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2021 , Vol. 9 >Issue 6: 489 - 495

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.2095-560X.2021.06.005

生物强化菌系添加量对不同食微比餐厨垃圾厌氧发酵性能影响

  • 胡致远 1, 2, 3 ,
  • 张新杰 1, 2, 3, 4 ,
  • 王宇 , 5, †† ,
  • 李颖 1, 2, 3 ,
  • 孙永明 1, 2, 3
展开
  • 1.中国科学院广州能源研究所,广州 510640
  • 2.中国科学院可再生能源重点实验室,广州 510640
  • 3.广东省新能源和可再生能源研究开发与应用重点实验室,广州 510640
  • 4.兰州理工大学 能源与动力工程学院,兰州 730050
  • 5.大庆市检验检测中心,黑龙江 大庆 163000
† 通信作者：王 宇,E-mail：

作者简介：胡致远（1997-）,女,硕士研究生,主要从事厌氧发酵和生物强化研究。王 宇（1984-）,男,高级工程师,主要从事食品检测相关技术的应用研究。

收稿日期: 2021-09-23

  修回日期: 2021-10-28

基金资助

国家自然科学基金面上项目（52170143）

收起

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

  • Zhi-yuan HU 1, 2, 3 ,
  • Xin-jie ZHANG 1, 2, 3, 4 ,
  • Yu WANG , ††, 5 ,
  • Ying LI 1, 2, 3 ,
  • Yong-ming SUN 1, 2, 3
Expand
  • 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

Received date: 2021-09-23

  Revised date: 2021-10-28

Copyright

版权所有 © 《新能源进展》编辑部
Fold

摘要

为考察生物强化菌系添加剂量对餐厨垃圾厌氧发酵性能影响,确定不同食微比（F/M）下最佳菌剂添加量,进行了批式厌氧发酵实验。以实验室已获得的丙酸产甲烷菌系为生物强化菌系,对不同F/M（0.5、1.0、2.0）进行生物强化,菌剂添加量设置为5%、10%、15%、25%、35%比,通过产气性能及中间代谢产物的对比,结合产甲烷动力学评价生物强化效果。结果表明：各剂量的生物强化均可促进餐厨垃圾产气,提高累积产甲烷率1 ~ 3倍;各F/M下,累积产甲烷率均随生物强化剂量增加而增大,35%的添加量产气效果最佳。就生物强化效率而言,3组F/M发酵中,F/M为1.0且菌系添加量为15%时,单位质量菌剂获得最大甲烷提升效率（1 706 mL/gVS菌剂）;中间代谢产物分析显示,生物强化可促进丙酸和乙酸的降解,避免酸抑制,从而提高产甲烷能力。修正Gompertz模型对产甲烷潜力动力学分析表明,生物强化可以缩短不同食微比下的发酵延滞期,加快反应进程。

关键词： 餐厨垃圾; 厌氧发酵; 生物强化; 丙酸产甲烷菌

本文引用格式

胡致远 , 张新杰 , 王宇 , 李颖 , 孙永明 . 生物强化菌系添加量对不同食微比餐厨垃圾厌氧发酵性能影响[J]. 新能源进展, 2021 , 9(6) : 489 -495 . DOI: 10.3969/j.issn.2095-560X.2021.06.005

Abstract

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.

Key words： food waste; anaerobic digestion; bioaugmentation; methanogenic propionic degrading microbial consortia

