食微比對丙氨酸菌渣厭氧消化的影響

湯若昊， 劉 洋， 郁 亮， 賈士儒， 陳樹林， 李德茂

(1.天津科技大學 生物工程學院工業微生物教育部重點實驗室， 天津 300308； 2.中國科學院 天津工業生物技術研究所工業生物系統與生物加工工程重點實驗室， 天津 300457； 3. 安徽華恒生物科技股份有限公司， 安徽 合肥 230041)

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食微比對丙氨酸菌渣厭氧消化的影響

湯若昊1,2， 劉 洋3， 郁 亮2， 賈士儒1， 陳樹林2， 李德茂2

(1.天津科技大學 生物工程學院工業微生物教育部重點實驗室， 天津 300308； 2.中國科學院 天津工業生物技術研究所工業生物系統與生物加工工程重點實驗室， 天津 300457； 3. 安徽華恒生物科技股份有限公司， 安徽 合肥 230041)

文章在中溫(35℃)條件下對丙氨酸菌渣進行厭氧消化試驗，比較5種食微比(0.5,1,2,4,8)接種對500 mL厭氧消化體系的pH值，TS，VS，COD，氨氮，VFA，產氣量和甲烷含量的影響。結果表明，在F/M=2時，系統的TS，VS去除率，COD去除總量，產氣總量和平均甲烷含率都為最高。其中，反應pH值為7.4～7.9，TS和VS去除率分別達到46.67%和26.64%，COD去除總量達到4029 mg，產氣總量達到840 mL，甲烷含率為50.2%。此外，反應過程中氨氮濃度穩定在2.4～2.8 g·L-1，表明氨基酸菌渣處理過程中的氨氮產生得到了控制。

丙氨酸菌渣； 厭氧消化； 食微比； 產甲烷能力

廢棄菌渣是利用發酵生產丙氨酸后的廢棄物，主要包含滅活后的菌體、殘余培養基及菌體產生的丙氨酸和其他代謝產物等。其含水量和有機質成分都很高，極易對環境造成危害。但由于其中含有大量丙氨酸(70 g·L-1)和其他營養物質，也具有很高的利用價值。在對廢棄菌渣的處理方面，氨基酸發酵菌渣被鑒定為危險廢棄物[1]，不能直接將其作為飼料添加劑進行處理[2]，必須按照危險物質處置方法處置[3-4]。早期一直采用焚燒的方式進行處理，這種處理方法成本高，且沒有將廢棄菌渣中的有機質成分利用起來，所用十分不合理[5]。在現階段，厭氧消化的方法被廣泛的利用于處理廢棄菌渣。但廢棄菌渣相比一般的生活垃圾又具有一定的特殊性，一般廢棄菌渣中C/N較低，很容易積累氨氮造成對產甲烷菌的抑制，另外廢棄菌渣的有機質含量高，且易水解，這導致在厭氧消化過程中反應體系有機負荷很高，這對系統內的水解細菌和產甲烷菌的活性都有影響[6]。蘇建文[7]等人在中溫條件下對紅霉素菌渣進行了單級厭氧消化的研究，得到系統穩定運行的最高負荷為1.42 kgVS·m-3，平均產氣量為21.97 L·d-1，證明了厭氧消化技術可以有效處理紅霉素菌渣并且獲得沼氣。張文彬[8]等人通過利用四級厭氧反應系統對螺旋霉素發酵菌渣進行處理，也得到了很好的處理效果和產氣效率。然而，這些研究及一些傳統處理過程中對污泥的接種方式都采用按反應器體積比例來進行接種，但由于廢棄菌渣高有機含量、高抑制物濃度的特殊性，在厭氧消化過程中底物和接種物的配比變得十分重要，如果在厭氧消化過程中底物和接種之間的配比過高或者過低，則可能造成反應系統負荷過大，反應周期變短，處理效率和產氣率低的情況發生。或者引起消化過程中營養物質的不足，嚴重影響消化反應的效率[9]。食微比(F/M)是在發酵體系中加入底物VS與接種物VS之比，其通過改變體系中厭氧微生物的數量和種群穩定性,影響厭氧消化過程[10]。所以，在處理氨基酸廢棄菌渣的過程中調整厭氧消化的食微比來優化處理效果和產氣效果是十分值得研究的。

