乙醇预发酵对餐厨垃圾与酒糟水解酸化和甲烷发酵的影响

宋　娜，汪群慧*，王利红，于　淼，常　强，赵娜娜，吴川福（.北京科技大学环境工程系，北京 00083；.邯郸职业技术学院建工系，河北 邯郸 05600）

乙醇预发酵对餐厨垃圾与酒糟水解酸化和甲烷发酵的影响

宋娜1，汪群慧1*，王利红2，于淼1，常强1，赵娜娜1，吴川福1（1.北京科技大学环境工程系，北京 100083；2.邯郸职业技术学院建工系，河北 邯郸 056001）

为了解决餐厨垃圾与酒糟干式甲烷发酵过程易酸化问题，考察了两种乙醇预发酵方式-餐厨垃圾单独预发酵和餐厨垃圾与酒糟混合预发酵对底物水解酸化和甲烷发酵的影响，并与不进行乙醇预发酵的对照组比较.结果显示，对照组、餐厨垃圾单独预发酵组（简称“FW预发酵组”）、餐厨垃圾与酒糟混合预发酵组（简称“FW+DG预发酵组”）的甲烷总产率分别为22.8，222.4，231.3mL/gVS.乙醇预发酵可以促进发酵底物的水解，预发酵结束后，FW预发酵组发酵底物中的乙醇、总挥发性脂肪酸（TVFA）、乙酸浓度与对照组相比分别提高了4.5、1.4、4.9倍，FW+DG预发酵组则分别提高了7.8、1.6、5.9倍.另外，在甲烷发酵过程中，预发酵组的乙醇浓度显著高于对照组，而乙酸、丙酸和TVFA浓度明显低于对照组，表明乙醇预发酵使有机物更多的转化为乙醇，减少了有机酸的生成，有效缓解甲烷发酵过程中的酸积累、产甲烷受抑制等问题.

酸控方式；乙醇预发酵；餐厨垃圾；酒糟；水解酸化；甲烷发酵

餐厨垃圾有机成分含量高，生物降解性好，产甲烷潜能高，是良好的甲烷发酵底物［1-2］.中国酒文化丰富，酿酒蒸馏后的副产物酒糟产量巨大，种类繁多，含有丰富的有机物，可采用生物法（甲烷发酵、乳酸发酵等）进行资源化利用［3-4］.厌氧发酵回收沼气作为一种有机废物资源化利用途径，因其简单、高效的工艺特点，清洁、环保的技术理念及对节能减排的突出贡献而备受关注［5-6］.

近年来，干式厌氧发酵以其有机负荷高、单位容积产气量高、不需额外添加水分、沼液产量小等优点［7-8］，受到了国内外研究人员的广泛关注.梁越敢等［8］研究了干发酵对稻草结构及沼气产量的影响，干发酵稻草60d实现了278.1mL/gVS的沼气产量.但餐厨垃圾干式厌氧消化时，由于底物易降解，在发酵初期挥发性脂肪酸易积累，体系pH值下降呈酸性，产甲烷菌（适宜pH值为 6.8～7.2）受到严重抑制而停止产气［9-10］.传统的缓解干式发酵体系酸化的方式是向发酵体系中添加碱类物质（CaCO3、Na2CO3、NaHCO3等）使系统pH值维持中性［11-12］，然而这种方式不仅增加了成本，步骤繁琐，需要在线监测与调控，且系统恢复时间较长甚至无法恢复.因此，提出一种从根本上缓解发酵体系酸化、加强体系自身缓冲能力的措施十分必要.

本文比较了餐厨垃圾与酒糟混合预发酵、餐厨垃圾单独预发酵以及原料未预处理的pH值、TVFA、乙醇、乙酸和丙酸浓度等指标，研究乙醇预发酵对发酵底物水解酸化和甲烷发酵的影响及机理.以期找到一种能提高发酵体系自身缓冲能力的有效方式，解决餐厨垃圾干式厌氧消化中经常出现的酸抑制问题，为同领域研究及工程实际应用提供参考.

