農村有機生活垃圾沼氣發酵工藝優化及菌群分析

魏珞宇， 羅臣乾， 張 敏， 施國中， 張國治

(農業農村部沼氣科學研究所, 成都 610041)

近年來，隨著農村經濟的發展，農民生活水平的提高，農村生活垃圾的數量已經達到了每年3億噸[1]。根據調查，中國農村生活垃圾主要組分包括廚余類、灰土類、橡塑類和紙類。而在廚余類主要包括剩菜葉、剩果皮、蛋殼、骨頭以及剩飯等。根據文獻研究所得，除東北地區外，我國大部分農村生活垃圾中，廚余類垃圾占40%以上[2]。該部分垃圾有機質含量高，尤其是糖類物質含量高，并且含有氮、磷、鉀、鈣及微量元素[3]。以往，該類生活垃圾通常是用來當做家庭飼養家禽及牲畜的飼料或者用于田間堆肥[4]。隨著農村生產生活方式的轉變，失去了就地消納該類垃圾的能力。該部分垃圾隨其他生活垃圾被農戶丟棄于戶外。在一些經濟農村條件較好的農村，設有生活垃圾集中收集點，村民集中堆放后由村里轉運至垃圾處理廠或填埋，在其他地方，更多的是隨意丟棄[5]。對農村的土壤、河流、空氣造成了污染。尤其是其中的有機質部分，極易腐爛變質，易攜帶滋生病菌的Colibacillus和Salmonella等，對人們的健康造成了很大的威脅[6]。因此，對這部分垃圾需要進行妥善處理。

厭氧消化是一種處理有機廢棄物行之有效的方法。它可以生產出清潔能源—沼氣，并且沼渣沼液是一種肥料，可以還田利用,實現了該類垃圾的減量化與資源化[7]。也有研究證明，厭氧消化同時可以去除一些病原菌，減少垃圾隨意丟棄所帶來的病菌感染[8-9]。目前，針對農村有機生活垃圾中致病菌及厭氧發酵的研究較少，本研究利用農村有機生活垃圾開展連續厭氧發酵實驗，研究厭氧發酵過程中細菌菌群的變化。沼渣沼液中病原菌攜帶情況會影響其還田利用，因此本研究有重要的意義。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

根據前期對農村有機生活垃圾成分的調研結果(農村有機生活垃圾中菜葉比例50%，果皮25%，剩飯20%，廢舊紙張5%)收集研究所附近菜市場以及餐館的有機垃圾按比例配置成農村有機生活垃圾。收集到的垃圾挑選出塑料袋、筷子、等不可發酵物質，分別做切碎處理(粒徑1 cm)和粉碎處理(粒徑1 mm)。接種物取自農業農村部沼氣科學研究所實驗基地。原料及接種物性質見表1。

表1 農村有機生活垃圾及接種物性質 (%)

1.2 實驗裝置及方法

實驗裝置如圖1所示，為CSTR反應器。罐體容積為22 L，有效容積為20 L。設有自動溫控及攪拌系統。進料口位于反應器下部，出料口位于反應器上部，中部設有取樣口。進料方式為1日1進。采用連續厭氧發酵，原料TS濃度控制在8%，原料粒徑為1 cm和1 mm，溫度為35℃，攪拌條件為轉速為60 r·min-1，每10分鐘攪拌1次。采用LML-1型濕式氣體流量計記錄沼氣產量，使用氣袋收集沼氣以用來測量沼氣成分。

發酵罐內原料與接種物按照TS比為1∶1投入，待發酵罐內產氣穩定后開始進料，逐步提高進料負荷，直至水力停留時間(HRT)縮短至12 d。本次實驗選取HRT=15 d和20 d兩個階段進行細菌菌群分析。每次進料前將原料TS濃度用沼液控制到8%。添加微量元素如下：鐵元素添加量4 g·L-1, Co 0.58 ug·L-1, Ni 2 mmol·L-1。實驗條件設置如表2所示。

圖1 實驗裝置示意圖

溫度原料粒徑編號35℃1 cm1#35℃1 mm2#

每天記錄甲烷產量，每天取樣測pH值和揮發酸。

1.3 分析方法

日產氣量由流量計讀數所得。氣體成分由便攜式氣體成分分析儀測量所得。儀器型號為：BIOGAS-5000。pH值測定，便攜式pH計型號為pH-100。細菌菌群變化由上海美吉生物科技有限公司進行測序分析，測序方法采用16s-rDNA分析技術。

2 結果與討論

2.1 日沼氣產量與水力停留時間的關系

如圖2所示，為2個反應器在HRT為20 d和15 d 階段的日產沼氣量，每個階段為期10天。日產沼氣量隨水利停留時間縮短而提高。水利停留時間為20 d時，1#反應器中的日產沼氣量高于2#反應器中的日產沼氣量，表明在該水利停留時間條件下，反應溫度為35℃時，原料粒徑為1 cm時的日產沼氣量高于原料粒徑為1 mm。水利停留時間為15 d時，2#反應器中的日產沼氣量高于1#反應器中的日產沼氣量，表明在該水利停留時間條件下，反應溫度為35℃時，原料粒徑為1 mm時的日產沼氣量高于原料粒徑為1 cm。1#反應器中的容積產氣率由1.8 L·L-1d-1提高到2.69 L·L-1d-1，2#反應器中的容積產氣率由2.14 L·L-1d-1提高到2.96 L·L-1d-1，表明原料粒徑越小，水利停留時間縮短對沼氣產量的提升程度越大。

