胡致遠(yuǎn)，張新杰,4，王 宇，李 穎，孫永明

生物強(qiáng)化菌系添加量對不同食微比餐廚垃圾厭氧發(fā)酵性能影響*

胡致遠(yuǎn)1,2,3，張新杰1,2,3,4，王 宇5?，李 穎1,2,3，孫永明1,2,3

（1. 中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；2. 中國科學(xué)院可再生能源重點實驗室，廣州 510640； 3. 廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應(yīng)用重點實驗室，廣州 510640；4. 蘭州理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，蘭州 730050；5. 大慶市檢驗檢測中心，黑龍江大慶 163000）

為考察生物強(qiáng)化菌系添加劑量對餐廚垃圾厭氧發(fā)酵性能影響，確定不同食微比（F/M）下最佳菌劑添加量，進(jìn)行了批式厭氧發(fā)酵實驗。以實驗室已獲得的丙酸產(chǎn)甲烷菌系為生物強(qiáng)化菌系，對不同F(xiàn)/M（0.5、1.0、2.0）進(jìn)行生物強(qiáng)化，菌劑添加量設(shè)置為5%、10%、15%、25%、35%比，通過產(chǎn)氣性能及中間代謝產(chǎn)物的對比，結(jié)合產(chǎn)甲烷動力學(xué)評價生物強(qiáng)化效果。結(jié)果表明：各劑量的生物強(qiáng)化均可促進(jìn)餐廚垃圾產(chǎn)氣，提高累積產(chǎn)甲烷率1 ～ 3倍；各F/M下，累積產(chǎn)甲烷率均隨生物強(qiáng)化劑量增加而增大，35%的添加量產(chǎn)氣效果最佳。就生物強(qiáng)化效率而言，3組F/M發(fā)酵中，F(xiàn)/M為1.0且菌系添加量為15%時，單位質(zhì)量菌劑獲得最大甲烷提升效率（1 706 mL/gVS菌劑）；中間代謝產(chǎn)物分析顯示，生物強(qiáng)化可促進(jìn)丙酸和乙酸的降解，避免酸抑制，從而提高產(chǎn)甲烷能力。修正Gompertz模型對產(chǎn)甲烷潛力動力學(xué)分析表明，生物強(qiáng)化可以縮短不同食微比下的發(fā)酵延滯期，加快反應(yīng)進(jìn)程。

餐廚垃圾；厭氧發(fā)酵；生物強(qiáng)化；丙酸產(chǎn)甲烷菌

0 引 言

聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織（Food and Agriculture Organization of the United Nations, FAO）調(diào)查顯示，目前全球餐廚垃圾年均產(chǎn)量為13億t，預(yù)計2025年餐廚垃圾年產(chǎn)量將增至22億t[1-2]，填埋、焚燒等傳統(tǒng)餐廚垃圾處理方法易導(dǎo)致水土污染和毒害氣體排放等問題[3]。厭氧發(fā)酵技術(shù)既可無害化處理餐廚垃圾并產(chǎn)生可再生能源（沼氣），又能減少傳統(tǒng)化石能源的使用[4-5]。厭氧發(fā)酵是通過微生物的作用[6]將有機(jī)物（碳水化合物、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)）轉(zhuǎn)化為CH4和CO2[7]，過程涉及水解、產(chǎn)酸、產(chǎn)乙酸和產(chǎn)甲烷四個階段。受多種因素影響[8-9]，當(dāng)水解產(chǎn)酸與產(chǎn)甲烷階段不平衡時，揮發(fā)性脂肪酸（volatile fatty acids，VFAs）累積，伴隨pH下降，產(chǎn)甲烷菌系活性受到抑制，產(chǎn)氣性能下降，甚至導(dǎo)致體系酸敗。為了緩解酸抑制，目前采取的方式為通過調(diào)節(jié)pH[10]、添加微量元素[11-12]以及生物強(qiáng)化[13-14]。生物強(qiáng)化是人為地向系統(tǒng)中投加特定微生物，提高系統(tǒng)某種性能的方法[15]。調(diào)節(jié)pH及添加微量元素均可視為間接地通過改良微生物的生長環(huán)境而提高功能菌系生物量的方式。相比之下，投加相關(guān)功能菌的生物強(qiáng)化方式，作用效果更為直接，縮短了微生物對環(huán)境改變的響應(yīng)及生長的時間，且更具有針對性。

