閻 中， 王婧瑤， 王凱軍

(1.清華大學 環(huán)境學院， 北京 100084; 2.北京中源創(chuàng)能工程技術有限公司, 北京 100084)

隨著中國城市化進程加快，餐廚垃圾也在不斷加劇產(chǎn)生[1]。餐廚垃圾是指家庭、食堂和酒店等餐飲業(yè)所產(chǎn)生的食品殘渣，在城市垃圾中所占比例高達50%，有機質含量通常可達85%以上[2]，其BOD高，易腐敗、發(fā)酵并產(chǎn)生惡臭，含水率高，不方便運輸，處理不當容易產(chǎn)生滲瀝液等二次污染物[3]。在美國等發(fā)達國家，餐廚垃圾的資源化利用和無害化處理早已法制化和商業(yè)化，而我國的餐廚垃圾環(huán)?；幚磉€處于初級階段。目前，餐廚垃圾的處理方式主要有粉碎法、填埋法和生物處理法[4]。生物處理法因其環(huán)保效益明顯，不產(chǎn)生二次污染，能夠有效地實現(xiàn)對廢棄物的資源化利用，是當下研究的熱點。生物處理分為好氧發(fā)酵和厭氧發(fā)酵兩種。厭氧發(fā)酵由于有機物分解緩慢、發(fā)酵周期長(4～6個月)、占地面積大而不適合大規(guī)模的有機廢物處置?，F(xiàn)代工藝大多采用高溫好氧堆肥，其無害化程度較高、減量化效果較為明顯，可以最大限度地實現(xiàn)餐廚垃圾的資源化。

好氧堆肥是微生物利用有機質的好氧發(fā)酵過程。在該過程中餐廚垃圾中的可溶性小分子物質通過細胞壁和細胞膜被微生物吸收利用，而不溶性大分子有機物則附著在胞外并由胞外酶分解為可溶性小分子物質。有機物經(jīng)過水解、脫羧、脫氨基被降解：一部分被氧化成無機物，釋放能量提供給生命活動所需，一部分降解為小分子后重新合成新的大分子物質如腐殖質，另一部分有機物被合成新的細胞物質，微生物得到增殖[5-6]。由于堆肥處理無害化程度高，運行成本低，長久以來被國內(nèi)外廣泛應用于固體廢棄物的無害化處理。大量研究表明，好氧堆肥對于大部分菌渣或其他固體廢棄物堆肥均具有很好的降解效果[7]。對于餐廚垃圾好氧堆肥的研究雖然已經(jīng)持續(xù)很多年，但是主要是考察發(fā)酵效果，對其理化因子方面的分析比較多，對于微生物群落的分析則較少[8]。

微生物菌劑的種類與含量是影響有機垃圾堆肥降解進程的重要因素。研究發(fā)現(xiàn)餐廚堆肥過程是一個由細菌、放線菌、真菌等微生物共同作用，并且在不同堆肥階段由不同優(yōu)勢微生物群落互相演替的過程。微生物菌劑復配方案如米曲霉、地衣芽孢桿菌、解脂假絲酵母、綠色木霉和褐球固氮菌聯(lián)合強化了廚余垃圾中脂肪、蛋白質等特異組分的降解[9]。席北斗[10]等將污泥和有機生活垃圾的混合堆肥中添加復合微生物菌劑，復合微生物菌群各菌種之間相互協(xié)同作用，生成抗氧化物質，形成復雜而穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)，與滅活菌的對照組比較，堆肥腐熟時間可縮短6～18天。菌劑的種類對堆肥結果的影響很大[11]。Akansha Bhatia[12]等培養(yǎng)不同微生物對有機垃圾好氧堆肥的影響，得出微生物對底物的分解消化具有階段性，其群落結構出現(xiàn)更替現(xiàn)象，表現(xiàn)出豐富的多樣性及明顯的優(yōu)勢微生物。

