鏈霉素菌渣與醬油渣混合厭氧發酵協同作用

梁文華，王瑞達，劉 敬，吳 健，方 楠，程輝彩，邊紅杰

(1.河北省科學院生物研究所，河北 石家莊 050081；2.河北科技大學 生物科學與工程學院，河北 石家莊 050018；3.北方工程設計研究院有限公司，河北 石家莊 050011)

抗生素生產過程中會產生大量的抗生素菌渣，我國抗生素年產量已多達24.8萬t[1]，位居世界第一。抗生素產出的抗生素菌渣比率為1∶(8～10)。抗生素菌渣含水量大、雜質含量高，常溫堆積極易腐敗變質，進一步滲透土壤污染地下水，引發諸多環境問題。抗生素菌渣得到高效、無害化處理是當今社會面臨亟待解決的問題，處理抗生素菌渣應本著環境友好、高效低能耗、可持續和經濟可行的原則，最大限度降低菌渣的堆積和污染問題。賈曉鳳[2]厭采用氧發酵處理慶大霉素菌，發現與林可霉素菌渣聯合發酵的效果優于單一菌渣發酵的效果，原料之間表現出明顯的協同作用。曹盼[3]通過好氧堆肥的方式對壯觀鏈霉素菌渣進行處理，發現最終菌渣中的抗生素殘留具有良好的去除效果。田寶闊[4]對鏈霉素菌渣進行堿熱預處理提高了菌渣厭氧發酵的可生化性和產甲烷效率。同時近年來有關對鏈霉素廢水處理[5]工藝以及生物抗性[6-8]研究報道中也取得一定成效。

醬油渣是醬油生產過程中產生的副產品，2016年我國醬油產量多大1000萬噸[9-10]，且市場需求逐年增長，據報道醬油與醬油渣的產出比為1∶0.67[11]，因此醬油渣的年產量也相當大，有巨大的利用空間。兩種原料取料均來自石家莊，既可以在成分上互補，又降低了處理過程中因運輸不便造成的處理風險和成本。抗生素菌渣通過厭氧發酵的方式處置技術上具有可行性，而且為了提高鏈霉素菌渣厭氧發酵效率，本研究以鏈霉素菌渣和醬油渣為發酵原料，進行混合發酵，監測試驗過程中發酵液成分含量以及產氣特性的變化，確定菌渣和醬油渣混合發酵的最適濃度范圍，進而為抗生素菌渣及醬油渣等有機固廢高效資源化利用提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

鏈霉素菌渣取自石家莊華勝制藥，醬油渣來源于石家莊珍極醬油廠。污泥取自石家莊市橋西污水處理廠，經過菌渣和醬油渣馴化不產氣后作為接種物。原料與污泥的理化性質詳見表1。

表1 鏈霉素菌渣混合厭氧發酵各組分的理化性質 (%)

1.2 試驗方法

發酵裝置為3 L批式玻璃發酵罐，有效體積為2.5 L，如圖1所示。試驗設6個處理，分別為CK1，R1，R2，R3，R4，CK2，各處理組的原料(鏈霉素菌渣+醬油渣)有機負荷(gVS·L-1)分別為20+0，20+5，20+10，20+15，20+20，0+20，兩種底物的具體添加量如表2所示。將原料及種子液800 mL分別加入對應發酵罐，用清水將各個處理組補充至有效體積2.5 L。30℃±1℃，定期取樣并測定氣體產量、不同成分含量及發酵液理化性質。

圖1 鏈霉素菌渣混合厭氧發酵裝置

表2 鏈霉素菌渣混合厭氧發酵原料添加量 (gVS)

測定方法：沼氣體積和組分含量采用濕式流量計和Biogass5000沼氣分析儀測定；料液的氧化還原電位，pH采用玻璃電極法測定；VFA測定采用Nordmann聯合滴定[12]；氨氮，SCOD測定采用5B-3C(V8)型分光光度計分別執行HJ/T399-2007標準和納氏比色法[13]。