筆者根據不同的F/M對廢棄菌渣和接種污泥進行配比，通過對整個厭氧消化過程中各項參數的追蹤，來找到最適宜進行廢棄菌渣消化的F/M值，為下一步研究和利用到實際生產中做準備。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 菌渣廢液

菌渣廢液取自安徽華恒生物科技有限公司，主要成分是大腸桿菌發酵丙氨酸后的廢棄菌渣和殘余發酵液，其中含有大量的蛋白、氨基酸和鹽分。菌渣廢液的主要性質見表1。

表1 底物丙氨酸菌渣廢液的主要性質

1.1.2 接種物

試驗所用的接種物是取自天津碧海環技術咨詢有限公司的大型USR反應器中的厭氧污泥，其主要性質見表2。

1.2 實驗裝置

實驗裝置由500 mL消化瓶(有效體積450 mL)和500 mL的集氣袋組成。反應瓶放入水浴中，并保證水浴液面高于反應瓶內液面。水浴用加熱棒控溫在35℃±1℃。

表2 接種污泥的主要性質

1.3 試驗方法

試驗根據F/M的值不同分為5組，每組3個平行。其中每一組都添加200 mL的厭氧污泥作為接種物，然后根據不同的F/M值來添加不同量的底物，最后都用蒸餾水補齊至450 mL。以450 mL廢棄菌渣作為對照。反應設置如表3所示。發酵過程持續10天，每12小時搖動一次反應瓶，保證有機質被充分利用。每天用注射器從消化瓶中取樣5 mL液體進行參數測定，取樣前將瓶內液體搖勻。

表3 各實驗組組成 (mL)

1.4 參數測定及方法

pH值，總固體(TS)，可揮發性固體(VS)，化學需氧量(COD)等常規參數使用標準方法進行測定[11]。揮發性脂肪酸(VFA)利用高效液相色譜法進行測定，色譜柱為HPX-87H，紫外檢測器，溫度30℃，反應時間50分鐘，檢測樣品中甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、正戊酸的量，其總和即為樣品中VFA的濃度。CH4含量利用氣象色譜法進行測定，色譜柱使用PEG-20M毛線管柱，以氮氣為載氣，流速30 mL·min-1。柱箱，進樣器和檢測器的溫度分別是180℃，180℃和200℃。

2 結果與討論

2.1 F/M對pH值的影響

厭氧消化過程中各組份pH值變化規律如圖1所示。A組pH值在第一天達到了8.1，隨后恢復到8.0以下，其后一致穩定在7.4到7.9之間。B, C兩組的pH值變化基本保持一致，一直穩定在7.4到7.9之間。D組pH值從第4天起下降并一致低于其他4組。E組pH值在7.3到7.8之間波動，但其波動幅度較大。

圖1 厭氧消化中pH值變化曲線

在整個反應過程中A, B, C 3組的pH值變化相對穩定并一致，說明反應過程中有機酸的產生和氨氮的生成處于一個平衡的狀態，并未引起pH值的較大波動。而D, E兩組在整個反應過程中pH值波動較大，在反應結束后的pH值也偏低，這是因為這兩組的原料F/M都較高，消化過程中的水解反應比其余三組相對活躍，但反應過程中pH值較大的波動也說明消化過程中各個反應之間并不平衡。然而，在整個發酵過程中，各組份的pH值都有小范圍波動，但都未下降至7.0以下，一直保持在產甲烷菌最適宜的范圍當中，有利于產甲烷活動的進行[12]。這說明廢棄菌渣及其發酵液作為原料進行厭氧消化的過程并不易發生酸化。