傳統(tǒng)工藝在此之前需要較長啟動期才能實現(xiàn)溫度積累、微生物增殖等預過程，且大多是由國外引進的工藝。德國約70%的堆肥廠使用的仍是靜態(tài)條垛式等低成本堆肥工藝，英國在條垛式對非系統(tǒng)的基礎上計入強制通風裝置，顯著減少了發(fā)酵時間，但是仍存在占地面積大、環(huán)境條件依賴性高等問題。因此，丹麥開發(fā)了基于連續(xù)式動態(tài)好氧堆肥工藝的Dano滾筒式發(fā)酵倉、韓國Geoen Tech公司與德國Fethmann公司合作開發(fā)了集裝箱堆肥法。盡管國外已經(jīng)對好氧堆肥技術有了一定的的研究與推廣，但傳統(tǒng)技術仍然存在著占地面積大、人員多、產(chǎn)品單一等問題，而面對國內(nèi)有機垃圾處理現(xiàn)狀及特定需求，還存在著預處理技術不完善、微生物菌劑多組分適微生物菌劑多組分適應性差、能耗高、輔料添加量大等問題，長期制約著有機垃圾的資源化處理。

有機垃圾在高溫發(fā)酵階段才真正實現(xiàn)底物的微生物高效降解，因此，本研究結合餐廚垃圾產(chǎn)生、收集及處理規(guī)律，優(yōu)化反應器構型，調(diào)控形成推流路徑，開發(fā)了新型高溫強化PFR反應器，其可實現(xiàn)間歇進料與連續(xù)出料。PFR反應器是厭氧消化領域常用的反應器。理想的PFR不將底物與所有物料完全混合，而是與部分物料混合后從反應器的進料端進入反應器，使其在反應器長度方向呈活塞方式依次向前推進，直至反應器的出料端出料[13]。同時，PFR不需要攪拌，尤其是在面對高含固率有機物(如畜禽糞便、農(nóng)作物秸稈)的發(fā)酵處理時，減小了動力消耗，降低了運行成本[14]。本研究開發(fā)的分格式反應器，實現(xiàn)了發(fā)酵過程運行參數(shù)分區(qū)控制，充分發(fā)揮不同區(qū)域內(nèi)微生物菌群作用，同時利用菌渣分離方式和多艙推流式設計，突破了現(xiàn)有技術批次反應的限制，實現(xiàn)餐廚垃圾連續(xù)進出料處理。

因此，本文利用EM菌種和高溫強化PFR連續(xù)發(fā)酵技術，通過分析德清縣11個項目實際運行中的微生物群落分布，以了解好氧堆肥的實際工業(yè)化過程中底物成分和不同負荷條件下微生物的多樣性及其變化，從而為餐廚垃圾的發(fā)酵技術和資源化處理提供工業(yè)指導。

1 材料和方法

1.1 項目點情況

為了研究德清縣餐廚垃圾PFR工藝的運行情況，取鐘管青墩、乾元、新市、筏頭東沈、洛舍東衡村、筏頭后塢、洛舍砂村、筏頭、莫干山燎原、五四村和鐘管蠡山11項目的出料(經(jīng)過冷卻3倉后靜置24 h)，分別標記為樣品01-QD，02-QY，03-XS，04-DS，05-DH，06-HW，07-SC，08-FT，09-MG，10-WS和11-LS，如表1所示。其中，餐廚垃圾主要包括未加工的腐爛食物原材料和食物加工過程中的下腳料；廚余垃圾主要包括剩菜剩飯，均取自項目當?shù)氐霓r(nóng)家樂。

表1 德清縣11個項目的有機負荷及底物成分

1.2 PFR工藝的運行

本研究案例中餐廚垃圾處理廠采用的是自主創(chuàng)新的小型強化連續(xù)多倉式推流發(fā)酵(PFR)技術工藝，反應器如圖1所示，物料和菌種由1倉投加，物料緩慢流過2倉，最后到3倉腐熟，前兩倉控溫50℃～55℃，3倉為冷卻倉。其中乾元、新市兩個項目的反應器有效容積為23 m3，設計能力10 t·d-1；其余9個項目均為1.5 m3有效容積，日處理500 kg。

圖1 PFR工藝示意圖

2 結果與討論

2.1 德清縣11個項目的出料感官品質

微生物是堆肥發(fā)酵的主體，微生物數(shù)量和種類的變化不僅與臭味控制、氮損失密切相關，還與堆肥周期、堆肥質量緊密相關。表2展示了德清11個項目的出料情況，如果項目穩(wěn)定較好的運行，則出料質地疏松，顏色金黃，有一種芳香氣味；反之，則出料結球，顏色黑綠，氣味惡臭。陳廣銀通過對蘑菇渣與落葉聯(lián)合堆肥過程中養(yǎng)分變化的研究及堆肥產(chǎn)品理化性質的考察，指出在堆肥結束時，堆肥終產(chǎn)物較堆肥初期物料的物理性狀有很大變化；此外在外觀上，經(jīng)過堆肥處理后的物料較干，顆粒變細，顏色呈黑褐色，有淡淡的泥土氣味[15]。本研究結果表明09-MG樣品與陳廣銀的出料感官表征相似，其余出料如下表2所示。