協同指數計算：其中理論產氣量B基于公式(1)計算得出的[14]；X1～X2為原料單獨發酵時的底物濃度，對應A1～A2代表從第1～2個消化底物的累積產氣量；X1'～X2'是共消化中第1～2個底物的VS分數，A'代表共消化的累積產氣量。如果產氣量的實際理論差值C大于累積產氣量的SD(標準偏差)，則可以確認具有協同作用[15]。協同效應指數E通過公式(2)計算得出[16]。

(1)

(2)

2 結果與分析

2.1 混合厭氧發酵過程中氧化還原電位變化

鏈霉素菌渣混合厭氧發酵的氧化還原電位變化如圖2所示，CK2與混合處理組的氧化還原電位變化在初期階段0～6 d降低趨勢明顯，CK2在反應第2 天降低至最低-350 mV，下降幅度相比其它組的變化速率更快。不同處理組的氧化還原電位在6～32 d處于穩定階段，均維持在-300 mV附近。后期CK1，R1的氧化還原電位略有升高，其余變化不顯著。在厭氧環境下，原料在微生物的降解作用下釋放、積累還原性分子，初期體系中的發酵剛剛啟動，還原性物質消耗、利用率較低導致發酵液中氧化還原電位的快速降低。鏈霉素菌渣與醬油渣混合發酵時，反應體系氧化還原電位的變化主要受鏈霉素菌渣有機負荷的影響，醬油渣比例的增加對初期氧化還原電位的降低速率和最低值的影響較小。隨著反應的進行各組的氧化還原電位逐漸趨于平穩，不同原料配比組平衡的氧化還原電位水平仍表現出較高的一致性。

圖2 鏈霉素菌渣醬油渣混合厭氧發酵氧化還原電位的變化

2.2 混合厭氧發酵過程中pH值變化

pH值是厭氧發酵過程中重要的監測參數，保持反應體系pH值的適宜對產甲烷微生物代謝繁殖有積極作用。CK1，R1～R4在0～29 d的pH值先降低后上升，最低值均出現在發酵第2天，依次為6.23，6.15，6.03，5.87，5.81，pH值的高低呈現出隨醬油渣添加量的增加而降低；反應進行到第15 天組間pH值差距減小，后期處理組的pH值均保持在7.0左右。鏈霉素菌渣厭氧發酵過程中通過增加醬油渣的添加量對前期發酵液的pH值有一定降低作用，隨著反應的進行，這一降低影響會逐漸減小。CK2的pH值經歷了類似的變化，初期經過短暫的降低，最低值出現在第8 天的5.4，25 d后pH值水平波動較小維持在6.5附近，CK2在處理組間的pH值對比在第6 天之后始終處在最低水平。菌渣中的C/N比醬油渣的更低，故醬油渣相比鏈霉素菌渣單獨厭氧發酵的更容易產生有機酸積累，因此醬油渣發酵初期的酸化進度會更快，后期pH值的恢復至6.5左右，未對體系產生酸化影響。

圖3 鏈霉素菌渣醬油渣混合厭氧發酵pH值的變化

2.3 混合厭氧發酵過程中VFA含量變化

如圖4所示，各個處理組的VFA含量變化趨勢一致，0～6 d呈上升趨勢，6 d VFA含量達峰值，pH值達最低值。CK2的最低值小于CK1，這可能是由于原料性質不同導致分解產物的種類濃度存在差別，溶液中酸堿緩沖能力表現出差異化，因此兩者同期的VFA濃度相似，pH值水平卻不同。前期揮發酸含量升高歸因于反應底物的水解酸化，加速了原料中蛋白質、纖維類、脂類的降解，VFA產生速率隨著微生物生長繁殖的加快而加快；混合發酵處理的VFA含量的高低隨體系中的有機負荷的升高而升高，當菌渣含固率一定時，通過添加一定量的醬油渣可提高體系中VFA的產生速率和濃度，這跟有機負荷的提高、有機物含量增高有一定關系。隨著產甲烷代謝速率加快以及底物的進一步消耗，各處理組VFA含量達到峰值后維持一段時間后開始降低，32 d后各處理組的VFA水平維持在200 mg·L-1附近。這在一定程度上反映了醬油渣的添加增加了體系中的VFA含量的升高，而未對最終的揮發酸濃度產生影響。

