梁文华，王瑞达，刘 敬，吴 健，方 楠，程辉彩，边红杰

(1.河北省科学院生物研究所，河北 石家庄 050081；2.河北科技大学 生物科学与工程学院，河北 石家庄 050018；3.北方工程设计研究院有限公司，河北 石家庄 050011)

抗生素生产过程中会产生大量的抗生素菌渣，我国抗生素年产量已多达24.8万t[1]，位居世界第一。抗生素产出的抗生素菌渣比率为1∶(8～10)。抗生素菌渣含水量大、杂质含量高，常温堆积极易腐败变质，进一步渗透土壤污染地下水，引发诸多环境问题。抗生素菌渣得到高效、无害化处理是当今社会面临亟待解决的问题，处理抗生素菌渣应本着环境友好、高效低能耗、可持续和经济可行的原则，最大限度降低菌渣的堆积和污染问题。贾晓凤[2]厌采用氧发酵处理庆大霉素菌，发现与林可霉素菌渣联合发酵的效果优于单一菌渣发酵的效果，原料之间表现出明显的协同作用。曹盼[3]通过好氧堆肥的方式对壮观链霉素菌渣进行处理，发现最终菌渣中的抗生素残留具有良好的去除效果。田宝阔[4]对链霉素菌渣进行碱热预处理提高了菌渣厌氧发酵的可生化性和产甲烷效率。同时近年来有关对链霉素废水处理[5]工艺以及生物抗性[6-8]研究报道中也取得一定成效。

酱油渣是酱油生产过程中产生的副产品，2016年我国酱油产量多大1000万吨[9-10]，且市场需求逐年增长，据报道酱油与酱油渣的产出比为1∶0.67[11]，因此酱油渣的年产量也相当大，有巨大的利用空间。两种原料取料均来自石家庄，既可以在成分上互补，又降低了处理过程中因运输不便造成的处理风险和成本。抗生素菌渣通过厌氧发酵的方式处置技术上具有可行性，而且为了提高链霉素菌渣厌氧发酵效率，本研究以链霉素菌渣和酱油渣为发酵原料，进行混合发酵，监测试验过程中发酵液成分含量以及产气特性的变化，确定菌渣和酱油渣混合发酵的最适浓度范围，进而为抗生素菌渣及酱油渣等有机固废高效资源化利用提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

链霉素菌渣取自石家庄华胜制药，酱油渣来源于石家庄珍极酱油厂。污泥取自石家庄市桥西污水处理厂，经过菌渣和酱油渣驯化不产气后作为接种物。原料与污泥的理化性质详见表1。

表1 链霉素菌渣混合厌氧发酵各组分的理化性质 (%)

1.2 试验方法

发酵装置为3 L批式玻璃发酵罐，有效体积为2.5 L，如图1所示。试验设6个处理，分别为CK1，R1，R2，R3，R4，CK2，各处理组的原料(链霉素菌渣+酱油渣)有机负荷(gVS·L-1)分别为20+0，20+5，20+10，20+15，20+20，0+20，两种底物的具体添加量如表2所示。将原料及种子液800 mL分别加入对应发酵罐，用清水将各个处理组补充至有效体积2.5 L。30℃±1℃，定期取样并测定气体产量、不同成分含量及发酵液理化性质。

图1 链霉素菌渣混合厌氧发酵装置

表2 链霉素菌渣混合厌氧发酵原料添加量 (gVS)

测定方法：沼气体积和组分含量采用湿式流量计和Biogass5000沼气分析仪测定；料液的氧化还原电位，pH采用玻璃电极法测定；VFA测定采用Nordmann联合滴定[12]；氨氮，SCOD测定采用5B-3C(V8)型分光光度计分别执行HJ/T399-2007标准和纳氏比色法[13]。