表2 德清縣11個項目的出料感官品質

2.2 微生物群落多樣性指數(shù)分析

Alpha多樣性是指一個特定區(qū)域或者生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的多樣性。本研究通過Shannon(香農(nóng)指數(shù))，Simpson(辛普森指數(shù))，Chao1和ACE這4個指標對餐廚好氧發(fā)酵反應器中的群落Alpha多樣性進行分析。其中，Chao1用來估計物種總數(shù)，ACE可估計群落中OTU數(shù)目，Simpson和Shannon用于估算微生物多樣性，Simpson越大多樣性越低，而Shannon越大多樣性越高。

如表3所示，樣品04-DS的多樣性程度最低，其次是樣品01-QD，02-QY和03-XS，但樣品09-MG的多樣性程度最高。當系統(tǒng)運行良好時，其能為微生物的生長提供更適宜的環(huán)境，進而增加微生物的多樣性，香農(nóng)指數(shù)升高。而當系統(tǒng)內(nèi)可能存在有機酸以及其他有毒有害物質的積累時，某些敏感微生物生長受到抑制甚至死亡，從而導致微生物群落豐度與多樣性的降低，香農(nóng)指數(shù)減小[16]。由表3可知，樣品09-MG由于較低的有機負荷率和更加豐富的底物而導致多樣性較高，升高有機負荷率(如02-QY和03-XS)或者降低底物的豐富度(如06-HW和07-SC)均可使樣品的多樣性呈下降趨勢。

表3 德清11個項目的Alpha多樣性

2.3 微生物群落門水平多樣性分析

研究表明，厚壁菌門(Firmicutes)和變形菌門(Proteobacteria)是相對豐度最高的細菌門(見圖2)。有研究表明，在市政污泥厭氧消化系統(tǒng)中，F(xiàn)irmicutes的相對豐度含量也很高，并且在厭氧消化過程中呈現(xiàn)出逐漸上升的趨勢；此外該門類已被證明是一類重要的發(fā)酵細菌，并能產(chǎn)生胞外酶來水解有機質[17]。而Zamorano研究了添加餐廚垃圾后厭氧膜生物反應器的運行效果，發(fā)現(xiàn)反應器中的優(yōu)勢菌門為Chloroflexi，F(xiàn)irmicutes，Synergistetes和Proteobacteria[18]。

厚壁菌門(Firmicutes)在11個樣品中均占了最大的部分(見圖2)。在厚壁菌門中，大多數(shù)菌隸屬于微小桿菌(Exiguobacterium)和乳酸菌屬(Lactobacillus)，少部分隸屬于葡萄球菌(Staphylococcus)和明串珠菌屬(Leuconostoc)。厚壁菌門下的細菌多為革蘭氏陽性菌，其細胞壁厚且90%以上為肽聚糖，能形成孢子，具有防止細胞分解的能力，因此能幫助菌株渡過不良的環(huán)境時期進而在極端環(huán)境中生存。隸屬于厚壁菌門的細菌種類多樣，系統(tǒng)發(fā)育距離寬泛。此外厚壁菌門中很多菌種被分離純化，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)這些菌的代謝特征表明：它們可利用的底物也是很多樣，包括能直接作為底物被代謝的大分子蛋白與淀粉等。變形菌門(Proteobacteria)在11個樣品中是另一優(yōu)勢菌門，種群主要集中在檸檬酸桿菌屬(citrobacter)、不動桿菌屬(Acinetobacter)和假單胞菌(Pseudomonas)。

圖2 德清縣11個項目的樣品微生物群落門水平多樣性分析

Wang[19]研究了序批式有氧堆肥過程中不同的餐廚垃圾負荷下微生物群落的結構特征，證明餐廚的添加量超過每天的10%則會引起負荷擾動，10%以內(nèi)則系統(tǒng)正常運行，同時經(jīng)高通量測序后發(fā)現(xiàn)Firmicutes，Proteobacteria，Bacteroidetes和Actinobacteria是主要的菌門。任省濤[20]研究了污泥堆肥初始期、高溫期和腐熟期的微生物群落，發(fā)現(xiàn)3個時期優(yōu)勢菌屬不明顯且種類較多，其相對豐度在1.01%到5.67%，各屬之間更加均衡，這也從側面表明污泥堆肥群落多樣性較高。其中在初始期和高溫期富集的屬有Pseudomonas,Paracoccus,Bacillus,Gemmatimonas,Pseudosphingobacterium,Clostridiumsensustricto。在腐熟期富集的屬有Actinomadura,Truepera,Luteimonas,Streptomyces和Exiguobacterium。

