1.

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

1.2實驗方法

本研究按表2設計了3組不同的干式甲烷發酵實驗，以研究不同乙醇預發酵方式防止物料酸化的效果.各發酵組物料添加量為：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）和揮發性固體含量（VS）均分別為16.21%和11.58%.

表2　不同預發酵方式Table 2　Details of different ethanol pre-treatment methods

乙醇預發酵方法：按照 0.5‰的干重比例向乙醇發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）作為產乙醇菌，不斷攪拌以使乙醇菌與底物充分接觸，乙醇預發酵槽恒溫保持在（30±1）℃，缺氧環境，乙醇預發酵時間為24h.

甲烷發酵方法：經過不同乙醇預發酵方式處理的發酵底物，放入 500mL厭氧發酵槽中，添加消化污泥并混合均勻，各發酵組中污泥：餐廚垃圾：酒糟（VS比）均為2.2：1：1.1.向反應器內通入氮氣（5min） 以排出殘留空氣，將各發酵槽放置于THZ-82數顯恒溫氣浴振蕩器內，保持發酵溫度在（35±1℃）進行甲烷發酵.除 pH調節組外，對照組與乙醇預發酵組均不調解pH值.每3d取1次發酵液，分別測定總揮發性有機酸濃度、有機酸組成、乙醇濃度、pH值等；每天取氣體樣分析甲烷組成及產氣量；發酵前后測TS和VS等指標.甲烷發酵槽底端設置有沼液與沼渣排放口.發酵過程產生的氣體通過導氣管和集氣袋收集.

1.3分析方法

用減重法［13］分析 TS、VS及灰分含量，用pHS-3C型數字式酸度計測定 pH值；用比色法［14］（725N型分光光度計）測定總揮發性脂肪酸（TVFA）；乙醇濃度采用生物傳感器分析儀（山東省科學院生物研究所）測定；各有機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值用磷酸調至2.5～3.0）作為流動相；流速為0.8mL/min；柱溫為室溫；二極管陣列檢驗波長為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、進樣口的溫度分別為50、90、40℃［16］.

2　結果與討論

2.1乙醇預發酵方式對甲烷產量的影響

圖1　乙醇預發酵對甲烷產量的影響Fig.1　Effect of different ethanol pre-treatment methods on methane yield

餐廚垃圾單獨預發酵組、餐廚垃圾與酒糟混合預發酵組的原料按1.2所述方式進行乙醇預發酵后，與未經乙醇預發酵的對照組在相同條件下進行甲烷發酵.其產氣結果如圖1所示.

由圖1a可以看出，在甲烷發酵第3d，各發酵組甲烷產量出現不同程度地降低.對照組產甲烷受到嚴重抑制，7～15d有極少量的甲烷產生，之后直至發酵結束仍未恢復產甲烷；FW預發酵組產甲烷停滯期為3d（第3～5d），后迅速恢復；FW+DG預發酵組產甲烷量有所下降，但下降幅度很小，發酵受抑制現象最不明顯.

由圖 1b可知，甲烷總產率由大到小的順序是：FW+DG預發酵＞FW預發酵＞對照組，但兩預發酵組相差很小. FW+DG預發酵組產氣速率最快，前 11d平均日產甲烷率達 19.90mL/（d·gVS），為對照組和FW預發酵組的14.4、1.5倍.累計甲烷產率達200mL/gVS時，FW+DG預發酵、FW預發酵用時分別為10，18d，說明FW+DG預發酵組產甲烷速率明顯大于FW預發酵組.

由以上結果可知：對照組的甲烷菌會受到嚴重抑制，系統自身很難恢復產甲烷；而經乙醇預發酵的兩組系統自身緩沖能力較強，恢復產甲烷的速度較快，產甲烷速率也大大提高.

2.2乙醇預發酵酸控方式對底物水解酸化和甲烷發酵過程的影響

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

2.2.1乙醇預發酵對水解酸化過程的影響上述實驗組無論是否進行乙醇預發酵，其發酵底物從取回到投入甲烷發酵槽之前，都可以看作是水解酸化過程的一部分（甲烷發酵槽內也會發生部分水解酸化過程）.本研究考察了 FW 預發酵和FW+DG預發酵組經乙醇預發酵后混合底物（餐廚垃圾和酒糟）的水解酸化情況，主要分析了乙醇與揮發性脂肪酸（TVFA、乙酸）的濃度，并與對照組比較，其結果如圖2所示（3組混合底物乙醇發酵前的乙醇、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預發酵＞FW預發酵＞對照組，經過乙醇預發酵后，FW預發酵的乙醇、TVFA、乙酸濃度與對照組相比分別提高了4.5、1.4、4.9倍，FW+DG預發酵組則分別提高了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，擴大了餐廚垃圾和酒糟中可利用有機質范圍，加快了有機物降解速率.因此，經過乙醇預發酵的兩組乙醇和TVFA濃度大大增加.而FW+DG預發酵組餐廚垃圾和酒糟兩種基質均進行乙醇預發酵了，所以該組的乙醇和TVFA濃度最高.