0 引言

联合国粮食及农业组织（Food and Agriculture Organization of the United Nations, FAO）调查显示,目前全球餐厨垃圾年均产量为13亿t,预计2025年餐厨垃圾年产量将增至22亿t[1,2],填埋、焚烧等传统餐厨垃圾处理方法易导致水土污染和毒害气体排放等问题[3]。厌氧发酵技术既可无害化处理餐厨垃圾并产生可再生能源（沼气）,又能减少传统化石能源的使用[4,5]。厌氧发酵是通过微生物的作用[6]将有机物（碳水化合物、脂质和蛋白质）转化为CH4和CO2[7],过程涉及水解、产酸、产乙酸和产甲烷四个阶段。受多种因素影响[8,9],当水解产酸与产甲烷阶段不平衡时,挥发性脂肪酸（volatile fatty acids,VFAs）累积,伴随pH下降,产甲烷菌系活性受到抑制,产气性能下降,甚至导致体系酸败。为了缓解酸抑制,目前采取的方式为通过调节pH[10]、添加微量元素[11,12]以及生物强化[13,14]。生物强化是人为地向系统中投加特定微生物,提高系统某种性能的方法[15]。调节pH及添加微量元素均可视为间接地通过改良微生物的生长环境而提高功能菌系生物量的方式。相比之下,投加相关功能菌的生物强化方式,作用效果更为直接,缩短了微生物对环境改变的响应及生长的时间,且更具有针对性。
针对酸抑制,本实验前期已驯化获得丙酸产甲烷菌系（含互营丙酸氧化菌、乙酸型产甲烷菌及氢型产甲烷菌[16]）,并证明向半连续厌氧发酵体系中投加丙酸产甲烷菌系,可促进VFAs的降解,缓解酸抑制,提高厌氧发酵性能[17];在有机负荷过载的体系中添加丙酸产甲烷菌系,能够促进酸败系统恢复产气[18]。
生物强化菌系添加量是影响强化效果及成本的重要因素[19],而先前的生物强化研究通常凭借经验进行尝试性添加,对不同发酵浓度下的生物强化剂量缺乏科学的投加依据。因此本研究以实验室已驯化的丙酸产甲烷菌系作为生物强化菌系,对不同食微比的餐厨垃圾批式发酵进行多种剂量的生物强化,通过对比评价生物强化效果,确定不同食微比厌氧发酵的最佳菌系投加剂量,为连续厌氧发酵中科学添加生物强化菌系提供理论基础和指导。

1 材料与方法

1.1 原料、接种物及生物强化菌系

餐厨垃圾取自中国科学院广州能源研究所食堂,为早、中、晚三餐剩余物。经人工分拣除去骨头、塑料及餐巾纸等杂物后,粉碎处理至浆状,密封后置于 -20℃冷冻保存备用。接种物为餐厨垃圾沼气工程的沼液（佛山瀚蓝绿电固废处理公司）,沼液接种前进行脱气处理。生物强化菌系为浓缩丙酸产甲烷菌系,取自中国科学院广州能源研究所长期稳定运行的厌氧发酵罐。生物强化菌系采用离心方法浓缩10倍后投加,转速为4 000 r/min,离心5 min。表1为各实验原料基本参数。
Table 1 Basic characteristics of raw materials

表1 原料基本理化性质

项目 pH TS / % VS / % C / % N / % H / % C/N
餐厨垃圾 - 22.03 21.16 53.04 2.66 7.83 19.94
接种物 7.69 1.70 0.80 - - - -
生物强化菌剂 7.88 1.43 0.37 - - - -

1.2 实验设计

实验设置三组F/M（0.5、1.0、2.0）,根据预实验强化菌系的添加效果和经济性考虑,在每组F/M下添加菌剂和餐厨垃圾挥发性固体（volatile solid, VS）比（VSBS/VSFW）设置为0、5%、10%、15%、25%、35%的生物强化菌剂,对照组只添加接种物,以消除接种物对整个发酵进程的影响。每个实验组设置两个平行。
批式发酵在全自动甲烷潜力测试系统（automatic methane potential test system, AMPTS）中进行,工作体积400 mL,温度37℃,搅拌频率为每隔10 min搅拌1 min,反应瓶出气口通过软管与自动流量测量装置连接,通过数据采集装置与计量装置实时记录反应器的产气情况。每天下载数据记录甲烷产量,定期采集样品测定pH、溶解性化学需氧量（soluble chemical oxygen demand, SCOD）和VFAs。