2.2 F/M對TS和VS的影響

厭氧消化過程中TS和VS的變化如圖2，圖3所示。 A, B, C, D, E的TS去除率分別為28.57%, 33.33%, 46.67%, 32.14%, 27.59%。C組的TS去除率明顯高于其他組，這說明在底物和接種物按照F/M=2進行混合厭氧消化過程中對TS的降解效率最高。A, B, C, D, E 的VS去除率分別為26.3%，25.2%，26.24%，18.84%，13.84%。A, B, C三組的VS去除率都相近，D, E兩組的VS去除率較低，但由于A, B兩組的原料添加量都較少，所以C這一組的VS降解量最高。綜合來看，C組(F/M=2)對于TS和VS的降解效果最好。

圖2 厭氧消化中TS變化曲線

圖3 厭氧消化中VS變化曲線

2.3 F/M對COD去除率和去除總量的影響

圖4表明了厭氧消化過程中各組每天COD去除量的情況。在反應初期COD下降較快，原因是在發酵液和菌渣中殘留的糖類等有機質被直接利用，這一步反應不受水解反應的限制，所以COD去除效率較高[13]。在第4天后，COD下降緩慢，有可能的原因是，水解反應進行緩慢對下一步的產酸產甲烷反應有所限制，還有可能是反應體系中的氨氮等有毒物質的積累造成了COD消耗量的下降。在反應結束時，A, B, C, D, E的COD去除率分別為55.66%，42.46%，20.24%，5.71%，3.36%。由于各組份初始COD差別很大，C, D, E這3組初始COD很高，消化反應的有機負荷較大，所以COD去除率較低。但從COD的去除總量來說，5組分別為1372 mg，1885 mg，4029 mg，2862 mg，2358 mg。去除COD的能力在F/M=2時達到最高點。由此來說，C組的處理能力相對最強。

圖4 厭氧消化中COD變化曲線

2.4 F/M對氨氮濃度的影響

圖5顯示在厭氧消化過程中各組氨氮的變化情況。其中，A, B, C這3組的氨氮含量是先上升，然后分別平穩的保持在0.4±0.1 g·L-1, 1.4±0.2 g·L-1, 2.6±0.2 g·L-1。由于這3組試驗的消化反應仍在繼續，所以這樣的現象有可能是消化反應體系內氨氮的生成和利用保持平衡。D, E兩組在整個厭氧消化過程中氨氮的含量都是持續上升的，最后分別達到了4.5 g·L-1和7.5 g·L-1。這樣的氨氮濃度會對反應體系內的產甲烷菌產生抑制，嚴重影響整個體系產生甲烷的效率[14-16]。造成這兩組氨氮濃度持續升高的原因有可能是D, E兩組內有機質含量充足，細菌的水解反應較為活躍，產生大量氨氮，并抑制了下一步反應的進行，造成了氨氮的積累。所以可知，氨基酸廢棄菌渣及其發酵液如果大量進行厭氧消化會積累過量的氨氮，造成消化反應的停滯。但利用F/M=2的條件進行接種，適當稀釋底物濃度，對反應過程中的氨氮生成有很好的控制作用。

圖5 厭氧消化中氨氮變化曲線

2.5 F/M對VFA的影響

圖6顯示了厭氧消化過程中各組VFA的變化情況。各組試驗的VFA變化趨勢均是在第2天達到峰值然后逐漸下降，各組的VFA峰值有所不同。其中C組的VFA峰值最大，達到3900 mg·L-1，在VFA下降過程中隨著F/M的增加VFA的下降趨勢越為緩慢。在反應結束時，A, B, C, D, E這5組的VFA值分別為2010 mg·L-1, 2130 mg·L-1, 2190 mg·L-1, 2379 mg·L-1, 2430 mg·L-1。從VFA的變化可以看出在C組在反應前期的VFA含量最高，說明其消化反應內的水解反應進行得最充分，所以其產氣量也最高。這也進一步證明了C組的接種方式更有利于產氣。

