農(nóng)村有機(jī)生活垃圾沼氣發(fā)酵工藝優(yōu)化及菌群分析

魏珞宇， 羅臣乾， 張 敏， 施國(guó)中， 張國(guó)治

(農(nóng)業(yè)農(nóng)村部沼氣科學(xué)研究所, 成都 610041)

近年來(lái)，隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，農(nóng)民生活水平的提高，農(nóng)村生活垃圾的數(shù)量已經(jīng)達(dá)到了每年3億噸[1]。根據(jù)調(diào)查，中國(guó)農(nóng)村生活垃圾主要組分包括廚余類、灰土類、橡塑類和紙類。而在廚余類主要包括剩菜葉、剩果皮、蛋殼、骨頭以及剩飯等。根據(jù)文獻(xiàn)研究所得，除東北地區(qū)外，我國(guó)大部分農(nóng)村生活垃圾中，廚余類垃圾占40%以上[2]。該部分垃圾有機(jī)質(zhì)含量高，尤其是糖類物質(zhì)含量高，并且含有氮、磷、鉀、鈣及微量元素[3]。以往，該類生活垃圾通常是用來(lái)當(dāng)做家庭飼養(yǎng)家禽及牲畜的飼料或者用于田間堆肥[4]。隨著農(nóng)村生產(chǎn)生活方式的轉(zhuǎn)變，失去了就地消納該類垃圾的能力。該部分垃圾隨其他生活垃圾被農(nóng)戶丟棄于戶外。在一些經(jīng)濟(jì)農(nóng)村條件較好的農(nóng)村，設(shè)有生活垃圾集中收集點(diǎn)，村民集中堆放后由村里轉(zhuǎn)運(yùn)至垃圾處理廠或填埋，在其他地方，更多的是隨意丟棄[5]。對(duì)農(nóng)村的土壤、河流、空氣造成了污染。尤其是其中的有機(jī)質(zhì)部分，極易腐爛變質(zhì)，易攜帶滋生病菌的Colibacillus和Salmonella等，對(duì)人們的健康造成了很大的威脅[6]。因此，對(duì)這部分垃圾需要進(jìn)行妥善處理。

厭氧消化是一種處理有機(jī)廢棄物行之有效的方法。它可以生產(chǎn)出清潔能源—沼氣，并且沼渣沼液是一種肥料，可以還田利用,實(shí)現(xiàn)了該類垃圾的減量化與資源化[7]。也有研究證明，厭氧消化同時(shí)可以去除一些病原菌，減少垃圾隨意丟棄所帶來(lái)的病菌感染[8-9]。目前，針對(duì)農(nóng)村有機(jī)生活垃圾中致病菌及厭氧發(fā)酵的研究較少，本研究利用農(nóng)村有機(jī)生活垃圾開(kāi)展連續(xù)厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，研究厭氧發(fā)酵過(guò)程中細(xì)菌菌群的變化。沼渣沼液中病原菌攜帶情況會(huì)影響其還田利用，因此本研究有重要的意義。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

根據(jù)前期對(duì)農(nóng)村有機(jī)生活垃圾成分的調(diào)研結(jié)果(農(nóng)村有機(jī)生活垃圾中菜葉比例50%，果皮25%，剩飯20%，廢舊紙張5%)收集研究所附近菜市場(chǎng)以及餐館的有機(jī)垃圾按比例配置成農(nóng)村有機(jī)生活垃圾。收集到的垃圾挑選出塑料袋、筷子、等不可發(fā)酵物質(zhì)，分別做切碎處理(粒徑1 cm)和粉碎處理(粒徑1 mm)。接種物取自農(nóng)業(yè)農(nóng)村部沼氣科學(xué)研究所實(shí)驗(yàn)基地。原料及接種物性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 農(nóng)村有機(jī)生活垃圾及接種物性質(zhì) (%)

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，為CSTR反應(yīng)器。罐體容積為22 L，有效容積為20 L。設(shè)有自動(dòng)溫控及攪拌系統(tǒng)。進(jìn)料口位于反應(yīng)器下部，出料口位于反應(yīng)器上部，中部設(shè)有取樣口。進(jìn)料方式為1日1進(jìn)。采用連續(xù)厭氧發(fā)酵，原料TS濃度控制在8%，原料粒徑為1 cm和1 mm，溫度為35℃，攪拌條件為轉(zhuǎn)速為60 r·min-1，每10分鐘攪拌1次。采用LML-1型濕式氣體流量計(jì)記錄沼氣產(chǎn)量，使用氣袋收集沼氣以用來(lái)測(cè)量沼氣成分。