协同指数计算：其中理论产气量B基于公式(1)计算得出的[14]；X1～X2为原料单独发酵时的底物浓度，对应A1～A2代表从第1～2个消化底物的累积产气量；X1'～X2'是共消化中第1～2个底物的VS分数，A'代表共消化的累积产气量。如果产气量的实际理论差值C大于累积产气量的SD(标准偏差)，则可以确认具有协同作用[15]。协同效应指数E通过公式(2)计算得出[16]。

(1)

(2)

2 结果与分析

2.1 混合厌氧发酵过程中氧化还原电位变化

链霉素菌渣混合厌氧发酵的氧化还原电位变化如图2所示，CK2与混合处理组的氧化还原电位变化在初期阶段0～6 d降低趋势明显，CK2在反应第2 天降低至最低-350 mV，下降幅度相比其它组的变化速率更快。不同处理组的氧化还原电位在6～32 d处于稳定阶段，均维持在-300 mV附近。后期CK1，R1的氧化还原电位略有升高，其余变化不显著。在厌氧环境下，原料在微生物的降解作用下释放、积累还原性分子，初期体系中的发酵刚刚启动，还原性物质消耗、利用率较低导致发酵液中氧化还原电位的快速降低。链霉素菌渣与酱油渣混合发酵时，反应体系氧化还原电位的变化主要受链霉素菌渣有机负荷的影响，酱油渣比例的增加对初期氧化还原电位的降低速率和最低值的影响较小。随着反应的进行各组的氧化还原电位逐渐趋于平稳，不同原料配比组平衡的氧化还原电位水平仍表现出较高的一致性。

图2 链霉素菌渣酱油渣混合厌氧发酵氧化还原电位的变化

2.2 混合厌氧发酵过程中pH值变化

pH值是厌氧发酵过程中重要的监测参数，保持反应体系pH值的适宜对产甲烷微生物代谢繁殖有积极作用。CK1，R1～R4在0～29 d的pH值先降低后上升，最低值均出现在发酵第2天，依次为6.23，6.15，6.03，5.87，5.81，pH值的高低呈现出随酱油渣添加量的增加而降低；反应进行到第15 天组间pH值差距减小，后期处理组的pH值均保持在7.0左右。链霉素菌渣厌氧发酵过程中通过增加酱油渣的添加量对前期发酵液的pH值有一定降低作用，随着反应的进行，这一降低影响会逐渐减小。CK2的pH值经历了类似的变化，初期经过短暂的降低，最低值出现在第8 天的5.4，25 d后pH值水平波动较小维持在6.5附近，CK2在处理组间的pH值对比在第6 天之后始终处在最低水平。菌渣中的C/N比酱油渣的更低，故酱油渣相比链霉素菌渣单独厌氧发酵的更容易产生有机酸积累，因此酱油渣发酵初期的酸化进度会更快，后期pH值的恢复至6.5左右，未对体系产生酸化影响。

图3 链霉素菌渣酱油渣混合厌氧发酵pH值的变化

2.3 混合厌氧发酵过程中VFA含量变化

如图4所示，各个处理组的VFA含量变化趋势一致，0～6 d呈上升趋势，6 d VFA含量达峰值，pH值达最低值。CK2的最低值小于CK1，这可能是由于原料性质不同导致分解产物的种类浓度存在差别，溶液中酸碱缓冲能力表现出差异化，因此两者同期的VFA浓度相似，pH值水平却不同。前期挥发酸含量升高归因于反应底物的水解酸化，加速了原料中蛋白质、纤维类、脂类的降解，VFA产生速率随着微生物生长繁殖的加快而加快；混合发酵处理的VFA含量的高低随体系中的有机负荷的升高而升高，当菌渣含固率一定时，通过添加一定量的酱油渣可提高体系中VFA的产生速率和浓度，这跟有机负荷的提高、有机物含量增高有一定关系。随着产甲烷代谢速率加快以及底物的进一步消耗，各处理组VFA含量达到峰值后维持一段时间后开始降低，32 d后各处理组的VFA水平维持在200 mg·L-1附近。这在一定程度上反映了酱油渣的添加增加了体系中的VFA含量的升高，而未对最终的挥发酸浓度产生影响。