圖6 厭氧消化中VFA變化曲線

2.6 F/M對產氣量和甲烷含量的影響

圖7顯示了在厭氧消化過程中各組產氣量的變化過程。A, B, C這3組在第2天前到達產氣高峰，并且產氣活動一直持續到第10天。其中，隨著F/M的增大，產氣高峰也逐步增大，C組在第2天的產氣量最高，達到了245 mL。D, E兩組的產氣高峰出現在5～6天時，其中D組的最高產氣量為239 mL，與C組相差不大。但D，E兩組的產氣持續性明顯較弱，在反應進行到第8天后基本停止產氣。這可能是由于D, E兩組的反應體系中的負荷較大，氨氮含量持續升高，從而影響CH4，CO2等氣體的產生。整個反應過程中，各組的產氣總量分別為441 mL，638 mL，840 mL，740 mL，747 mL。此外，各組產生氣體的平均甲烷含量分別為49.1%，47.3%，50.2%，35%，27.1%。由此可以看出C組在氣體產量和甲烷產量上都具有優勢，是最適合進行產氣的消化條件。

圖7 厭氧消化中產氣量變化曲線

3 結論

在利用F/M作為接種依據進行厭氧消化的實驗中，發現F/M=2是最佳的接種比例。依據這一濃度進行接種，在整個消化過程中積累到了最高的產氣量840 mL，并且平均甲烷含量也達到了最高的50.2%。同時，其TS，VS去除率分別達到46.67%和26.64%，相比其他組別都具有優勢。其COD去除率達到了20.24%，與F/M=0.5，F/M=1兩組相比較低，但其COD的去除總量達到了4029 mg，相比其他組具有明顯的優勢。在氨氮的積累上，F/M=2組在反應的中后期可以保持體系內氨氮生成和利用的基本平衡，氨氮濃度穩定在2.6±0.2 g·L-1，此濃度的氨氮不會對產甲烷菌的活性產生抑制，這也說明F/M=2的接種條件對消化過程中氨氮的生成有很好的控制。然而，對整個消化反應來看，其反應周期還相對較短，只能維持10天左右就完全停止產氣，其原因有可能是反應體系某種營養物質的不足所造成的，所以下一步計劃在厭氧消化過程進行原料的流加，以維持更長的反應周期，進一步增加產氣量和處理效率。

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Influence of Food to Microorganism Ratio on Anaerobic Digestion of Bacterial Residues from Alanine Production /

TANG Ruo-hao1,2, LIU Yang3, YU Liang2, JIA Shi-ru1, CHEN Shu-lin2, LI De-mao2/

(1. Key Laboratory of Industry Microbiology, Ministry of Education; Tianjin University of Science and Technology, Tianjin 300457, China; 2. Tianjin Key Laboratory for Industrial BioSystems and Bioprocessing Engineering, Tianjin Institute of Industrial Biotechnology, Chinese Academy of Sciences, Tianjin 300457, China; 3. Anhui Huaheng Biotechnology CO LTD, Hefei 230041, China)

Bacteria residue from Alanine production was treated by anaerobic digestion at 35℃. The effects of 5 food to microorganism ratio ( F/M 0.5, 1, 2, 4, 8) on pH, TS, VS, COD, ammonia nitrogen, VFA, gas output and methane content, were compared. The results showed that the F/M of 2 obtained the best of TS and VS degradation rate, COD removal efficiency, total gas production and average methane content, for which the pH were 7.4 ～ 7.9, the TS and VS degradation rate reached 46.67% and 26.64% respectively, the total COD removal was 4029 mg, total gas production was 840 mL, and the biogas methane content was 50.2%. The ammonia nitrogen concentration was maintained within 2.4 ～2.8g·L-1, which indicated the ammonia production was effectively controlled in the anaerobic digestion process.

bacterial residues from alanine production; anaerobic digestion; food to microorganism ratio; methane production

2016-01-11

湯若昊(1990- )，男，碩士研究生，研究方向為厭氧消化制沼,E-mail: tang_rh@tib.cas.cn

李德茂，E-mail：li_dm@tib.cas.cn

S216.4;X172

A

1000-1166(2016)02-0013-05