鏈霉素菌渣與醬油渣混合厭氧發(fā)酵協(xié)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(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的抗生素菌渣，我國抗生素年產(chǎn)量已多達24.8萬t[1]，位居世界第一。抗生素產(chǎn)出的抗生素菌渣比率為1∶(8～10)。抗生素菌渣含水量大、雜質(zhì)含量高，常溫堆積極易腐敗變質(zhì)，進一步滲透土壤污染地下水，引發(fā)諸多環(huán)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(huán)境友好、高效低能耗、可持續(xù)和經(jīng)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(fā)酵處理慶大霉素菌，發(fā)現(xiàn)與林可霉素菌渣聯(lián)合發(fā)酵的效果優(yōu)于單一菌渣發(fā)酵的效果，原料之間表現(xiàn)出明顯的協(xié)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(fā)現(xiàn)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(fā)酵的可生化性和產(chǎn)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(chǎn)過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品，2016年我國醬油產(chǎn)量多大1000萬噸[9-10]，且市場需求逐年增長，據(jù)報道醬油與醬油渣的產(chǎn)出比為1∶0.67[11]，因此醬油渣的年產(chǎn)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(fā)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(fā)酵效率，本研究以鏈霉素菌渣和醬油渣為發(fā)酵原料，進行混合發(fā)酵，監(jiān)測試驗過程中發(fā)酵液成分含量以及產(chǎn)氣特性的變化，確定菌渣和醬油渣混合發(fā)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(jīng)過菌渣和醬油渣馴化不產(chǎn)氣后作為接種物。原料與污泥的理化性質(zhì)詳見表1。

表1 鏈霉素菌渣混合厭氧發(fā)酵各組分的理化性質(zhì) (%)

1.2 試驗方法

發(fā)酵裝置為3 L批式玻璃發(fā)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(fā)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(chǎn)量、不同成分含量及發(fā)酵液理化性質(zhì)。

圖1 鏈霉素菌渣混合厭氧發(fā)酵裝置

表2 鏈霉素菌渣混合厭氧發(fā)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(lián)合滴定[12]；氨氮，SCOD測定采用5B-3C(V8)型分光光度計分別執(zhí)行HJ/T399-2007標準和納氏比色法[13]。

協(xié)同指數(shù)計算：其中理論產(chǎn)氣量B基于公式(1)計算得出的[14]；X1～X2為原料單獨發(fā)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(chǎn)氣量；X1'～X2'是共消化中第1～2個底物的VS分數(shù)，A'代表共消化的累積產(chǎn)氣量。如果產(chǎn)氣量的實際理論差值C大于累積產(chǎn)氣量的SD(標準偏差)，則可以確認具有協(xié)同作用[15]。協(xié)同效應指數(shù)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(fā)酵過程中氧化還原電位變化

鏈霉素菌渣混合厭氧發(fā)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(wěn)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(huán)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(fā)酵剛剛啟動，還原性物質(zhì)消耗、利用率較低導致發(fā)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(fā)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(wěn)，不同原料配比組平衡的氧化還原電位水平仍表現(xiàn)出較高的一致性。

圖2 鏈霉素菌渣醬油渣混合厭氧發(fā)酵氧化還原電位的變化

2.2 混合厭氧發(fā)酵過程中pH值變化

pH值是厭氧發(fā)酵過程中重要的監(jiān)測參數(shù)，保持反應體系pH值的適宜對產(chǎn)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(xiàn)在發(fā)酵第2天，依次為6.23，6.15，6.03，5.87，5.81，pH值的高低呈現(xiàn)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(fā)酵過程中通過增加醬油渣的添加量對前期發(fā)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(jīng)歷了類似的變化，初期經(jīng)過短暫的降低，最低值出現(xiàn)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(fā)酵的更容易產(chǎn)生有機酸積累，因此醬油渣發(fā)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(chǎn)生酸化影響。

圖3 鏈霉素菌渣醬油渣混合厭氧發(fā)酵pH值的變化

2.3 混合厭氧發(fā)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(zhì)不同導致分解產(chǎn)物的種類濃度存在差別，溶液中酸堿緩沖能力表現(xiàn)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(fā)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(zhì)、纖維類、脂類的降解，VFA產(chǎn)生速率隨著微生物生長繁殖的加快而加快；混合發(fā)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(chǎn)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(chǎn)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(fā)酸濃度產(chǎn)生影響。

圖4 鏈霉素菌渣醬油渣混合厭氧發(fā)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(fā)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(fā)酵剩余物組成，木質(zhì)素和纖維素類成分較多，短期內(nèi)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(chǎn)出速率也受到限制，導致其整體濃度較低。