圖4 鏈霉素菌渣醬油渣混合厭氧發酵VFA含量的變化

比較不同處理組VFA含量變化，CK1和CK2的VFA濃度整體偏低，分析其原因是由于該兩個處理總有機負荷較低，為20 gVS·L-1，其他幾個處理由于是兩種原料混合發酵，有機負荷顯著高于兩個對照。其中CK2第6 天的pH值降至5.5，VFA含量不高是由CK2反應體系原料的組分特性不同所導致，即醬油渣是由高粱殼、谷類等發酵剩余物組成，木質素和纖維素類成分較多，短期內可分解的有機物含量顯著低于其他處理，如同時期CK2的SCOD值顯著低于其他處理組，因而酸化階段的VFA產出速率也受到限制，導致其整體濃度較低。

2.4 混合厭氧發酵氨氮和SCOD含量變化

在厭氧發酵過程中，底物中蛋白質、氨基酸等分解過程中會產生氨氮，作為一種代謝副產物隨著系統的代謝反應維持動態平衡。氨氮含量較高時不利與厭氧反應的進行，甚至導致發酵失敗。如圖5所示，CK2的氨氮含量維持在200～300 mg·L-1左右，發酵過程中未出現較大波動。CK1，R1～R4的氨氮水平隨著反應的進行不斷升高，由初始的200 mg·L-1逐漸增加到500 mg·L-1左右，各個處理組氨氮濃度變化一致，氨氮濃度始終比較低，沒有對厭氧發酵產生抑制作用。

圖5 鏈霉素菌渣醬油渣混合厭氧發酵氨氮含量的變化

如圖6所示，混合發酵過程中SCOD含量變化趨勢基本相同，在反應初期有所降低，隨后第4～22天混合處理組R1～R4的SCOD濃度隨著時間的推移波動均較小，組間水平體現為隨含固率的升高而增加，整體水平處于1500～2700 mg·L-1的范圍內；混合處理組的SCOD高于對照組CK1且明顯高于對照組CK2，即相同的有機負荷發酵條件下，菌渣前期反應過程中的SCOD水平會高于醬油渣處理，而體系中鏈霉素菌渣的含固率一定時，發酵液中的SCOD濃度會隨著醬油渣添加量的增加而明顯升高。CK1，R1～R4的SCOD含量在中后期均逐漸降低，由2000 mg·L-1下降至1000 mg·L-1左右。CK2在發酵進行到第4 天后的SCOD水平無明顯的升高和降低，同等有機負荷發酵的鏈霉素菌渣發酵相對醬油渣處理前1/2周期的SCOD水平較高，中后期的逐漸趨于一致。

圖6 鏈霉素菌渣醬油渣混合厭氧發酵SCOD含量的變化

2.5 混合厭氧發酵過程產氣情況和底物間協同作用

2.5.1 混合厭氧發酵過程中CH4和H2S含量的變化

如圖7所示，厭氧發酵首次測得氣體中的甲烷含量均低于20%，在4～15 d為甲烷含量上升期，其中R1，R2，R3的CH4含量均在第15天時甲烷含量高于50%，CK2和R4在第18天甲烷含量高于50%，而CK1甲烷含量升高最慢，25 d后才升高至58%。各處理甲烷含量達到60%左右后穩定一段時間，然后呈下降趨勢，降低幅度相對較小。不同處理組的甲烷含量變化趨勢一致，CK1的甲烷含量顯著低于其它處理組。反應體系中的甲烷含量與發酵液中甲烷菌的數量和活性密切相關，反應初期體系中的甲烷菌數量和活性均處于較低的水平，厭氧微生物對底物利用過程中甲烷的產生效率逐漸加快，甲烷含量隨著產沼氣速率加快而增加。后期甲烷含量呈降低趨勢可能是可利用底物含量降低影響了甲烷菌活性，進而對體系中甲烷含量產生一定影響。