圖2　乙醇預發酵后底物的乙醇、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入甲烷發酵系統時會迅速水解酸化，TVFA的大量積累是導致發酵系統酸敗的主要原因.而乙醇預發酵方式提高了底物的水解酸化速率，卻未對甲烷發酵系統產生抑制作用.其原因將從碳源分流被改變的方面解釋.

假設底物中的碳源主要被轉化為乙醇和TVFA，由表 3可知，預發酵后底物中乙醇/（乙醇+TVFA）由高到低的順序為：FW+DG預發酵＞FW預發酵＞對照組，乙酸/（乙醇+TVFA）由高到低的順序： FW預發酵＞FW+DG預發酵＞對照組，而丙酸、丁酸等其他VFA/（乙醇+TVFA）由高到低的順序為對照＞FW預發酵＞FW+DG預發酵組.經過乙醇預發酵之后，更多的碳源被轉化為乙醇和乙酸，而其他揮發性脂肪酸的生成比例與對照組相比則降低69%以上.

表3　不同預發酵方式下的碳源分流情況Table 3　Effect of different ethanol pre-treatment methods on carbon distribution

乙醇預發酵通過微生物的作用將更多的碳源轉化為乙醇，FW預發酵、FW+DG預發酵組在預發酵階段已轉化的碳源中分別有40%，50%流向乙醇.乙醇在甲烷發酵過程中可緩慢轉化為乙酸，避免了餐廚垃圾直接甲烷發酵時揮發性脂肪酸的大量生成和體系酸化情況.而對照組發酵底物中大部分有機物未被分解，接種污泥后，污泥中的水解酸化細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、脂質等，容易產生丙酸、丁酸等，而這些揮發性脂肪酸不能直接被利用，易造成TVFA濃度累積.

此外，甲烷發酵系統中的產甲烷菌包括酸利用產甲烷菌和氫利用產甲烷菌.在一般的厭氧消化系統中，酸利用產甲烷菌占主導，70%的甲烷都是由酸利用產甲烷菌生成的，甚至 Lim等［17］研究顯示酸利用產甲烷菌占單相厭氧消化系統中產甲烷菌的 86%.酸利用產甲烷菌只能直接分解乙酸產甲烷，因此，乙酸占 TVFA的比例增大可以提高發酵速率.乙醇預發酵組的乙酸/（乙醇+TVFA）為對照組的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］的研究結果一致.因此，經過乙醇預發酵的物料進入甲烷發酵系統后，由于占TVFA比例較高的乙酸可以被優先利用，揮發性脂肪酸不會積累.

2.2.2乙醇預發酵對甲烷發酵過程的 pH值、TVFA及乙醇濃度的影響pH值和TVFA是厭氧發酵過程中兩個重要的監測指標.

對照組、FW預發酵和FW+DG預發酵組分別接種同樣活性和同樣比例的消化污泥后開始進行甲烷發酵，并在前3d每天取樣分析pH值、TVFA和乙醇濃度，因過多抽取試樣會導致發酵物料減少，在甲烷發酵第3d以后，每隔3d取一次樣，分析其pH值、TVFA及乙醇濃度.其結果如圖3所示.

圖3　預發酵方式對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

在甲烷發酵第 0d時，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）.隨著甲烷發酵的進行，前 3d pH值顯著下降，TVFA持續上升，這與此時甲烷產量下降，甲烷發酵受到抑制的結果相對應（圖 1a）.說明在甲烷發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預發酵＜FW預發酵＜對照組.

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

可逆性酸化可能與系統中的乙醇濃度有關，如圖3c所示，甲烷發酵過程中的乙醇濃度由高到底的順序為：FW+DG預發酵＞FW預發酵＞對照組，FW預發酵、FW+DG預發酵組初始乙醇濃度分別為對照組的6、7倍.結合圖2和圖3c可知，乙醇不僅在預發酵過程中產生，在甲烷發酵的初期階段也產生，乙醇預發酵后底物中部分碳水化合物轉化為中性的乙醇，這對緩解體系酸化起到重要作用.