圖2 日產沼氣

2.2 甲烷含量變化

如圖3所示為甲烷含量變化，可以看到，1#反應器中沼氣的甲烷含量要高于2#反應器中沼氣甲烷含量。表明，原料粒徑小，發酵體系中原料水解酸化速率高，體系中揮發酸濃度較高，抑制了產甲烷菌的活性，使得沼氣中甲烷含量低[10]。兩個反應器中沼氣甲烷含量均在50%以上。

圖3 甲烷含量變化

2.3 pH值變化

圖4所示為兩個反應器中pH值的變化。水利停留時間為20 d時，pH值均偏高，當水利停留時間為15 d時，pH值下降。表明隨著水利停留時間縮短，發酵體系中揮發酸積累量提高，使得pH值下降。兩個反應器中的pH值均處于發酵正常范圍內。

圖4 pH值變化

2.4 細菌菌群變化

圖5為原料和沼渣中細菌菌群結構圖。A為原料細菌菌群結構圖，在4批次的原料中，存在的病原菌為Enterobacter和Enterococcus。其中，Enterobacter所占比例分別為為21%，6%，13.1%，11.4%。Enterococcus在第3批次的原料中所占比例為2.91%，在其他批次的原料中比例很小。其余優勢菌主要有Lactobacillus，Leuconostoc，Weissella，Acetobacter，Streptococcus等。未檢測到Salmonella，ShigellaCastellani及StaphylococcusAureus。圖6為兩個反應器中7個不同時間段沼渣中細菌群落結構圖，其主要細菌菌群為Rikenella，Rumin、Lachnospira，clostridium等，未檢測到Enterobacter，Enterococcus，Salmonella，ShigellaCastellani及StaphylococcusAureus。

圖5 原料中細菌菌群

圖6 沼渣中細菌菌群

Enterobacter是1種不治病或條件致病菌，在機體免疫能力低下時，容易發生感染。Enterococcus是1種革蘭氏陽性菌，其致病能力強。因此，對這兩種菌的去除顯得很重要。通過本次實驗發現，厭氧作用對這兩種菌具有100%的去除能力，消除了這兩種菌伴隨有機生活垃圾而對人、畜的健康威脅。Leena[11]等人通過研究發現厭氧消化可以去除豬糞中Salmonella和Colibacillus等病原菌。原料中大量存在著Weissella，它是一種以葡萄糖為底物產生乳酸的細菌，能夠參與食品的腐爛變質。張嚴化[12]發現，在餐廚廢棄物早期儲運過程中，Weissella，Lactobacillus，Streptococcus為主要優勢菌，在米面型餐廚廢棄物和肉菜型餐廚廢棄物中有差別。Salmonella，ShigellaCastellani及StaphylococcusAureus是人畜共患菌，在食品和飼料中污染比較嚴重，在本4批原料中未測得這些菌，表明在實驗室條件下對農村有機生活垃圾進行收集，雖然是在一個開放的、非嚴格控菌的條件下，農村有機生活垃圾不會被Salmonella，ShigellaCastellani及StaphylococcusAureus感染。張嚴化[12]在研究餐廚廢棄物早期儲運過程中細菌菌群變化中同樣也未發現這些菌。

對沼渣中細菌菌群進行群落結構分析發現，主要以發酵性細菌為主，Rikenella，Rumin，Lachnospira，Clostridium等均屬于Bacteroidetes和Firmicutes[13]，這些細菌可以分一系列解大分子物質如蛋白質、碳水化合物等，將這些有機物轉變為乙酸、丙酸、丁酸等揮發性有機酸[14]，這與前人所得結果類似[15-17]。

通過細菌菌群結構分析發現，原料中主要以Lactobacillus，Weissella等為主，這些菌為兼性厭氧細菌，他們主要以原料中有機物為底物，分解產生乳酸；原料進入發酵罐后，發酵體系為嚴格厭氧環境，原料本身攜帶的細菌不適應發酵罐中環境，發酵體系中發酵性細菌逐漸取代原料中原有細菌，直至完全取代。隨著沼氣發酵過程的進行，原料中原有的細菌菌群已經發生了變化。

3 結論

(1)農村有機生活垃圾在TS為8%的時候進行連續厭氧發酵，原料粒徑為1 mm時，發酵效果優于原料粒徑為1 cm。HRT=20 d時，最佳容積產氣率為2.14 L·L-1d-1，HRT=15 d時，最佳容積產氣率為2.96 L·L-1d-1。

(2)厭氧發酵對農村有機有機生活垃圾中的Enterobacter和Enterococcus有良好的滅殺效果，證明厭氧發酵可以去除農村有機生活垃圾中此類病原菌對環境的影響。

(3)隨著沼氣發酵的進行，原料中原有的細菌菌群發生變化，由原先的Lactobacillus及Weissella轉變為發酵性細菌。