1　材料与方法

1.1实验材料

厌氧发酵产甲烷的原料：餐厨垃圾取自北京科技大学学生食堂，经简单分拣、绞碎后放入冰箱（-20℃）冷藏备用；酒糟取自北京某白酒厂，研磨后放入冰箱（-20℃）冷藏备用；接种污泥取自肖家河污水处理厂二沉池出泥，本实验室对其进行甲烷发酵的长期驯化.三种原料的主要成分指标见表1.

表1　甲烷发酵的原料组成Table 1　Characteristics of the substrates used in methane fermentation

1.2实验方法

本研究按表2设计了3组不同的干式甲烷发酵实验，以研究不同乙醇预发酵方式防止物料酸化的效果.各发酵组物料添加量为：污泥、餐厨垃圾、酒糟分别为300，40，30g，不加水，混合物料（餐厨垃圾+酒糟+接种污泥）的总固体含量（TS）和挥发性固体含量（VS）均分别为16.21%和11.58%.

表2　不同预发酵方式Table 2　Details of different ethanol pre-treatment methods

乙醇预发酵方法：按照 0.5‰的干重比例向乙醇发酵底物中接种安琪活性干酵母粉（安琪酵母股份有限公司生产）作为产乙醇菌，不断搅拌以使乙醇菌与底物充分接触，乙醇预发酵槽恒温保持在（30±1）℃，缺氧环境，乙醇预发酵时间为24h.

甲烷发酵方法：经过不同乙醇预发酵方式处理的发酵底物，放入 500mL厌氧发酵槽中，添加消化污泥并混合均匀，各发酵组中污泥：餐厨垃圾：酒糟（VS比）均为2.2：1：1.1.向反应器内通入氮气（5min） 以排出残留空气，将各发酵槽放置于THZ-82数显恒温气浴振荡器内，保持发酵温度在（35±1℃）进行甲烷发酵.除 pH调节组外，对照组与乙醇预发酵组均不调解pH值.每3d取1次发酵液，分别测定总挥发性有机酸浓度、有机酸组成、乙醇浓度、pH值等；每天取气体样分析甲烷组成及产气量；发酵前后测TS和VS等指标.甲烷发酵槽底端设置有沼液与沼渣排放口.发酵过程产生的气体通过导气管和集气袋收集.

1.3分析方法

用减重法［13］分析 TS、VS及灰分含量，用pHS-3C型数字式酸度计测定 pH值；用比色法［14］（725N型分光光度计）测定总挥发性脂肪酸（TVFA）；乙醇浓度采用生物传感器分析仪（山东省科学院生物研究所）测定；各有机酸浓度测定采用日本岛津公司高效液相色谱仪 LC-20AT，所用检测器为 SPD（紫外分光检测器）-20A；色谱柱为Inertsil ODS-SP （5μm 4.6×250mm），以超纯水（pH值用磷酸调至2.5～3.0）作为流动相；流速为0.8mL/min；柱温为室温；二极管阵列检验波长为210nm［15］.

沼气中甲烷成分的测定采用岛津 CP 3800气相色谱仪，色谱条件：填充柱为CP-Porabond Q （1.80m×3.20mm，80～100目）；检测器为TCD；载气为氦气；柱温、检测器、进样口的温度分别为50、90、40℃［16］.

2　结果与讨论

2.1乙醇预发酵方式对甲烷产量的影响

图1　乙醇预发酵对甲烷产量的影响Fig.1　Effect of different ethanol pre-treatment methods on methane yield

餐厨垃圾单独预发酵组、餐厨垃圾与酒糟混合预发酵组的原料按1.2所述方式进行乙醇预发酵后，与未经乙醇预发酵的对照组在相同条件下进行甲烷发酵.其产气结果如图1所示.