對污泥堆肥高溫期細菌微生物群落多樣性的影響，結果表明生物質碳影響了污泥堆肥過程中群落結構變化，所有添加生物質碳堆肥樣本中主要門類均為Proteobacteria,Firmicutes和Chloroflexi，主要優(yōu)勢菌屬為Pseudomonas,Acinomadura和Ureibacillus[21]。

2.4 微生物群落屬水平多樣性分析

由圖3可以看出，11個樣品中優(yōu)勢菌屬類似，均為微小桿菌(Exiguobacterium)，乳酸桿菌(Lactobacillus)，檸檬酸桿菌(Citrobacter)，不動桿菌屬(Acinetobacter)和假單胞菌(Pseudomonas)。

圖3 德清縣11個項目的樣品微生物群落屬水平多樣性分析

樣品04-DS有特異優(yōu)勢菌屬葡萄球菌(Staphylococcus)，多數(shù)葡萄球菌能分解葡萄糖、麥芽糖和蔗糖，產(chǎn)酸不產(chǎn)氣，能分解甘露醇，但葡萄球菌作為一種化膿球菌，容易引起樣品腐敗[22]，因此，推測樣品04-DS發(fā)酵失敗系葡萄球菌大量繁殖所致，由于葡萄球菌大多是中溫菌，在發(fā)酵前期高溫50℃～55℃時本該得以殺滅，因此樣本04-DS中其大規(guī)模增殖也從側面反映出在實際運行過程中溫控系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。

在本研究中，除了04-DS外，其余所有樣品中微桿菌和乳酸菌為主要種屬。根據(jù)樣品11-LS的分析，葡萄球菌的存在并不會直接指征發(fā)酵失敗的樣本；但由于香農(nóng)指數(shù)表明，葡萄球菌屬大量繁殖的同時，其樣品生物多樣性降低；結合NETWORK圖分析，與葡萄球菌屬負相關的菌屬為芽孢桿菌屬，因此得出，葡萄球菌的大量擴繁抑制了對發(fā)酵有益的芽孢桿菌屬的增殖。

對于樣品01-QD和09-MG來說，兩者的進料量均是每天200 kg左右，但是01-QD以廚余為主，而09-MG為餐廚和廚余的混合物。兩者的聚類樹也相聚最近，因此說明種屬的組成相近，結合香農(nóng)指數(shù)，樣品09-MG的多樣性程度較高，因此說明底物種類的單一導致好氧發(fā)酵過程中微生物群落的單一。然而，多物料協(xié)同處理可以優(yōu)化工藝，提高穩(wěn)定性。在席北斗的研究中，采用添加不同填充料來提高餐廚垃圾好氧堆肥的效果，添加鋸末、樹葉、秸稈和干馬糞等有機質均能不同程度的提高發(fā)酵效果。因此，多底物混合有利于微生物群落多樣性的豐富，提高發(fā)酵效果。

對比06-HW和1-QD，餐廚垃圾的發(fā)酵效果也好于廚余垃圾，這說明餐廚垃圾的成分比廚余垃圾更復雜。因為底物越復雜，營養(yǎng)就越均衡，好氧微生物所需要的酶系統(tǒng)就越多，也越綜合，從而提高好氧堆肥技術處理餐廚垃圾的效果[23]。

在底物均為餐廚和廚余混合物來說，相較于02-QY和03-XS的進料量為4T來說，05-DH,08-FT和10-WS是200 kg左右，乳酸菌的含量是后者居多，結合香農(nóng)指數(shù)來看，也是后者的多樣性更豐富，這是由于過高的投料量會造成較高的負荷，導致有機物降解的種間產(chǎn)物積累，從而抑制菌群活性，不利于好氧堆肥。因此較小的進料量有利于好氧發(fā)酵。