1.3 测试及分析方法

总固体（total solid, TS）和VS按照标准方法进行测定[20];pH采用梅特勒-托利多（FE28）便携式pH计测定,测试前用pH分别为4.01、7.00、9.21的标准缓冲溶液进行校准,生物强化菌剂的pH为7.69;碳、氢、氮元素质量分数通过Vario EL元素分析仪测定;VFAs含量用沃特世高效液相色谱仪（2695 HPLC）测定;气体成分及含量采用岛津（GC-2014）测量;数据通过Excel 2013处理,采用Origin 2018 制图。

1.4 动力学分析

基于修正Gompertz方程[式（1）],根据批式厌氧发酵实验数据,利用MATLAB R2019a软件对甲烷生产潜力、甲烷最大生产速率和滞后阶段时间进行分析预测[21]。
$H=P\cdot \exp \left\{ -\exp \left[ \frac{{{R}_{\text{m}}}\cdot \text{e}}{p}\left( \lambda -t \right)+1 \right] \right\}$ (1)
式中：H为t时刻单位VS甲烷的累积产量,mL/g;P为最终单位VS甲烷产率,mL/g;Rm为单位最大VS甲烷产率,mL/g;e为自然对数常数,其值为2.713;λ为延滞期,d;t为实验持续的时间,d。

2 结果与讨论

2.1 生物强化菌系剂量对餐厨垃圾批式厌氧发酵产甲烷的影响

不同F/M的餐厨垃圾批式厌氧发酵中,不同菌系添加量下累积产甲烷率（accumulative methane yield, AMY）和日产甲烷率（daily methane yield, DMY）如图1所示,接种物中富含产甲烷微生物,可以促进发酵底物产甲烷。可以看出,累计甲烷产率随着食微比升高而降低,表明食微比越高,原料产甲烷越不易充分进行。而三组食微比下的生物强化均能提升甲烷产率,且菌系添加量越大累积甲烷产率越高,在F/M为0.5、1.0和2.0的发酵中,35%的生物强化剂量均获得最大的AMY,分别提升了1.46倍、2.97倍和2.41倍。在不同食微比下,DMY在反应启动初期即达到峰值,在第10天后降低至10 mL/g以下,产气趋于平稳,对照组DMY持续低于生物强化组。与AMY类似,在相同食微比下,DMY与菌系添加量呈正相关。
Fig. 1 Cumulative methane production rate and daily methane production rate at different bioaugmentation doses: (a) F/M = 0.5; (b) F/M = 1.0; (c) F/M = 2.0

图1 不同生物强化剂量对累积甲烷产率和日产甲烷率的影响：（a）F/M = 0.5;（b）F/M = 1.0;（c）F/M = 2.0

表2详细对比了不同食微比下不同丙酸产甲烷菌系添加量的生物强化效果,可以看出各剂量的生物强化均可促进餐厨垃圾产气,提高累积甲烷率1 ~ 3倍。累积产甲烷率及增强倍数与菌系添加量正相关,但生物强化效率并未随菌系添加量的增加而增大。当F/M为0.5和1.0时,生物强化效率随菌系添加量增加先升高后降低,最大生物强化效率均在15%的剂量下获得。说明生物强化效率不随丙酸产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长。当F/M为2.0时,生物强化效率随菌系添加量增加而略有降低,最大生物强化效率在5%的剂量下获得。表明该菌系的生物强化性能有限,可能由于VFAs浓度超出该菌系降解VFAs范围,导致提升不明显。在三个食微比下的生物强化中,F/M为0.5、添加35%的菌剂,餐厨垃圾累积产甲烷率最高（600 mL/gVS）;F/M为1.0、添加35%的菌剂,累积产甲烷增强倍数最大（2.97倍）;F/M为1.0、添加15%菌剂,生物强化效率最佳（1 706 mL/gVSBS）。若考虑经济成本,在F/M为1.0时,能以最少的菌系添加量（15%）获得最大的产甲烷效率。
Table 2 Bioaugmentation effect of different methanogenic propionic degrading microbial consortia dosage at different F/M