發(fā)酵罐內(nèi)原料與接種物按照TS比為1∶1投入，待發(fā)酵罐內(nèi)產(chǎn)氣穩(wěn)定后開(kāi)始進(jìn)料，逐步提高進(jìn)料負(fù)荷，直至水力停留時(shí)間(HRT)縮短至12 d。本次實(shí)驗(yàn)選取HRT=15 d和20 d兩個(gè)階段進(jìn)行細(xì)菌菌群分析。每次進(jìn)料前將原料TS濃度用沼液控制到8%。添加微量元素如下：鐵元素添加量4 g·L-1, Co 0.58 ug·L-1, Ni 2 mmol·L-1。實(shí)驗(yàn)條件設(shè)置如表2所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

溫度原料粒徑編號(hào)35℃1 cm1#35℃1 mm2#

每天記錄甲烷產(chǎn)量，每天取樣測(cè)pH值和揮發(fā)酸。

1.3 分析方法

日產(chǎn)氣量由流量計(jì)讀數(shù)所得。氣體成分由便攜式氣體成分分析儀測(cè)量所得。儀器型號(hào)為：BIOGAS-5000。pH值測(cè)定，便攜式pH計(jì)型號(hào)為pH-100。細(xì)菌菌群變化由上海美吉生物科技有限公司進(jìn)行測(cè)序分析，測(cè)序方法采用16s-rDNA分析技術(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 日沼氣產(chǎn)量與水力停留時(shí)間的關(guān)系

如圖2所示，為2個(gè)反應(yīng)器在HRT為20 d和15 d 階段的日產(chǎn)沼氣量，每個(gè)階段為期10天。日產(chǎn)沼氣量隨水利停留時(shí)間縮短而提高。水利停留時(shí)間為20 d時(shí)，1#反應(yīng)器中的日產(chǎn)沼氣量高于2#反應(yīng)器中的日產(chǎn)沼氣量，表明在該水利停留時(shí)間條件下，反應(yīng)溫度為35℃時(shí)，原料粒徑為1 cm時(shí)的日產(chǎn)沼氣量高于原料粒徑為1 mm。水利停留時(shí)間為15 d時(shí)，2#反應(yīng)器中的日產(chǎn)沼氣量高于1#反應(yīng)器中的日產(chǎn)沼氣量，表明在該水利停留時(shí)間條件下，反應(yīng)溫度為35℃時(shí)，原料粒徑為1 mm時(shí)的日產(chǎn)沼氣量高于原料粒徑為1 cm。1#反應(yīng)器中的容積產(chǎn)氣率由1.8 L·L-1d-1提高到2.69 L·L-1d-1，2#反應(yīng)器中的容積產(chǎn)氣率由2.14 L·L-1d-1提高到2.96 L·L-1d-1，表明原料粒徑越小，水利停留時(shí)間縮短對(duì)沼氣產(chǎn)量的提升程度越大。

圖2 日產(chǎn)沼氣

2.2 甲烷含量變化

如圖3所示為甲烷含量變化，可以看到，1#反應(yīng)器中沼氣的甲烷含量要高于2#反應(yīng)器中沼氣甲烷含量。表明，原料粒徑小，發(fā)酵體系中原料水解酸化速率高，體系中揮發(fā)酸濃度較高，抑制了產(chǎn)甲烷菌的活性，使得沼氣中甲烷含量低[10]。兩個(gè)反應(yīng)器中沼氣甲烷含量均在50%以上。

圖3 甲烷含量變化

2.3 pH值變化

圖4所示為兩個(gè)反應(yīng)器中pH值的變化。水利停留時(shí)間為20 d時(shí)，pH值均偏高，當(dāng)水利停留時(shí)間為15 d時(shí)，pH值下降。表明隨著水利停留時(shí)間縮短，發(fā)酵體系中揮發(fā)酸積累量提高，使得pH值下降。兩個(gè)反應(yīng)器中的pH值均處于發(fā)酵正常范圍內(nèi)。

圖4 pH值變化

2.4 細(xì)菌菌群變化

圖5為原料和沼渣中細(xì)菌菌群結(jié)構(gòu)圖。A為原料細(xì)菌菌群結(jié)構(gòu)圖，在4批次的原料中，存在的病原菌為Enterobacter和Enterococcus。其中，Enterobacter所占比例分別為為21%，6%，13.1%，11.4%。Enterococcus在第3批次的原料中所占比例為2.91%，在其他批次的原料中比例很小。其余優(yōu)勢(shì)菌主要有Lactobacillus，Leuconostoc，Weissella，Acetobacter，Streptococcus等。未檢測(cè)到Salmonella，ShigellaCastellani及StaphylococcusAureus。圖6為兩個(gè)反應(yīng)器中7個(gè)不同時(shí)間段沼渣中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)圖，其主要細(xì)菌菌群為Rikenella，Rumin、Lachnospira，clostridium等，未檢測(cè)到Enterobacter，Enterococcus，Salmonella，ShigellaCastellani及StaphylococcusAureus。

