梁文華，王瑞達(dá)，劉 敬，吳 健，方 楠，程輝彩，邊紅杰

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

抗生素生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生大量的抗生素菌渣，我國(guó)抗生素年產(chǎn)量已多達(dá)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(jìn)一步滲透土壤污染地下水，引發(fā)諸多環(huán)境問題?？股鼐玫礁咝?、無害化處理是當(dāng)今社會(huì)面臨亟待解決的問題，處理抗生素菌渣應(yīng)本著環(huán)境友好、高效低能耗、可持續(xù)和經(jīng)濟(jì)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(duì)壯觀鏈霉素菌渣進(jìn)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(duì)鏈霉素菌渣進(jìn)行堿熱預(yù)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(shí)近年來有關(guān)對(duì)鏈霉素廢水處理[5]工藝以及生物抗性[6-8]研究報(bào)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(guó)醬油產(chǎn)量多大1000萬噸[9-10]，且市場(chǎng)需求逐年增長(zhǎng)，據(jù)報(bào)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(dāng)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(bǔ)，又降低了處理過程中因運(yùn)輸不便造成的處理風(fēng)險(xiǎn)和成本?？股鼐ㄟ^厭氧發(fā)酵的方式處置技術(shù)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(jìn)行混合發(fā)酵，監(jiān)測(cè)試驗(yàn)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(jìn)而為抗生素菌渣及醬油渣等有機(jī)固廢高效資源化利用提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)設(shè)6個(gè)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(jī)負(fù)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(duì)應(yīng)發(fā)酵罐，用清水將各個(gè)處理組補(bǔ)充至有效體積2.5 L。30℃±1℃，定期取樣并測(cè)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(cè)定方法：沼氣體積和組分含量采用濕式流量計(jì)和Biogass5000沼氣分析儀測(cè)定；料液的氧化還原電位，pH采用玻璃電極法測(cè)定；VFA測(cè)定采用Nordmann聯(lián)合滴定[12]；氨氮，SCOD測(cè)定采用5B-3C(V8)型分光光度計(jì)分別執(zhí)行HJ/T399-2007標(biāo)準(zhǔn)和納氏比色法[13]。

協(xié)同指數(shù)計(jì)算：其中理論產(chǎn)氣量B基于公式(1)計(jì)算得出的[14]；X1～X2為原料單獨(dú)發(fā)酵時(shí)的底物濃度，對(duì)應(yīng)A1～A2代表從第1～2個(gè)消化底物的累積產(chǎn)氣量；X1'～X2'是共消化中第1～2個(gè)底物的VS分?jǐn)?shù)，A'代表共消化的累積產(chǎn)氣量。如果產(chǎn)氣量的實(shí)際理論差值C大于累積產(chǎn)氣量的SD(標(biāo)準(zhǔn)偏差)，則可以確認(rèn)具有協(xié)同作用[15]。協(xié)同效應(yīng)指數(shù)E通過公式(2)計(jì)算得出[16]。

(1)

(2)