由图1a可以看出，在甲烷发酵第3d，各发酵组甲烷产量出现不同程度地降低.对照组产甲烷受到严重抑制，7～15d有极少量的甲烷产生，之后直至发酵结束仍未恢复产甲烷；FW预发酵组产甲烷停滞期为3d（第3～5d），后迅速恢复；FW+DG预发酵组产甲烷量有所下降，但下降幅度很小，发酵受抑制现象最不明显.

由图 1b可知，甲烷总产率由大到小的顺序是：FW+DG预发酵＞FW预发酵＞对照组，但两预发酵组相差很小. FW+DG预发酵组产气速率最快，前 11d平均日产甲烷率达 19.90mL/（d·gVS），为对照组和FW预发酵组的14.4、1.5倍.累计甲烷产率达200mL/gVS时，FW+DG预发酵、FW预发酵用时分别为10，18d，说明FW+DG预发酵组产甲烷速率明显大于FW预发酵组.

由以上结果可知：对照组的甲烷菌会受到严重抑制，系统自身很难恢复产甲烷；而经乙醇预发酵的两组系统自身缓冲能力较强，恢复产甲烷的速度较快，产甲烷速率也大大提高.

2.2乙醇预发酵酸控方式对底物水解酸化和甲烷发酵过程的影响

乙醇预发酵之所以能提高甲烷发酵效率，推测可能有以下几个原因：一是酵母菌水解能力较强，扩大了基质利用范围，生成的短链脂肪酸总量提高；二是乙醇预发酵改变了碳源分流，使得一部分碳源转化为乙醇，再由乙醇转化为乙酸，减缓了短链脂肪酸的生成速度，因此缓解了酸抑制现象.

2.2.1乙醇预发酵对水解酸化过程的影响上述实验组无论是否进行乙醇预发酵，其发酵底物从取回到投入甲烷发酵槽之前，都可以看作是水解酸化过程的一部分（甲烷发酵槽内也会发生部分水解酸化过程）.本研究考察了 FW 预发酵和FW+DG预发酵组经乙醇预发酵后混合底物（餐厨垃圾和酒糟）的水解酸化情况，主要分析了乙醇与挥发性脂肪酸（TVFA、乙酸）的浓度，并与对照组比较，其结果如图2所示（3组混合底物乙醇发酵前的乙醇、TVFA、乙酸浓度均分别为 0.1，0.3，0.2g/L）.

由图2a可知，乙醇、TVFA、乙酸浓度由高到低的顺序均为：FW+DG预发酵＞FW预发酵＞对照组，经过乙醇预发酵后，FW预发酵的乙醇、TVFA、乙酸浓度与对照组相比分别提高了4.5、1.4、4.9倍，FW+DG预发酵组则分别提高了7.8、1.6、5.9倍，水解酸化程度显著提高.因酵母菌水解能力较强，扩大了餐厨垃圾和酒糟中可利用有机质范围，加快了有机物降解速率.因此，经过乙醇预发酵的两组乙醇和TVFA浓度大大增加.而FW+DG预发酵组餐厨垃圾和酒糟两种基质均进行乙醇预发酵了，所以该组的乙醇和TVFA浓度最高.

图2　乙醇预发酵后底物的乙醇、乙酸和TVFA浓度Fig.2　Substrates’ ethanol，acetic acid and TVFA concentrations after ethanol pre-fermentation

然而通过之前的研究可知，未处理的餐厨垃圾进入甲烷发酵系统时会迅速水解酸化，TVFA的大量积累是导致发酵系统酸败的主要原因.而乙醇预发酵方式提高了底物的水解酸化速率，却未对甲烷发酵系统产生抑制作用.其原因将从碳源分流被改变的方面解释.

假设底物中的碳源主要被转化为乙醇和TVFA，由表 3可知，预发酵后底物中乙醇/（乙醇+TVFA）由高到低的顺序为：FW+DG预发酵＞FW预发酵＞对照组，乙酸/（乙醇+TVFA）由高到低的顺序： FW预发酵＞FW+DG预发酵＞对照组，而丙酸、丁酸等其他VFA/（乙醇+TVFA）由高到低的顺序为对照＞FW预发酵＞FW+DG预发酵组.经过乙醇预发酵之后，更多的碳源被转化为乙醇和乙酸，而其他挥发性脂肪酸的生成比例与对照组相比则降低69%以上.