針對酸抑制，本實驗前期已馴化獲得丙酸產(chǎn)甲烷菌系（含互營丙酸氧化菌、乙酸型產(chǎn)甲烷菌及氫型產(chǎn)甲烷菌[16]），并證明向半連續(xù)厭氧發(fā)酵體系中投加丙酸產(chǎn)甲烷菌系，可促進(jìn)VFAs的降解，緩解酸抑制，提高厭氧發(fā)酵性能[17]；在有機(jī)負(fù)荷過載的體系中添加丙酸產(chǎn)甲烷菌系，能夠促進(jìn)酸敗系統(tǒng)恢復(fù)產(chǎn)氣[18]。

生物強(qiáng)化菌系添加量是影響強(qiáng)化效果及成本的重要因素[19]，而先前的生物強(qiáng)化研究通常憑借經(jīng)驗進(jìn)行嘗試性添加，對不同發(fā)酵濃度下的生物強(qiáng)化劑量缺乏科學(xué)的投加依據(jù)。因此本研究以實驗室已馴化的丙酸產(chǎn)甲烷菌系作為生物強(qiáng)化菌系，對不同食微比的餐廚垃圾批式發(fā)酵進(jìn)行多種劑量的生物強(qiáng)化，通過對比評價生物強(qiáng)化效果，確定不同食微比厭氧發(fā)酵的最佳菌系投加劑量，為連續(xù)厭氧發(fā)酵中科學(xué)添加生物強(qiáng)化菌系提供理論基礎(chǔ)和指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 原料、接種物及生物強(qiáng)化菌系

餐廚垃圾取自中國科學(xué)院廣州能源研究所食堂，為早、中、晚三餐剩余物。經(jīng)人工分揀除去骨頭、塑料及餐巾紙等雜物后，粉碎處理至漿狀，密封后置于?20℃冷凍保存?zhèn)溆?。接種物為餐廚垃圾沼氣工程的沼液（佛山瀚藍(lán)綠電固廢處理公司），沼液接種前進(jìn)行脫氣處理。生物強(qiáng)化菌系為濃縮丙酸產(chǎn)甲烷菌系，取自中國科學(xué)院廣州能源研究所長期穩(wěn)定運行的厭氧發(fā)酵罐。生物強(qiáng)化菌系采用離心方法濃縮10倍后投加，轉(zhuǎn)速為4 000 r/min，離心5 min。表1為各實驗原料基本參數(shù)。

表1 原料基本理化性質(zhì)

1.2 實驗設(shè)計

實驗設(shè)置三組F/M（0.5、1.0、2.0），根據(jù)預(yù)實驗強(qiáng)化菌系的添加效果和經(jīng)濟(jì)性考慮，在每組F/M下添加菌劑和餐廚垃圾揮發(fā)性固體（volatile solid, VS）比（VSBS/VSFW）設(shè)置為0、5%、10%、15%、25%、35%的生物強(qiáng)化菌劑，對照組只添加接種物，以消除接種物對整個發(fā)酵進(jìn)程的影響。每個實驗組設(shè)置兩個平行。