2 結(jié)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(shì)明顯，CK2在反應(yīng)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(dòng)，還原性物質(zhì)消耗、利用率較低導(dǎo)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(shí)，反應(yīng)體系氧化還原電位的變化主要受鏈霉素菌渣有機(jī)負(fù)荷的影響，醬油渣比例的增加對(duì)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(yīng)的進(jìn)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(cè)參數(shù)，保持反應(yīng)體系pH值的適宜對(duì)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(yīng)進(jìn)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(duì)前期發(fā)酵液的pH值有一定降低作用，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，這一降低影響會(huì)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(dòng)較小維持在6.5附近，CK2在處理組間的pH值對(duì)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(dú)厭氧發(fā)酵的更容易產(chǎn)生有機(jī)酸積累，因此醬油渣發(fā)酵初期的酸化進(jìn)度會(huì)更快，后期pH值的恢復(fù)至6.5左右，未對(duì)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(gè)處理組的VFA含量變化趨勢(shì)一致，0～6 d呈上升趨勢(shì)，6 d VFA含量達(dá)峰值，pH值達(dá)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(dǎo)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(yīng)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(zhǎng)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(jī)負(fù)荷的升高而升高，當(dāng)菌渣含固率一定時(shí)，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(jī)負(fù)荷的提高、有機(jī)物含量增高有一定關(guān)系。隨著產(chǎn)甲烷代謝速率加快以及底物的進(jìn)一步消耗，各處理組VFA含量達(dá)到峰值后維持一段時(shí)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(duì)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(gè)處理總有機(jī)負(fù)荷較低，為20 gVS·L-1，其他幾個(gè)處理由于是兩種原料混合發(fā)酵，有機(jī)負(fù)荷顯著高于兩個(gè)對(duì)照。其中CK2第6 天的pH值降至5.5，VFA含量不高是由CK2反應(yīng)體系原料的組分特性不同所導(dǎo)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(jī)物含量顯著低于其他處理，如同時(shí)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(dǎo)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(huì)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(yīng)維持動(dòng)態(tài)平衡。氨氮含量較高時(shí)不利與厭氧反應(yīng)的進(jìn)行，甚至導(dǎo)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(dòng)。CK1，R1～R4的氨氮水平隨著反應(yīng)的進(jìn)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(gè)處理組氨氮濃度變化一致，氨氮濃度始終比較低，沒有對(duì)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(shì)基本相同，在反應(yīng)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(shí)間的推移波動(dòng)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(duì)照組CK1且明顯高于對(duì)照組CK2，即相同的有機(jī)負(fù)荷發(fā)酵條件下，菌渣前期反應(yīng)過程中的SCOD水平會(huì)高于醬油渣處理，而體系中鏈霉素菌渣的含固率一定時(shí)，發(fā)酵液中的SCOD濃度會(huì)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(jìn)行到第4 天后的SCOD水平無明顯的升高和降低，同等有機(jī)負(fù)荷發(fā)酵的鏈霉素菌渣發(fā)酵相對(duì)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(cè)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(shí)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(dá)到60%左右后穩(wěn)定一段時(shí)間，然后呈下降趨勢(shì)，降低幅度相對(duì)較小。不同處理組的甲烷含量變化趨勢(shì)一致，CK1的甲烷含量顯著低于其它處理組。反應(yīng)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(guān)，反應(yīng)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(duì)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(shì)可能是可利用底物含量降低影響了甲烷菌活性，進(jìn)而對(duì)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(yīng)中對(duì)底物利用時(shí)產(chǎn)生的，如圖8所示，反應(yīng)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(duì)照組CK1，CK2在反應(yīng)過程中H2S含量始終低于200 ppm。反應(yīng)進(jìn)行到第22天，對(duì)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?。?2～36 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(duì)比發(fā)現(xiàn)，鏈霉素菌渣添加不同比例醬油渣進(jìn)行厭氧發(fā)酵，對(duì)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(shí)H2S含量較高；通過對(duì)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(yīng)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(yīng)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(yīng)的第2 天產(chǎn)沼氣，產(chǎn)氣速率高于對(duì)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(shí)對(duì)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(dá)到首個(gè)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(shí)的處理效果最好?；旌咸幚斫M18～29 d是第2個(gè)產(chǎn)氣峰值集中出現(xiàn)的時(shí)間，在各個(gè)處理日產(chǎn)氣量變化趨勢(shì)對(duì)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(zhǎng)，混合組產(chǎn)氣量明顯高于CK1，CK2。發(fā)酵進(jìn)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(shí)間拐點(diǎn)和降低斜率幾乎一致，此時(shí)體系中的可利用的有機(jī)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(duì)照處理均有提高作用。本著提高反應(yīng)系統(tǒng)中有機(jī)質(zhì)有機(jī)負(fù)荷的處理原則，可將R3即菌渣+醬油渣20+15設(shè)置為厭氧發(fā)酵最適處理?xiàng)l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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入?yún)f(xié)同指數(shù)計(jì)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(jī)負(fù)荷在20+5，20+10，20+15 gVS時(shí)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(dá)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(shí)對(duì)底物共消化有協(xié)同作用，可在此濃度范圍內(nèi)進(jìn)一步設(shè)計(jì)混合厭氧發(fā)酵試驗(yàn)，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(jì)算表

3 結(jié)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(dòng)時(shí)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(dāng)鏈霉素菌渣+醬油渣添加量為20+15 gVS·L-1時(shí)，原料的產(chǎn)氣率達(dá)285.07 mL·g-1VS，相比菌渣對(duì)照組提高30.52%，協(xié)同指數(shù)最高為33.95%。該試驗(yàn)為鏈霉素菌渣的高效降解、多種固體廢棄物同時(shí)處理提供理論依據(jù)。