表2 不同食微比下不同丙酸产甲烷菌添加量的生物强化效果

F/M 菌剂添加量 / (gVSBS/gVSFW) 累积甲烷产率 / (mL/gVS) 增强倍数 生物强化效率 / (mL/gVSBS)
0.5 0.00 411 - -
0.05 413 1.00 40
0.10 470 1.16 590
0.15 501 1.22 600
0.25 550 1.33 556
0.35 600 1.46 534
1.0 0.00 177 - -
0.05 220 1.24 860
0.10 255 1.44 780
0.15 433 2.44 1 706
0.25 483 2.73 1 224
0.35 526 2.97 997
2.0 0.00 137 - -
0.05 187 1.36 1 000
0.10 201 1.46 640
0.15 212 1.54 500
0.25 257 1.88 480
0.35 330 2.41 551

注：生物强化效率 =（生物强化组累积甲烷产率 - 对照组累积甲烷产率）/对照组累积甲烷产率。

2.2 餐厨垃圾发酵液性能的变化

体系pH对厌氧微生物的活性影响显著,是厌氧工艺最重要的控制参数之一,产甲烷菌系的最适生长pH范围是6.5 ~ 7.2[22]。图2为餐厨垃圾批式厌氧系统在不同食微比下进行生物强化的pH变化情况。各组pH呈现出相似的变化规律,在反应前5 d内降低至最低值,F/M越高,pH的最低值越小,生物强化的各实验组pH始终高于对照组。随着发酵的进行,各组pH逐渐回升到8.0左右直至实验结束。
Fig. 2 Variation of pH during anaerobic digestion: (a) F/M = 0.5; (b) F/M = 1.0; (c) F/M = 2

图2 厌氧发酵过程中pH的变化：（a）F/M = 0.5;（b）F/M = 1.0;（c）F/M = 2.0

餐厨垃圾厌氧发酵过程中VFAs的变化情况如图3所示,前期由于可溶性有机物等被快速水解酸化,产生的有机酸不能被及时消耗,产甲烷反应速率低于产酸反应,VFAs逐渐积累,从而导致体系pH迅速降低,产甲烷率下降。随着VFAs降解被产甲烷菌系利用,有机酸加速降解,pH升高,产甲烷率也开始升高。各组在反应进行10 d内均能将体系中累积的VFAs全部降解,且F/M越大,发酵体系中VFAs浓度越高[23],这也是导致食微比越大累积产气越低的原因。添加丙酸产甲烷菌系的各组VFAs含量一直低于未经生物强化组,添加菌剂量越高,VFAs浓度越低,因而体系产甲烷效果性能较优。
Fig. 3 Variation of VFAs during anaerobic digestion: (a) VSBS/VSFW = 0; (b) VSBS/VSFW = 5%; (c) VSBS/VSFW = 10%; (d) VSBS/VSFW = 15%; (e) VSBS/VSFW = 25%; (f) VSBS/VSFW = 35%

图3 厌氧发酵过程中不同F/M下VFAs的变化情况：（a）VSBS/VSFW = 0;（b）VSBS/VSFW = 5%;（c）VSBS/VSFW = 10%;（d）VSBS/VSFW = 15%;（e）VSBS/VSFW = 25%;（f）VSBS/VSFW = 35%

在不同食微比下,添加丙酸产甲烷菌系能加快降解VFAs的速率,菌系添加量高于15%的各组基本在反应第5 d降解率达到60%以上。其中,在F/M为1.0、菌剂添加量为15%时,总VFAs在反应第5 d降解率达到93%。其降解率与同食微比下菌系添加量更高的实验组相同,且高于其他食微比下的菌剂添加量相同的实验组。这表明在F/M为1.0时,丙酸产甲烷菌系能很好地发挥作用,添加量为15%时降解总VFAs能力已达到最优水平。
在整个发酵体系中,VFAs主要为乙酸和丙酸,在F/M为2.0时检测到少量丁酸。丙酸由于其难降解的特性,浓度高于0.84 g/L则抑制产甲烷菌系活性,且丙酸降解所需能量极高,难以自发进行降解[24]。在F/M为2.0时明显观察到,未进行生物强化时,丙酸前期浓度一直保持较高水平,直到第10 d才全部降解为乙酸,此时加入丙酸产甲烷菌系的各反应组均已无酸积累,这表明添加的丙酸产甲烷菌剂量越大,促进丙酸转化能力越强,从而提高甲烷产率。