圖5 原料中細(xì)菌菌群

圖6 沼渣中細(xì)菌菌群

Enterobacter是1種不治病或條件致病菌，在機(jī)體免疫能力低下時(shí)，容易發(fā)生感染。Enterococcus是1種革蘭氏陽(yáng)性菌，其致病能力強(qiáng)。因此，對(duì)這兩種菌的去除顯得很重要。通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，厭氧作用對(duì)這兩種菌具有100%的去除能力，消除了這兩種菌伴隨有機(jī)生活垃圾而對(duì)人、畜的健康威脅。Leena[11]等人通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)厭氧消化可以去除豬糞中Salmonella和Colibacillus等病原菌。原料中大量存在著Weissella，它是一種以葡萄糖為底物產(chǎn)生乳酸的細(xì)菌，能夠參與食品的腐爛變質(zhì)。張嚴(yán)化[12]發(fā)現(xiàn)，在餐廚廢棄物早期儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中，Weissella，Lactobacillus，Streptococcus為主要優(yōu)勢(shì)菌，在米面型餐廚廢棄物和肉菜型餐廚廢棄物中有差別。Salmonella，ShigellaCastellani及StaphylococcusAureus是人畜共患菌，在食品和飼料中污染比較嚴(yán)重，在本4批原料中未測(cè)得這些菌，表明在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)農(nóng)村有機(jī)生活垃圾進(jìn)行收集，雖然是在一個(gè)開(kāi)放的、非嚴(yán)格控菌的條件下，農(nóng)村有機(jī)生活垃圾不會(huì)被Salmonella，ShigellaCastellani及StaphylococcusAureus感染。張嚴(yán)化[12]在研究餐廚廢棄物早期儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中細(xì)菌菌群變化中同樣也未發(fā)現(xiàn)這些菌。

對(duì)沼渣中細(xì)菌菌群進(jìn)行群落結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，主要以發(fā)酵性細(xì)菌為主，Rikenella，Rumin，Lachnospira，Clostridium等均屬于Bacteroidetes和Firmicutes[13]，這些細(xì)菌可以分一系列解大分子物質(zhì)如蛋白質(zhì)、碳水化合物等，將這些有機(jī)物轉(zhuǎn)變?yōu)橐宜帷⒈?、丁酸等揮發(fā)性有機(jī)酸[14]，這與前人所得結(jié)果類似[15-17]。

通過(guò)細(xì)菌菌群結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，原料中主要以Lactobacillus，Weissella等為主，這些菌為兼性厭氧細(xì)菌，他們主要以原料中有機(jī)物為底物，分解產(chǎn)生乳酸；原料進(jìn)入發(fā)酵罐后，發(fā)酵體系為嚴(yán)格厭氧環(huán)境，原料本身攜帶的細(xì)菌不適應(yīng)發(fā)酵罐中環(huán)境，發(fā)酵體系中發(fā)酵性細(xì)菌逐漸取代原料中原有細(xì)菌，直至完全取代。隨著沼氣發(fā)酵過(guò)程的進(jìn)行，原料中原有的細(xì)菌菌群已經(jīng)發(fā)生了變化。

3 結(jié)論

(1)農(nóng)村有機(jī)生活垃圾在TS為8%的時(shí)候進(jìn)行連續(xù)厭氧發(fā)酵，原料粒徑為1 mm時(shí)，發(fā)酵效果優(yōu)于原料粒徑為1 cm。HRT=20 d時(shí)，最佳容積產(chǎn)氣率為2.14 L·L-1d-1，HRT=15 d時(shí)，最佳容積產(chǎn)氣率為2.96 L·L-1d-1。

(2)厭氧發(fā)酵對(duì)農(nóng)村有機(jī)有機(jī)生活垃圾中的Enterobacter和Enterococcus有良好的滅殺效果，證明厭氧發(fā)酵可以去除農(nóng)村有機(jī)生活垃圾中此類病原菌對(duì)環(huán)境的影響。

(3)隨著沼氣發(fā)酵的進(jìn)行，原料中原有的細(xì)菌菌群發(fā)生變化，由原先的Lactobacillus及Weissella轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)酵性細(xì)菌。