批式發(fā)酵在全自動甲烷潛力測試系統(tǒng)（automatic methane potential test system, AMPTS）中進(jìn)行，工作體積400 mL，溫度37℃，攪拌頻率為每隔10 min攪拌1 min，反應(yīng)瓶出氣口通過軟管與自動流量測量裝置連接，通過數(shù)據(jù)采集裝置與計量裝置實時記錄反應(yīng)器的產(chǎn)氣情況。每天下載數(shù)據(jù)記錄甲烷產(chǎn)量，定期采集樣品測定pH、溶解性化學(xué)需氧量（soluble chemical oxygen demand, SCOD）和VFAs。

1.3 測試及分析方法

總固體（total solid, TS）和VS按照標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測定[20]；pH采用梅特勒?托利多（FE28）便攜式pH計測定，測試前用pH分別為4.01、7.00、9.21的標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液進(jìn)行校準(zhǔn)，生物強(qiáng)化菌劑的pH為7.69；碳、氫、氮元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)通過Vario EL元素分析儀測定；VFAs含量用沃特世高效液相色譜儀（2695 HPLC）測定；氣體成分及含量采用島津（GC-2014）測量；數(shù)據(jù)通過Excel 2013處理，采用Origin 2018 制圖。

1.4 動力學(xué)分析

基于修正Gompertz方程［式（1）］，根據(jù)批式厭氧發(fā)酵實驗數(shù)據(jù)，利用MATLAB R2019a軟件對甲烷生產(chǎn)潛力、甲烷最大生產(chǎn)速率和滯后階段時間進(jìn)行分析預(yù)測[21]。

式中：為時刻單位VS甲烷的累積產(chǎn)量，mL/g；為最終單位VS甲烷產(chǎn)率，mL/g；m為單位最大VS甲烷產(chǎn)率，mL/g；e為自然對數(shù)常數(shù)，其值為2.713；為延滯期，d；為實驗持續(xù)的時間，d。

2 結(jié)果與討論

2.1 生物強(qiáng)化菌系劑量對餐廚垃圾批式厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷的影響

不同F(xiàn)/M的餐廚垃圾批式厭氧發(fā)酵中，不同菌系添加量下累積產(chǎn)甲烷率（accumulative methane yield, AMY）和日產(chǎn)甲烷率（daily methane yield, DMY）如圖1所示，接種物中富含產(chǎn)甲烷微生物，可以促進(jìn)發(fā)酵底物產(chǎn)甲烷?？梢钥闯觯塾嫾淄楫a(chǎn)率隨著食微比升高而降低，表明食微比越高，原料產(chǎn)甲烷越不易充分進(jìn)行。而三組食微比下的生物強(qiáng)化均能提升甲烷產(chǎn)率，且菌系添加量越大累積甲烷產(chǎn)率越高，在F/M為0.5、1.0和2.0的發(fā)酵中，35%的生物強(qiáng)化劑量均獲得最大的AMY，分別提升了1.46倍、2.97倍和2.41倍。在不同食微比下，DMY在反應(yīng)啟動初期即達(dá)到峰值，在第10天后降低至10 mL/g以下，產(chǎn)氣趨于平穩(wěn)，對照組DMY持續(xù)低于生物強(qiáng)化組。與AMY類似，在相同食微比下，DMY與菌系添加量呈正相關(guān)。

圖1 不同生物強(qiáng)化劑量對累積甲烷產(chǎn)率和日產(chǎn)甲烷率的影響：（a）F/M = 0.5；（b）F/M = 1.0；（c）F/M = 2.0

