湯若昊， 劉 洋， 郁 亮， 賈士儒， 陳樹林， 李德茂

(1.天津科技大學(xué) 生物工程學(xué)院工業(yè)微生物教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300308； 2.中國科學(xué)院 天津工業(yè)生物技術(shù)研究所工業(yè)生物系統(tǒng)與生物加工工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(xué) 生物工程學(xué)院工業(yè)微生物教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300308； 2.中國科學(xué)院 天津工業(yè)生物技術(shù)研究所工業(yè)生物系統(tǒng)與生物加工工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jìn)行厭氧消化試驗(yàn)，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(chǎn)氣量和甲烷含量的影響。結(jié)果表明，在F/M=2時，系統(tǒng)的TS，VS去除率，COD去除總量，產(chǎn)氣總量和平均甲烷含率都為最高。其中，反應(yīng)pH值為7.4～7.9，TS和VS去除率分別達(dá)到46.67%和26.64%，COD去除總量達(dá)到4029 mg，產(chǎn)氣總量達(dá)到840 mL，甲烷含率為50.2%。此外，反應(yīng)過程中氨氮濃度穩(wěn)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(chǎn)生得到了控制。

丙氨酸菌渣； 厭氧消化； 食微比； 產(chǎn)甲烷能力

廢棄菌渣是利用發(fā)酵生產(chǎn)丙氨酸后的廢棄物，主要包含滅活后的菌體、殘余培養(yǎng)基及菌體產(chǎn)生的丙氨酸和其他代謝產(chǎn)物等。其含水量和有機(jī)質(zhì)成分都很高，極易對環(huán)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(yǎng)物質(zhì)，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(fā)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(jìn)行處理[2]，必須按照危險物質(zhì)處置方法處置[3-4]。早期一直采用焚燒的方式進(jìn)行處理，這種處理方法成本高，且沒有將廢棄菌渣中的有機(jī)質(zhì)成分利用起來，所用十分不合理[5]。在現(xiàn)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(chǎn)甲烷菌的抑制，另外廢棄菌渣的有機(jī)質(zhì)含量高，且易水解，這導(dǎo)致在厭氧消化過程中反應(yīng)體系有機(jī)負(fù)荷很高，這對系統(tǒng)內(nèi)的水解細(xì)菌和產(chǎn)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(jìn)行了單級厭氧消化的研究，得到系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的最高負(fù)荷為1.42 kgVS·m-3，平均產(chǎn)氣量為21.97 L·d-1，證明了厭氧消化技術(shù)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(yīng)系統(tǒng)對螺旋霉素發(fā)酵菌渣進(jìn)行處理，也得到了很好的處理效果和產(chǎn)氣效率。然而，這些研究及一些傳統(tǒng)處理過程中對污泥的接種方式都采用按反應(yīng)器體積比例來進(jìn)行接種，但由于廢棄菌渣高有機(jī)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(yīng)系統(tǒng)負(fù)荷過大，反應(yīng)周期變短，處理效率和產(chǎn)氣率低的情況發(fā)生?；蛘咭鹣^程中營養(yǎng)物質(zhì)的不足，嚴(yán)重影響消化反應(yīng)的效率[9]。食微比(F/M)是在發(fā)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(shù)量和種群穩(wěn)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(diào)整厭氧消化的食微比來優(yōu)化處理效果和產(chǎn)氣效果是十分值得研究的。

筆者根據(jù)不同的F/M對廢棄菌渣和接種污泥進(jìn)行配比，通過對整個厭氧消化過程中各項(xiàng)參數(shù)的追蹤，來找到最適宜進(jìn)行廢棄菌渣消化的F/M值，為下一步研究和利用到實(shí)際生產(chǎn)中做準(zhǔn)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(fā)酵丙氨酸后的廢棄菌渣和殘余發(fā)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(zhì)見表1。

表1 底物丙氨酸菌渣廢液的主要性質(zhì)

1.1.2 接種物

試驗(yàn)所用的接種物是取自天津碧海環(huán)技術(shù)咨詢有限公司的大型USR反應(yīng)器中的厭氧污泥，其主要性質(zhì)見表2。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)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(yīng)瓶放入水浴中，并保證水浴液面高于反應(yīng)瓶內(nèi)液面。水浴用加熱棒控溫在35℃±1℃。

表2 接種污泥的主要性質(zhì)

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)根據(jù)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(jù)不同的F/M值來添加不同量的底物，最后都用蒸餾水補(bǔ)齊至450 mL。以450 mL廢棄菌渣作為對照。反應(yīng)設(shè)置如表3所示。發(fā)酵過程持續(xù)10天，每12小時搖動一次反應(yīng)瓶，保證有機(jī)質(zhì)被充分利用。每天用注射器從消化瓶中取樣5 mL液體進(jìn)行參數(shù)測定，取樣前將瓶內(nèi)液體搖勻。

表3 各實(shí)驗(yàn)組組成 (mL)

1.4 參數(shù)測定及方法

pH值，總固體(TS)，可揮發(fā)性固體(VS)，化學(xué)需氧量(COD)等常規(guī)參數(shù)使用標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測定[11]。揮發(fā)性脂肪酸(VFA)利用高效液相色譜法進(jìn)行測定，色譜柱為HPX-87H，紫外檢測器，溫度30℃，反應(yīng)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(jìn)行測定，色譜柱使用PEG-20M毛線管柱，以氮?dú)鉃檩d氣，流速30 mL·min-1。柱箱，進(jìn)樣器和檢測器的溫度分別是180℃，180℃和200℃。