2.5 微生物群落之間的相關性分析

結合圖4的OTU相關性和圖5的菌群相關性可知，在門水平上，綠彎菌門與酸桿菌門呈正相關，而與厚壁菌門呈負相關。酸桿菌門和梭菌門呈負相關。在OTU水平上，葡萄球菌屬與芽孢桿菌屬、根瘤菌屬均呈負相關，這說明葡萄球菌(Staphylococcus)的迅速增殖很可能抑制了對發(fā)酵有益的芽孢桿菌屬(Bacillus)和根瘤菌屬(Rhizobium)的生長，因此導致發(fā)酵失敗。乳酸菌屬與桿菌屬呈負相關，說明乳酸菌的生長可以抑制一部分桿菌的生長。

圖5 德清項目樣品菌群相關性

圖4 德清項目樣品OTU相關性

綠彎菌門是一種兼性厭氧生物[24]，具綠色素，是消耗葡萄糖的主要類群[25]，其和厚壁菌門都與碳氫化合物的降解相關[26]，且綠彎菌門的相對豐度隨著餐廚垃圾比例的增加而增高[18]。推測這是由于發(fā)酵料含水量偏高，堆體偏緊實，其中的兼性厭氧菌發(fā)揮作用的結果。變形菌門中的許多種群與葡萄糖、丙酸鹽、丁酸鹽等小分子化合物的利用有關[27-28]，是工業(yè)污水處理廠和市政污水處理廠的污泥中常見的菌群。

3 結論與展望

本研究開發(fā)的PFR通過在反應器內(nèi)設置不同發(fā)酵艙，并智能控制各區(qū)域的工況條件，實現(xiàn)微生物在反應器內(nèi)的分相。基于物料推流過程中的菌渣分離，確保新鮮進料與高效成熟菌體充分接觸和反應充分利用不同區(qū)域內(nèi)的微生物種群，在提供高效發(fā)酵條件的同時，實現(xiàn)了連續(xù)進出料，處理效果不受進料頻率影響，有機垃圾即產(chǎn)即清，提高了反應效率，極大降低對周邊環(huán)境的影響；通過高通量測序分析獲得PFR好氧餐廚垃圾處理工藝過程的微生物種群、數(shù)量、結構、動態(tài)變化規(guī)律等數(shù)據(jù)，為進一步優(yōu)化餐廚垃圾處理工藝，促進PFR反應器系統(tǒng)的穩(wěn)定和高效運行，挖掘特定功能微生物，提高餐廚垃圾發(fā)酵產(chǎn)物的資源化利用效率提供科學依據(jù)。

本研究的主要結論：1)11個項目的微生物群落組成相似，其中厚壁菌門(Firmicutes)和變形菌門(Proteobacteria)是相對豐度最高的2個從屬于細菌的門，優(yōu)勢菌屬為微小桿菌(Exiguobacterium)，乳酸桿菌(Lactobacillus)，檸檬酸桿菌(Citrobacter)，不動桿菌屬(Acinetobacter)和假單胞菌(Pseudomonas)；2)底物越豐富，進料量越小，越有利于出料的品質；3)出料感官品質高，微生物多樣性也較高；4)在OTU水平上，葡萄球菌屬與芽孢桿菌屬、根瘤菌屬均呈負相關，葡萄球菌的迅速增殖抑制了對發(fā)酵有益的芽孢桿菌屬和根瘤菌屬的生長，因此導致樣品04-DS的發(fā)酵失??；5)餐廚垃圾處理過程中的部分菌屬可能具有資源-環(huán)境雙重屬性，例如在出料中相對豐度較高的Pseudomonas，既是常見的致病菌，也具有生產(chǎn)聚羥基脂肪酸酯的功能。

基于研究結果，提出以下對策建議：1)餐廚垃圾好氧PFR工藝優(yōu)化：好氧PFR環(huán)境的群落組成結構可為反應過程性能提供參考，如厚壁菌門(Firmicutes)和變形菌門(Proteobacteria)兩者的相互作用可提高好氧堆肥過程的穩(wěn)定性，降低環(huán)境因素變化對發(fā)酵過程的沖擊。2)餐廚垃圾出料中存在假單胞菌屬，該菌屬已被證實具有將碳源轉化為聚羥基脂肪酸酯(polyhydroxyalkanoates，PHA)的功能，可以對產(chǎn)PHA功能菌株進行篩選、發(fā)酵條件探索等一系列方案，以期進行資源的再利用和新型材料的生產(chǎn)。3)發(fā)酵失敗的物料可能含有葡萄球菌屬(Staphylococcus)等病原菌，直接排放可能對環(huán)境和人體健康帶來影響，因此針對具有該菌屬的出料需要再次選擇與其相拮抗的菌種進行二次發(fā)酵。