表2詳細(xì)對比了不同食微比下不同丙酸產(chǎn)甲烷菌系添加量的生物強(qiáng)化效果，可以看出各劑量的生物強(qiáng)化均可促進(jìn)餐廚垃圾產(chǎn)氣，提高累積甲烷率1 ～ 3倍。累積產(chǎn)甲烷率及增強(qiáng)倍數(shù)與菌系添加量正相關(guān)，但生物強(qiáng)化效率并未隨菌系添加量的增加而增大。當(dāng)F/M為0.5和1.0時，生物強(qiáng)化效率隨菌系添加量增加先升高后降低，最大生物強(qiáng)化效率均在15%的劑量下獲得。說明生物強(qiáng)化效率不隨丙酸產(chǎn)甲烷菌系添加量增加而增大，可能是由于部分底物用于菌系生長。當(dāng)F/M為2.0時，生物強(qiáng)化效率隨菌系添加量增加而略有降低，最大生物強(qiáng)化效率在5%的劑量下獲得。表明該菌系的生物強(qiáng)化性能有限，可能由于VFAs濃度超出該菌系降解VFAs范圍，導(dǎo)致提升不明顯。在三個食微比下的生物強(qiáng)化中，F(xiàn)/M為0.5、添加35%的菌劑，餐廚垃圾累積產(chǎn)甲烷率最高（600 mL/gVS）；F/M為1.0、添加35%的菌劑，累積產(chǎn)甲烷增強(qiáng)倍數(shù)最大（2.97倍）；F/M為1.0、添加15%菌劑，生物強(qiáng)化效率最佳（1 706 mL/gVSBS）。若考慮經(jīng)濟(jì)成本，在F/M為1.0時，能以最少的菌系添加量（15%）獲得最大的產(chǎn)甲烷效率。

表2 不同食微比下不同丙酸產(chǎn)甲烷菌添加量的生物強(qiáng)化效果

注：生物強(qiáng)化效率=（生物強(qiáng)化組累積甲烷產(chǎn)率?對照組累積甲烷產(chǎn)率）/對照組累積甲烷產(chǎn)率。

2.2 餐廚垃圾發(fā)酵液性能的變化

體系pH對厭氧微生物的活性影響顯著，是厭氧工藝最重要的控制參數(shù)之一，產(chǎn)甲烷菌系的最適生長pH范圍是6.5 ～ 7.2[22]。圖2為餐廚垃圾批式厭氧系統(tǒng)在不同食微比下進(jìn)行生物強(qiáng)化的pH變化情況。各組pH呈現(xiàn)出相似的變化規(guī)律，在反應(yīng)前5 d內(nèi)降低至最低值，F(xiàn)/M越高，pH的最低值越小，生物強(qiáng)化的各實驗組pH始終高于對照組。隨著發(fā)酵的進(jìn)行，各組pH逐漸回升到8.0左右直至實驗結(jié)束。

圖2 厭氧發(fā)酵過程中pH的變化：（a）F/M = 0.5；（b）F/M = 1.0；（c）F/M = 2.0

餐廚垃圾厭氧發(fā)酵過程中VFAs的變化情況如圖3所示，前期由于可溶性有機(jī)物等被快速水解酸化，產(chǎn)生的有機(jī)酸不能被及時消耗，產(chǎn)甲烷反應(yīng)速率低于產(chǎn)酸反應(yīng)，VFAs逐漸積累，從而導(dǎo)致體系pH迅速降低，產(chǎn)甲烷率下降。隨著VFAs降解被產(chǎn)甲烷菌系利用，有機(jī)酸加速降解，pH升高，產(chǎn)甲烷率也開始升高。各組在反應(yīng)進(jìn)行10 d內(nèi)均能將體系中累積的VFAs全部降解，且F/M越大，發(fā)酵體系中VFAs濃度越高[23]，這也是導(dǎo)致食微比越大累積產(chǎn)氣越低的原因。添加丙酸產(chǎn)甲烷菌系的各組VFAs含量一直低于未經(jīng)生物強(qiáng)化組，添加菌劑量越高，VFAs濃度越低，因而體系產(chǎn)甲烷效果性能較優(yōu)。

在不同食微比下，添加丙酸產(chǎn)甲烷菌系能加快降解VFAs的速率，菌系添加量高于15%的各組基本在反應(yīng)第5 d降解率達(dá)到60%以上。其中，在F/M為1.0、菌劑添加量為15%時，總VFAs在反應(yīng)第5 d降解率達(dá)到93%。其降解率與同食微比下菌系添加量更高的實驗組相同，且高于其他食微比下的菌劑添加量相同的實驗組。這表明在F/M為1.0時，丙酸產(chǎn)甲烷菌系能很好地發(fā)揮作用，添加量為15%時降解總VFAs能力已達(dá)到最優(yōu)水平。