2.3 厌氧发酵过程中甲烷生成的动力学分析

厌氧发酵过程动力学特性与微生物种群及代谢途径相关,修正Gompertz模型广泛应用于甲烷发酵的动力学参数的分析和求解过程中。不同反应条件下产甲烷生成动力学分析如表3所示。
Table 3 Parameters of the modified-Gompertz model for different reaction conditions

表3 不同反应条件下修正Gompertz模型的参数

菌剂添加量 / % Rm λ P R2
F/M=0.5 F/M=1.0 F/M=2.0 F/M=0.5 F/M=1.0 F/M=2.0 F/M=0.5 F/M=1.0 F/M=2.0 F/M=0.5 F/M=1.0 F/M=2.0
0 120 39 26 0.18 0.25 0.34 399 174 138 0.9969 0.9930 0.9955
5 135 46 28 0.21 0.09 0.38 416 220 170 0.9928 0.9967 0.9913
10 139 53 29 0.14 0.07 0.33 470 289 192 0.9974 0.9901 0.9882
15 137 63 29 0.12 0.06 0.29 493 436 207 0.9957 0.9963 0.9938
25 133 72 42 0.10 0.04 0.11 537 480 253 0.9924 0.9941 0.9945
35 137 81 54 0.03 0.02 0.03 572 520 327 0.9847 0.9912 0.9964
修正Gompertz方程能很好地模拟不同接种比下丙酸产甲烷菌系对餐厨垃圾厌氧发酵实验的影响,R2为实验与理论拟合系数,均在0.98以上,说明拟合程度高。延滞期λ能指示产甲烷活性,反映厌氧发酵过程中微生物对特定底物的吸收和环境条件[25],在整个实验过程中延滞期普遍较短,这可能是由于餐厨垃圾中含有大量的碳水化合物,极易降解,从而促进了反应的快速进行。随着食微比的升高,餐厨垃圾厌氧发酵的延滞期也随之变长,反应时间稍有滞后,但菌剂添加量的增大,延滞期随之缩短,在添加菌剂量为VSBS/VSFW = 35%时,延滞期都趋于0,说明生物强化可有效缩短反应延滞期,加速反应启动。在F/M为1.0时,添加丙酸产甲烷菌系后各实验组的延滞期均比另两组食微比短,说明食微比为1.0时,丙酸产甲烷菌系能较好发挥作用。Rm表示单位生物产甲烷速率,它并不与食微比的变化有一定的相关性,但也可以从表中看出食微比越高,Rm值越小,进行生物强化可以在一定程度上提高产甲烷速率,且这个效果随着菌剂添加量的增加有明显上升趋势。与之相反的是最终甲烷产率P,食微比越大,餐厨垃圾厌氧发酵的最终产甲烷率越低,而生物强化组均能不同程度促进累积甲烷产率。

3 结论

（1）在各食微比的餐厨垃圾批式发酵中,添加不同剂量丙酸产甲烷菌剂能有效地提高甲烷产率,F/M为1.0、菌剂添加量为15%（VS菌剂/VS餐厨）时,单位菌剂提升甲烷产率最大,达1 706 mL/gVS菌剂;相同食微比下,菌剂添加量为35%（VS菌剂/VS餐厨）时产气性能促进效果最佳,提升产气2.97倍。
（2）厌氧发酵体系的VFAs随着食微比提高而增加,VFAs浓度越高,体系厌氧发酵产气率越低。在不同食微比下,添加丙酸产甲烷菌系可加快丙酸及乙酸的转化速率,避免酸累积,提高甲烷产率。
（3）修正Gompertz方程能很好地模拟不同接种比下丙酸产甲烷菌系对餐厨垃圾厌氧发酵实验的影响,R2均在0.98以上。随着食微比的提高,延滞期增长,最大甲烷产率随之降低,添加不同剂量的丙酸产甲烷菌能有效缩短延滞期,提高甲烷产率。

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