圖7 混合厭氧發酵過程中CH4含量變化

H2S是硫酸鹽還原菌(SRB)在厭氧發酵反應中對底物利用時產生的，如圖8所示，反應初期體系中H2S含量均出現一定程度上升，其中R2，R3和R1，R4在第8天的H2S含量顯著升高，依次為800 ppm，400 ppm左右，對照組CK1，CK2在反應過程中H2S含量始終低于200 ppm。反應進行到第22天，對照組和混合組的H2S含量均低至200 ppm，組間水平的差距明顯縮小；32～36 d各組的H2S含量出現下降，而在36 d后各組的H2S濃度幾乎趨于一致，在100 ppm左右。從H2S含量的前后對比發現，鏈霉素菌渣添加不同比例醬油渣進行厭氧發酵，對前期H2S的含量有較明顯的影響，菌渣+醬油渣20+10 gVS和20+15 gVS時H2S含量較高；通過對比前1/2周期的產氣速率變化如圖8所示，發現在此原料比例條件下的日產氣量變化處于較高的水平，這種現象出現的原因可能是由于菌渣和醬油渣兩種原料的混合提高了單一基質的利用效率，SRB與甲烷菌所適應的底物環境類似，處理組R2，R3與處理組R1，R4以及CK1，CK2在反應初期的產氣速率和H2S濃度變化相一致。

圖8 混合厭氧發酵過程中H2S含量變化

2.5.2 混合厭氧發酵過程中沼氣日產氣量和累積產氣量

不同處理組的日產氣量和累積產氣量變化如圖9和圖10所示，混合處理組均在反應的第2 天產沼氣，產氣速率高于對照組CK1，CK2，可見醬油渣的添加降低混合體系的產氣延滯期，同時對起始階段產沼氣速率的快速提高起到積極意義。第8 天達到首個最大產氣速率，均處于0.55 L以上，最高為R3的0.77 L·d-1，可以看出醬油渣和鏈霉素菌渣混合發酵可提高早期階段的產沼氣速率和產氣量，菌渣+醬油渣為20+15時的處理效果最好。混合處理組18～29 d是第2個產氣峰值集中出現的時間，在各個處理日產氣量變化趨勢對比中發現：R1～R4的最大日產氣量差別較少，R2，R3的產氣高速期更長，混合組產氣量明顯高于CK1，CK2。發酵進行到第29 天，R1～R4的產氣速率開始出現明顯下降，出現的時間拐點和降低斜率幾乎一致，此時體系中的可利用的有機質越來越少，產氣速率越來越低。R1～R4的累積產氣量依次16.96 L，21.38 L，22.96 L，16.78 L，產氣能力分別產氣能力分別271.36 mL·g-1VS，285.07 mL·g-1VS，262.4 mL·g-1VS，167.8 mL·g-1VS，其中R2，R3的累積產氣量均超過20 L，混合組R1，R2，R3的基質產氣能力相比對照處理均有提高作用。本著提高反應系統中有機質有機負荷的處理原則，可將R3即菌渣+醬油渣20+15設置為厭氧發酵最適處理條件。

圖9 混合厭氧發酵過程中日產氣量變化

圖10 混合厭氧發酵過程中累積產氣量變化

2.5.3 混合厭氧發酵過程中底物間的協同作用

將實驗數據代入協同指數計算方程，根據表3可知，處理R1～R3基質產沼氣具有較好的協同效果。鏈霉素菌渣+醬油渣有機負荷在20+5，20+10，20+15 gVS時的協同指數分別為26.35%，33.95%，23.75%。3種混合比例的協同指數均大于20%，其中處理組R2的協同效果最好，協同指數達33.95%。說明鏈霉素菌渣與醬油渣混合厭氧發酵，含固率在20+5～20+15 gVS·L-1時對底物共消化有協同作用，可在此濃度范圍內進一步設計混合厭氧發酵試驗，優化混合發酵條件。

表3 鏈霉素菌渣混合發酵產沼氣底物協同指數計算表

3 結論

鏈霉素菌渣與醬油渣中溫(30℃)混合厭氧發酵，可以明顯縮短發酵啟動時間，提高各單一原料發酵效率。鏈霉素菌渣與醬油渣混合發酵有顯著的協同作用，當鏈霉素菌渣+醬油渣添加量為20+15 gVS·L-1時，原料的產氣率達285.07 mL·g-1VS，相比菌渣對照組提高30.52%，協同指數最高為33.95%。該試驗為鏈霉素菌渣的高效降解、多種固體廢棄物同時處理提供理論依據。