表3　不同预发酵方式下的碳源分流情况Table 3　Effect of different ethanol pre-treatment methods on carbon distribution

乙醇预发酵通过微生物的作用将更多的碳源转化为乙醇，FW预发酵、FW+DG预发酵组在预发酵阶段已转化的碳源中分别有40%，50%流向乙醇.乙醇在甲烷发酵过程中可缓慢转化为乙酸，避免了餐厨垃圾直接甲烷发酵时挥发性脂肪酸的大量生成和体系酸化情况.而对照组发酵底物中大部分有机物未被分解，接种污泥后，污泥中的水解酸化细菌将餐厨垃圾迅速水解酸化，由于餐厨垃圾含有较多蛋白质、脂质等，容易产生丙酸、丁酸等，而这些挥发性脂肪酸不能直接被利用，易造成TVFA浓度累积.

此外，甲烷发酵系统中的产甲烷菌包括酸利用产甲烷菌和氢利用产甲烷菌.在一般的厌氧消化系统中，酸利用产甲烷菌占主导，70%的甲烷都是由酸利用产甲烷菌生成的，甚至 Lim等［17］研究显示酸利用产甲烷菌占单相厌氧消化系统中产甲烷菌的 86%.酸利用产甲烷菌只能直接分解乙酸产甲烷，因此，乙酸占 TVFA的比例增大可以提高发酵速率.乙醇预发酵组的乙酸/（乙醇+TVFA）为对照组的2倍以上，而酵母菌与垃圾本身含有的微生物共同作用使有机物更快更多的生成甲烷菌可直接利用的乙酸，这与赵振焕等［18］的研究结果一致.因此，经过乙醇预发酵的物料进入甲烷发酵系统后，由于占TVFA比例较高的乙酸可以被优先利用，挥发性脂肪酸不会积累.

2.2.2乙醇预发酵对甲烷发酵过程的 pH值、TVFA及乙醇浓度的影响pH值和TVFA是厌氧发酵过程中两个重要的监测指标.

对照组、FW预发酵和FW+DG预发酵组分别接种同样活性和同样比例的消化污泥后开始进行甲烷发酵，并在前3d每天取样分析pH值、TVFA和乙醇浓度，因过多抽取试样会导致发酵物料减少，在甲烷发酵第3d以后，每隔3d取一次样，分析其pH值、TVFA及乙醇浓度.其结果如图3所示.

图3　预发酵方式对pH值、TVFA和乙醇浓度的影响Fig.3　Effect of different ethanol pre-treatment methods on pH and concentrations of TVFA and ethanol concentrations

在甲烷发酵第 0d时，混合物料 pH值在6.6～6.8的范围（图3a），而TVFA为2.1～3.3g/L（图3b）.随着甲烷发酵的进行，前 3d pH值显著下降，TVFA持续上升，这与此时甲烷产量下降，甲烷发酵受到抑制的结果相对应（图 1a）.说明在甲烷发酵前期过程中仍然存在酸化阶段，但酸化程度由小到大分别为：FW+DG预发酵＜FW预发酵＜对照组.

甲烷发酵体系酸化又分为可逆性酸化和不可逆性酸化，发生酸化的体系pH值能随着甲烷发酵的进行恢复至中性，为可逆性酸化.本研究在甲烷发酵3d后，两组预发酵组的pH值逐渐上升，到第6d即恢复至6.8以上，此后基本稳定在6.8～7.2范围内，甲烷产量也较高.而对照组的TVFA浓度降低速度和pH值升高速度较慢，直至发酵结束pH值仍未恢复至中性，基本停止产甲烷. TVFA的分析结果表明，两组预发酵组的TVFA浓度在甲烷发酵过程中均比对照组低，这说明，两预发酵组在甲烷发酵前期仅发生了可逆性酸化现象，而对照组则发生的是不可逆性酸化现象.