在整個發(fā)酵體系中，VFAs主要為乙酸和丙酸，在F/M為2.0時檢測到少量丁酸。丙酸由于其難降解的特性，濃度高于0.84 g/L則抑制產(chǎn)甲烷菌系活性，且丙酸降解所需能量極高，難以自發(fā)進(jìn)行降解[24]。在F/M為2.0時明顯觀察到，未進(jìn)行生物強(qiáng)化時，丙酸前期濃度一直保持較高水平，直到第10 d才全部降解為乙酸，此時加入丙酸產(chǎn)甲烷菌系的各反應(yīng)組均已無酸積累，這表明添加的丙酸產(chǎn)甲烷菌劑量越大，促進(jìn)丙酸轉(zhuǎn)化能力越強(qiáng)，從而提高甲烷產(chǎn)率。

圖3 厭氧發(fā)酵過程中不同F(xiàn)/M下VFAs的變化情況：（a）VSBS/VSFW = 0；（b）VSBS/VSFW = 5%；（c）VSBS/VSFW = 10%；（d）VSBS/VSFW = 15%；（e）VSBS/VSFW = 25%；（f）VSBS/VSFW = 35%

2.3 厭氧發(fā)酵過程中甲烷生成的動力學(xué)分析

厭氧發(fā)酵過程動力學(xué)特性與微生物種群及代謝途徑相關(guān)，修正Gompertz模型廣泛應(yīng)用于甲烷發(fā)酵的動力學(xué)參數(shù)的分析和求解過程中。不同反應(yīng)條件下產(chǎn)甲烷生成動力學(xué)分析如表3所示。

修正Gompertz方程能很好地模擬不同接種比下丙酸產(chǎn)甲烷菌系對餐廚垃圾厭氧發(fā)酵實驗的影響，2為實驗與理論擬合系數(shù)，均在0.98以上，說明擬合程度高。延滯期能指示產(chǎn)甲烷活性，反映厭氧發(fā)酵過程中微生物對特定底物的吸收和環(huán)境條件[25]，在整個實驗過程中延滯期普遍較短，這可能是由于餐廚垃圾中含有大量的碳水化合物，極易降解，從而促進(jìn)了反應(yīng)的快速進(jìn)行。隨著食微比的升高，餐廚垃圾厭氧發(fā)酵的延滯期也隨之變長，反應(yīng)時間稍有滯后，但菌劑添加量的增大，延滯期隨之縮短，在添加菌劑量為VSBS/VSFW= 35%時，延滯期都趨于0，說明生物強(qiáng)化可有效縮短反應(yīng)延滯期，加速反應(yīng)啟動。在F/M為1.0時，添加丙酸產(chǎn)甲烷菌系后各實驗組的延滯期均比另兩組食微比短，說明食微比為1.0時，丙酸產(chǎn)甲烷菌系能較好發(fā)揮作用。m表示單位生物產(chǎn)甲烷速率，它并不與食微比的變化有一定的相關(guān)性，但也可以從表中看出食微比越高，m值越小，進(jìn)行生物強(qiáng)化可以在一定程度上提高產(chǎn)甲烷速率，且這個效果隨著菌劑添加量的增加有明顯上升趨勢。與之相反的是最終甲烷產(chǎn)率，食微比越大，餐廚垃圾厭氧發(fā)酵的最終產(chǎn)甲烷率越低，而生物強(qiáng)化組均能不同程度促進(jìn)累積甲烷產(chǎn)率。

表3 不同反應(yīng)條件下修正Gompertz模型的參數(shù)