此外，對比兩預發酵組可以看出，在甲烷發酵初期（第3～9d）FW+DG預發酵組TVFA濃度降低速率比 FW預發酵組快，這與2.1節中所述的 FW+DG預發酵組產甲烷速率更快是一致的.

2.3乙醇預發酵酸控方式提高甲烷產量的機理分析

在厭氧發酵的水解酸化階段，碳水化合物先水解轉化為葡萄糖，葡萄糖經過糖酵解途徑（EMP）產生中間產物丙酮酸，而此后丙酮酸經過不同代謝途徑轉化為不同的產物，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甲烷菌利用，均需先轉化為乙酸，而乙醇、丁酸、丙酸轉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，其大量存在也不會造成體系 pH值下降.因此，促進丙酮酸更多的向乙酸及乙醇方向轉化對提高厭氧發酵產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結合圖3可看出，3組發酵試驗中乙酸與丙酸濃度的總體變化趨勢與TVFA大致相同，都是先急劇增大后逐漸降低，但經過乙醇預發酵的兩組乙酸、丙酸濃度增幅明顯低于對照組，且對照組乙酸與丙酸濃度在任一階段都遠遠高于其它兩實驗組.有文獻報道顯示厭氧發酵體系的丙酸濃度大于 0.9g/L時會對產甲烷菌產生抑制作用［20］，本實驗研究結果也表明：未預處理的對照組丙酸濃度遠遠高于預處理組的，且丙酸濃度高于 0.9g/L的持續時間由短到長分別為：FW+DG預發酵（1d）＜FW預發酵（5d）＜對照組（14d）.FW+DG 預發酵組高于0.9g/L持續時間最短，此期間產甲烷有所下降但未停止.

由圖5c還可知，PC/AC由大到小的順序為：對照＞FW預發酵＞FW+DG預發酵組.其順序與產甲烷量由高到低的順序相反.丙酸/乙酸是厭氧發酵一個敏感的指標.王利紅等［21］提出甲烷發酵過程中，丙酸/乙酸比值超過0.08系統開始出現抑制現象，高于0.10則會對甲烷菌產生50%的抑制.本研究對照組的PC/AC在整個發酵過程中一直大于0.10，產甲烷菌一直受到抑制.而兩預發酵組的PC/AC隨著發酵的進行呈現下降的趨勢，系統比較穩定地產甲烷.

綜上所述，有機物轉化為乙醇對厭氧發酵的積極作用有兩方面：一是部分有機物轉化為乙醇后，生成的有機酸必然減少，而乙醇pH為中性，對維持發酵系統pH穩定、保持產甲烷菌活性有重要意義；二是與乳酸、丙酸、丁酸相比，乙醇較容易轉化為產甲烷菌能直接利用的乙酸，從而提高了產甲烷速度和產量.餐廚垃圾與酒糟混合預發酵24h是一種操作簡單、經濟合理的厭氧發酵生物預處理方式.該種方式酸積累現象不明顯，產甲烷抑制期最短，累積甲烷產量最高.

圖5　預發酵方式對乙酸、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　結論

3.1對照組、FW預發酵組、FW+DG預發酵組發酵33d后的累計甲烷產率分別為22.8，222.4，231.3mL/gVS.說明乙醇預發酵在促進產甲烷方面具有明顯效果.

3.2乙醇預發酵可以促進發酵物料的水解，其水解產物中乙醇及 TVFA、乙酸濃度比對照組高.FW預發酵的乙醇、TVFA、乙酸濃度與對照組相比分別提高了4.5、1.4、4.9倍，FW+DG預發酵組則分別提高了7.8，1.6，5.9倍.對照組、FW預發酵、FW+DG預發酵組的乙酸/（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.經過乙醇預發酵之后，更多的碳源被轉化為乙醇和乙酸.

3.3經乙醇預發酵的后續甲烷發酵過程中乙醇含量仍高于對照組，這是因為帶有大量乙醇生成菌的物料進入甲烷發酵系統，會在甲烷發酵初期短時間維持乙醇發酵優勢，保持中性物質-乙醇的濃度，使甲烷發酵系統不容易酸化.而預發酵組的乙酸、丙酸和TVFA等濃度明顯低于對照組，說明乙醇預發酵使糖代謝途徑向乙醇生成途徑轉化，減少了丙酸等有機酸的生成，有效緩解發酵過程中的酸積累、產甲烷受抑制問題.

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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.，FW EP and FW+DG co-EP） was evaluated. The results showed that the cumulative methane yield of control （i.e.，without EP），FW 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

國家自然科學基金（51278050）；國家科技支撐計劃項目（2014BAC24B01）

* 責任作者，教授，wangqh59@sina.com

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