可逆性酸化可能与系统中的乙醇浓度有关，如图3c所示，甲烷发酵过程中的乙醇浓度由高到底的顺序为：FW+DG预发酵＞FW预发酵＞对照组，FW预发酵、FW+DG预发酵组初始乙醇浓度分别为对照组的6、7倍.结合图2和图3c可知，乙醇不仅在预发酵过程中产生，在甲烷发酵的初期阶段也产生，乙醇预发酵后底物中部分碳水化合物转化为中性的乙醇，这对缓解体系酸化起到重要作用.

此外，对比两预发酵组可以看出，在甲烷发酵初期（第3～9d）FW+DG预发酵组TVFA浓度降低速率比 FW预发酵组快，这与2.1节中所述的 FW+DG预发酵组产甲烷速率更快是一致的.

2.3乙醇预发酵酸控方式提高甲烷产量的机理分析

在厌氧发酵的水解酸化阶段，碳水化合物先水解转化为葡萄糖，葡萄糖经过糖酵解途径（EMP）产生中间产物丙酮酸，而此后丙酮酸经过不同代谢途径转化为不同的产物，包括乙酸、乙醇、丙酸、乳酸、丁酸等（图4）.其中，乙醇、丙酸、乳酸、丁酸等不能直接被产甲烷菌利用，均需先转化为乙酸，而乙醇、丁酸、丙酸转化为乙酸的吉布斯自由能分别是9.6，48，76kJ/mol［19］，说明乙醇更容易转化为乙酸，丙酸更难降解为乙酸.此外，乙醇为中性，其大量存在也不会造成体系 pH值下降.因此，促进丙酮酸更多的向乙酸及乙醇方向转化对提高厌氧发酵产甲烷效率及防止体系酸化具有重要意义.

图4　碳水化合物的降解途径Fig.4　The metabolic pathways of carbohydrate

由图5a，5b结合图3可看出，3组发酵试验中乙酸与丙酸浓度的总体变化趋势与TVFA大致相同，都是先急剧增大后逐渐降低，但经过乙醇预发酵的两组乙酸、丙酸浓度增幅明显低于对照组，且对照组乙酸与丙酸浓度在任一阶段都远远高于其它两实验组.有文献报道显示厌氧发酵体系的丙酸浓度大于 0.9g/L时会对产甲烷菌产生抑制作用［20］，本实验研究结果也表明：未预处理的对照组丙酸浓度远远高于预处理组的，且丙酸浓度高于 0.9g/L的持续时间由短到长分别为：FW+DG预发酵（1d）＜FW预发酵（5d）＜对照组（14d）.FW+DG 预发酵组高于0.9g/L持续时间最短，此期间产甲烷有所下降但未停止.

由图5c还可知，PC/AC由大到小的顺序为：对照＞FW预发酵＞FW+DG预发酵组.其顺序与产甲烷量由高到低的顺序相反.丙酸/乙酸是厌氧发酵一个敏感的指标.王利红等［21］提出甲烷发酵过程中，丙酸/乙酸比值超过0.08系统开始出现抑制现象，高于0.10则会对甲烷菌产生50%的抑制.本研究对照组的PC/AC在整个发酵过程中一直大于0.10，产甲烷菌一直受到抑制.而两预发酵组的PC/AC随着发酵的进行呈现下降的趋势，系统比较稳定地产甲烷.

综上所述，有机物转化为乙醇对厌氧发酵的积极作用有两方面：一是部分有机物转化为乙醇后，生成的有机酸必然减少，而乙醇pH为中性，对维持发酵系统pH稳定、保持产甲烷菌活性有重要意义；二是与乳酸、丙酸、丁酸相比，乙醇较容易转化为产甲烷菌能直接利用的乙酸，从而提高了产甲烷速度和产量.餐厨垃圾与酒糟混合预发酵24h是一种操作简单、经济合理的厌氧发酵生物预处理方式.该种方式酸积累现象不明显，产甲烷抑制期最短，累积甲烷产量最高.