2 結(jié)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(guī)律如圖1所示。A組pH值在第一天達(dá)到了8.1，隨后恢復(fù)到8.0以下，其后一致穩(wěn)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(wěn)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(yīng)過程中A, B, C 3組的pH值變化相對穩(wěn)定并一致，說明反應(yīng)過程中有機(jī)酸的產(chǎn)生和氨氮的生成處于一個平衡的狀態(tài)，并未引起pH值的較大波動。而D, E兩組在整個反應(yīng)過程中pH值波動較大，在反應(yīng)結(jié)束后的pH值也偏低，這是因?yàn)檫@兩組的原料F/M都較高，消化過程中的水解反應(yīng)比其余三組相對活躍，但反應(yīng)過程中pH值較大的波動也說明消化過程中各個反應(yīng)之間并不平衡。然而，在整個發(fā)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(chǎn)甲烷菌最適宜的范圍當(dāng)中，有利于產(chǎn)甲烷活動的進(jìn)行[12]。這說明廢棄菌渣及其發(fā)酵液作為原料進(jìn)行厭氧消化的過程并不易發(fā)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(jìn)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(yīng)初期COD下降較快，原因是在發(fā)酵液和菌渣中殘留的糖類等有機(jī)質(zhì)被直接利用，這一步反應(yīng)不受水解反應(yīng)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(yīng)進(jìn)行緩慢對下一步的產(chǎn)酸產(chǎn)甲烷反應(yīng)有所限制，還有可能是反應(yīng)體系中的氨氮等有毒物質(zhì)的積累造成了COD消耗量的下降。在反應(yīng)結(jié)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(yīng)的有機(jī)負(fù)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(dá)到最高點(diǎn)。由此來說，C組的處理能力相對最強(qiáng)。

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(wěn)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(yàn)的消化反應(yīng)仍在繼續(xù)，所以這樣的現(xiàn)象有可能是消化反應(yīng)體系內(nèi)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(xù)上升的，最后分別達(dá)到了4.5 g·L-1和7.5 g·L-1。這樣的氨氮濃度會對反應(yīng)體系內(nèi)的產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生抑制，嚴(yán)重影響整個體系產(chǎn)生甲烷的效率[14-16]。造成這兩組氨氮濃度持續(xù)升高的原因有可能是D, E兩組內(nèi)有機(jī)質(zhì)含量充足，細(xì)菌的水解反應(yīng)較為活躍，產(chǎn)生大量氨氮，并抑制了下一步反應(yīng)的進(jìn)行，造成了氨氮的積累。所以可知，氨基酸廢棄菌渣及其發(fā)酵液如果大量進(jìn)行厭氧消化會積累過量的氨氮，造成消化反應(yīng)的停滯。但利用F/M=2的條件進(jìn)行接種，適當(dāng)稀釋底物濃度，對反應(yīng)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(yàn)的VFA變化趨勢均是在第2天達(dá)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(dá)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(yīng)結(jié)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(yīng)前期的VFA含量最高，說明其消化反應(yīng)內(nèi)的水解反應(yīng)進(jìn)行得最充分，所以其產(chǎn)氣量也最高。這也進(jìn)一步證明了C組的接種方式更有利于產(chǎn)氣。

圖6 厭氧消化中VFA變化曲線

2.6 F/M對產(chǎn)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(chǎn)氣量的變化過程。A, B, C這3組在第2天前到達(dá)產(chǎn)氣高峰，并且產(chǎn)氣活動一直持續(xù)到第10天。其中，隨著F/M的增大，產(chǎn)氣高峰也逐步增大，C組在第2天的產(chǎn)氣量最高，達(dá)到了245 mL。D, E兩組的產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)在5～6天時，其中D組的最高產(chǎn)氣量為239 mL，與C組相差不大。但D，E兩組的產(chǎn)氣持續(xù)性明顯較弱，在反應(yīng)進(jìn)行到第8天后基本停止產(chǎn)氣。這可能是由于D, E兩組的反應(yīng)體系中的負(fù)荷較大，氨氮含量持續(xù)升高，從而影響CH4，CO2等氣體的產(chǎn)生。整個反應(yīng)過程中，各組的產(chǎn)氣總量分別為441 mL，638 mL，840 mL，740 mL，747 mL。此外，各組產(chǎn)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(chǎn)量和甲烷產(chǎn)量上都具有優(yōu)勢，是最適合進(jìn)行產(chǎn)氣的消化條件。

圖7 厭氧消化中產(chǎn)氣量變化曲線

3 結(jié)論

在利用F/M作為接種依據(jù)進(jìn)行厭氧消化的實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)F/M=2是最佳的接種比例。依據(jù)這一濃度進(jìn)行接種，在整個消化過程中積累到了最高的產(chǎn)氣量840 mL，并且平均甲烷含量也達(dá)到了最高的50.2%。同時，其TS，VS去除率分別達(dá)到46.67%和26.64%，相比其他組別都具有優(yōu)勢。其COD去除率達(dá)到了20.24%，與F/M=0.5，F(xiàn)/M=1兩組相比較低，但其COD的去除總量達(dá)到了4029 mg，相比其他組具有明顯的優(yōu)勢。在氨氮的積累上，F(xiàn)/M=2組在反應(yīng)的中后期可以保持體系內(nèi)氨氮生成和利用的基本平衡，氨氮濃度穩(wěn)定在2.6±0.2 g·L-1，此濃度的氨氮不會對產(chǎn)甲烷菌的活性產(chǎn)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(yīng)來看，其反應(yīng)周期還相對較短，只能維持10天左右就完全停止產(chǎn)氣，其原因有可能是反應(yīng)體系某種營養(yǎng)物質(zhì)的不足所造成的，所以下一步計劃在厭氧消化過程進(jìn)行原料的流加，以維持更長的反應(yīng)周期，進(jìn)一步增加產(chǎn)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?yàn)閰捬跸普?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