2.4 混合厭氧發(fā)酵氨氮和SCOD含量變化

在厭氧發(fā)酵過程中，底物中蛋白質(zhì)、氨基酸等分解過程中會產(chǎn)生氨氮，作為一種代謝副產(chǎn)物隨著系統(tǒng)的代謝反應維持動態(tài)平衡。氨氮含量較高時不利與厭氧反應的進行，甚至導致發(fā)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(fā)酵過程中未出現(xiàn)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(fā)酵產(chǎn)生抑制作用。

圖5 鏈霉素菌渣醬油渣混合厭氧發(fā)酵氨氮含量的變化

如圖6所示，混合發(fā)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(xiàn)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(nèi)；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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)酵的鏈霉素菌渣發(fā)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(fā)酵SCOD含量的變化

2.5 混合厭氧發(fā)酵過程產(chǎn)氣情況和底物間協(xié)同作用

2.5.1 混合厭氧發(fā)酵過程中CH4和H2S含量的變化

如圖7所示，厭氧發(fā)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(wěn)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(fā)酵液中甲烷菌的數(shù)量和活性密切相關，反應初期體系中的甲烷菌數(shù)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(chǎn)生效率逐漸加快，甲烷含量隨著產(chǎn)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(chǎn)生一定影響。

圖7 混合厭氧發(fā)酵過程中CH4含量變化

H2S是硫酸鹽還原菌(SRB)在厭氧發(fā)酵反應中對底物利用時產(chǎn)生的，如圖8所示，反應初期體系中H2S含量均出現(xiàn)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(xiàn)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(fā)現(xiàn)，鏈霉素菌渣添加不同比例醬油渣進行厭氧發(fā)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(chǎn)氣速率變化如圖8所示，發(fā)現(xiàn)在此原料比例條件下的日產(chǎn)氣量變化處于較高的水平，這種現(xiàn)象出現(xiàn)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(zhì)的利用效率，SRB與甲烷菌所適應的底物環(huán)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(chǎn)氣速率和H2S濃度變化相一致。

圖8 混合厭氧發(fā)酵過程中H2S含量變化

2.5.2 混合厭氧發(fā)酵過程中沼氣日產(chǎn)氣量和累積產(chǎn)氣量

不同處理組的日產(chǎn)氣量和累積產(chǎn)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(chǎn)沼氣，產(chǎn)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(chǎn)氣延滯期，同時對起始階段產(chǎn)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(chǎn)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(fā)酵可提高早期階段的產(chǎn)沼氣速率和產(chǎn)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(chǎn)氣峰值集中出現(xiàn)的時間，在各個處理日產(chǎn)氣量變化趨勢對比中發(fā)現(xiàn)：R1～R4的最大日產(chǎn)氣量差別較少，R2，R3的產(chǎn)氣高速期更長，混合組產(chǎn)氣量明顯高于CK1，CK2。發(fā)酵進行到第29 天，R1～R4的產(chǎn)氣速率開始出現(xiàn)明顯下降，出現(xiàn)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(zhì)越來越少，產(chǎn)氣速率越來越低。R1～R4的累積產(chǎn)氣量依次16.96 L，21.38 L，22.96 L，16.78 L，產(chǎn)氣能力分別產(chǎn)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(chǎn)氣量均超過20 L，混合組R1，R2，R3的基質(zhì)產(chǎn)氣能力相比對照處理均有提高作用。本著提高反應系統(tǒng)中有機質(zhì)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(fā)酵最適處理條件。

圖9 混合厭氧發(fā)酵過程中日產(chǎn)氣量變化

圖10 混合厭氧發(fā)酵過程中累積產(chǎn)氣量變化

2.5.3 混合厭氧發(fā)酵過程中底物間的協(xié)同作用

將實驗數(shù)據(jù)代入?yún)f(xié)同指數(shù)計算方程，根據(jù)表3可知，處理R1～R3基質(zhì)產(chǎn)沼氣具有較好的協(xié)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(xié)同指數(shù)分別為26.35%，33.95%，23.75%。3種混合比例的協(xié)同指數(shù)均大于20%，其中處理組R2的協(xié)同效果最好，協(xié)同指數(shù)達33.95%。說明鏈霉素菌渣與醬油渣混合厭氧發(fā)酵，含固率在20+5～20+15 gVS·L-1時對底物共消化有協(xié)同作用，可在此濃度范圍內(nèi)進一步設計混合厭氧發(fā)酵試驗，優(yōu)化混合發(fā)酵條件。

表3 鏈霉素菌渣混合發(fā)酵產(chǎn)沼氣底物協(xié)同指數(shù)計算表

3 結論

鏈霉素菌渣與醬油渣中溫(30℃)混合厭氧發(fā)酵，可以明顯縮短發(fā)酵啟動時間，提高各單一原料發(fā)酵效率。鏈霉素菌渣與醬油渣混合發(fā)酵有顯著的協(xié)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(chǎn)氣率達285.07 mL·g-1VS，相比菌渣對照組提高30.52%，協(xié)同指數(shù)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(jù)。