图5　预发酵方式对乙酸、丙酸和丙酸/乙酸的影响Fig.5　Time series of acetic acid （AC），propanoic acid （PC）concentrations and PC/AC during co-digestion of food waste and distillers’ grains with different pre-treatment methods

3　结论

3.1对照组、FW预发酵组、FW+DG预发酵组发酵33d后的累计甲烷产率分别为22.8，222.4，231.3mL/gVS.说明乙醇预发酵在促进产甲烷方面具有明显效果.

3.2乙醇预发酵可以促进发酵物料的水解，其水解产物中乙醇及 TVFA、乙酸浓度比对照组高.FW预发酵的乙醇、TVFA、乙酸浓度与对照组相比分别提高了4.5、1.4、4.9倍，FW+DG预发酵组则分别提高了7.8，1.6，5.9倍.对照组、FW预发酵、FW+DG预发酵组的乙酸/（TVFA+乙醇（浓度之比））分别为0.15、0.39、0.34，乙醇/（TVFA+乙醇（浓度之比））分别为0.17、0.40、0.50.经过乙醇预发酵之后，更多的碳源被转化为乙醇和乙酸.

3.3经乙醇预发酵的后续甲烷发酵过程中乙醇含量仍高于对照组，这是因为带有大量乙醇生成菌的物料进入甲烷发酵系统，会在甲烷发酵初期短时间维持乙醇发酵优势，保持中性物质-乙醇的浓度，使甲烷发酵系统不容易酸化.而预发酵组的乙酸、丙酸和TVFA等浓度明显低于对照组，说明乙醇预发酵使糖代谢途径向乙醇生成途径转化，减少了丙酸等有机酸的生成，有效缓解发酵过程中的酸积累、产甲烷受抑制问题.

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Effect of ethanol pre-treatment on hydrolytic acidification and methane fermentation of food waste and distillers’

grains. SONG Na1，WANG Qun-hui1*，WANG Li-hong2，YU Miao1，CHANG Qiang1，ZHAO Na-na1，WU Chuan-fu1，（1.Department of Environmental Engineering，Beijing University of Science and Technology，Beijing 100083，China； 2.Department of Architectural Engineering，Handan Polytechnic College，Handan 056001，China）.

China Environmental Science，2015，35（7）：2095～2102

To prevent the anaerobic co-digestion of food waste （FW） and distillers’ grains （DG） system from acidification，the performance of anaerobic digestion of FW and DG with different ethanol pre-treatment （EP） methods （i.e.，FW EP and FW+DG co-EP） was evaluated. The results showed that the cumulative methane yield of control （i.e.，without EP），FW EP and FW+DG co-EP groups were 22.8，222.4，231.3mL/g-VS，respectively. The ethanol，TVFA and acetic acid content of the hydrolysates in FW EP group were 4.5，1.4 and 4.9 times higher than those in the control group，while 7.8，1.6，5.9 times higher in FW+DG co-EP group. It indicated that EP could promote the hydrolysis extent and methane yield of the substrates. Moreover，the ethanol content of the EP groups were markedly higher than that in the control group，but acetic acid，propionic acid and TVFA content were remarkably lower than those in the control group. The results suggested that organic matter of the substrates tends to convert into ethanol，instead of VFAs，in EP scenario. Thus，EP is an effective way to prevent the accumulation of organic acids in anaerobic digestion systems.

acidification control method；ethanol pre-treatment；food waste；distillers’ grains；hydrolytic acidification；methane fermentation

X705

A

1000-6923（2015）07-2095-08

2014-12-28

国家自然科学基金（51278050）；国家科技支撑计划项目（2014BAC24B01）

* 责任作者，教授，wangqh59@sina.com

宋娜（1990-）女，山东滨州人，北京科技大学水与环境工程学院硕士研究生.主要从事餐厨垃圾资源化利用方面的研究.