3 結(jié) 論

（1）在各食微比的餐廚垃圾批式發(fā)酵中，添加不同劑量丙酸產(chǎn)甲烷菌劑能有效地提高甲烷產(chǎn)率，F(xiàn)/M為1.0、菌劑添加量為15%（VS菌劑/VS餐廚）時，單位菌劑提升甲烷產(chǎn)率最大，達(dá)1 706 mL/gVS菌劑；相同食微比下，菌劑添加量為35%（VS菌劑/VS餐廚）時產(chǎn)氣性能促進(jìn)效果最佳，提升產(chǎn)氣2.97倍。

（2）厭氧發(fā)酵體系的VFAs隨著食微比提高而增加，VFAs濃度越高，體系厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣率越低。在不同食微比下，添加丙酸產(chǎn)甲烷菌系可加快丙酸及乙酸的轉(zhuǎn)化速率，避免酸累積，提高甲烷產(chǎn)率。

（3）修正Gompertz方程能很好地模擬不同接種比下丙酸產(chǎn)甲烷菌系對餐廚垃圾厭氧發(fā)酵實驗的影響，2均在0.98以上。隨著食微比的提高，延滯期增長，最大甲烷產(chǎn)率隨之降低，添加不同劑量的丙酸產(chǎn)甲烷菌能有效縮短延滯期，提高甲烷產(chǎn)率。

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Effect of Bioaugmentation on Anaerobic Digestion of Food Waste at Different Food to Micro Ratios

HU Zhi-yuan1,2,3, ZHANG Xin-jie1,2,3,4, WANG Yu5, LI Ying1,2,3, SUN Yong-ming1,2,3

(1. Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China; 2. CAS Key Laboratory of Renewable Energy, Guangzhou 510640, China;3. Guangdong Provincial Key Laboratory of New and Renewable Energy Research and Development, Guangzhou 510640, China;4. College of Energy and Power Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China; 5. Daqing City Inspection and Testing Center, Daqing 163000, Heilongjiang, China)

This study aimed to investigate effect of bioaugmentation on anaerobic digestion of food waste and achieve optimum dosage of bioaugmentation inoculum under various of ratios of VS from the inoculum and VS of the substrate (ISR). Thus, methanogenic propionate-utilizing consortia, as the bioaugmentation inoculum, were introduced into batch anaerobic digestion reactors with different ISR (i.e., 0.5, 1.0, and 2.0), and the dosages of inoculum was set at 0%, 5%, 10%, 15%, 25%, and 35% (on the basis of VS), respectively. This study showed that bioaugmentation across all groups had varying degrees of positive effect on methane production rate, ranging from 1 to 3 times higher. Inoculum dosage showed the positive correlation with cumulative methane production rate, and groups with the dosage of 35% showed the best performance, which was applied to all groups with different ISR. Besides, amongst all groups, the group with inoculum dosage of 15% and ISR of 1 achieved the highest bioaugmentation efficiency of 1706 mL/g VS(bioaugmentation inoculum). As evidenced by intermediate metabolites analysis, the addition of bioaugmentation inoculum significantly alleviated acid inhibition through accelerating biodegradation process of derived propionic acid and acetic acid and then recovered methane yields from acid inhibition. Focusing on kinetics of methane production by modified Gompertz model, the results indicated that the addition of bioaugmentation inoculum could shorten the lag phase and accelerate anaerobic digestion process across groups with different ISR.

food waste; anaerobic digestion; bioaugmentation; methanogenic propionic degrading microbial consortia

TK6

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2021.06.005

2095-560X（2021）06-0489-07

收稿日期：2021-09-23

2021-10-28

國家自然科學(xué)基金面上項目（52170143）

通信作者：王宇，E-mail：hi.wangyu@163.com

胡致遠(yuǎn)（1997-），女，碩士研究生，主要從事厭氧發(fā)酵和生物強(qiáng)化研究。

王 宇（1984-），男，高級工程師，主要從事食品檢測相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用研究。