图4 链霉素菌渣酱油渣混合厌氧发酵VFA含量的变化

比较不同处理组VFA含量变化，CK1和CK2的VFA浓度整体偏低，分析其原因是由于该两个处理总有机负荷较低，为20 gVS·L-1，其他几个处理由于是两种原料混合发酵，有机负荷显著高于两个对照。其中CK2第6 天的pH值降至5.5，VFA含量不高是由CK2反应体系原料的组分特性不同所导致，即酱油渣是由高粱壳、谷类等发酵剩余物组成，木质素和纤维素类成分较多，短期内可分解的有机物含量显著低于其他处理，如同时期CK2的SCOD值显著低于其他处理组，因而酸化阶段的VFA产出速率也受到限制，导致其整体浓度较低。

2.4 混合厌氧发酵氨氮和SCOD含量变化

在厌氧发酵过程中，底物中蛋白质、氨基酸等分解过程中会产生氨氮，作为一种代谢副产物随着系统的代谢反应维持动态平衡。氨氮含量较高时不利与厌氧反应的进行，甚至导致发酵失败。如图5所示，CK2的氨氮含量维持在200～300 mg·L-1左右，发酵过程中未出现较大波动。CK1，R1～R4的氨氮水平随着反应的进行不断升高，由初始的200 mg·L-1逐渐增加到500 mg·L-1左右，各个处理组氨氮浓度变化一致，氨氮浓度始终比较低，没有对厌氧发酵产生抑制作用。

图5 链霉素菌渣酱油渣混合厌氧发酵氨氮含量的变化

如图6所示，混合发酵过程中SCOD含量变化趋势基本相同，在反应初期有所降低，随后第4～22天混合处理组R1～R4的SCOD浓度随着时间的推移波动均较小，组间水平体现为随含固率的升高而增加，整体水平处于1500～2700 mg·L-1的范围内；混合处理组的SCOD高于对照组CK1且明显高于对照组CK2，即相同的有机负荷发酵条件下，菌渣前期反应过程中的SCOD水平会高于酱油渣处理，而体系中链霉素菌渣的含固率一定时，发酵液中的SCOD浓度会随着酱油渣添加量的增加而明显升高。CK1，R1～R4的SCOD含量在中后期均逐渐降低，由2000 mg·L-1下降至1000 mg·L-1左右。CK2在发酵进行到第4 天后的SCOD水平无明显的升高和降低，同等有机负荷发酵的链霉素菌渣发酵相对酱油渣处理前1/2周期的SCOD水平较高，中后期的逐渐趋于一致。

图6 链霉素菌渣酱油渣混合厌氧发酵SCOD含量的变化

2.5 混合厌氧发酵过程产气情况和底物间协同作用

2.5.1 混合厌氧发酵过程中CH4和H2S含量的变化

如图7所示，厌氧发酵首次测得气体中的甲烷含量均低于20%，在4～15 d为甲烷含量上升期，其中R1，R2，R3的CH4含量均在第15天时甲烷含量高于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%。各处理甲烷含量达到60%左右后稳定一段时间，然后呈下降趋势，降低幅度相对较小。不同处理组的甲烷含量变化趋势一致，CK1的甲烷含量显著低于其它处理组。反应体系中的甲烷含量与发酵液中甲烷菌的数量和活性密切相关，反应初期体系中的甲烷菌数量和活性均处于较低的水平，厌氧微生物对底物利用过程中甲烷的产生效率逐渐加快，甲烷含量随着产沼气速率加快而增加。后期甲烷含量呈降低趋势可能是可利用底物含量降低影响了甲烷菌活性，进而对体系中甲烷含量产生一定影响。

图7 混合厌氧发酵过程中CH4含量变化

H2S是硫酸盐还原菌(SRB)在厌氧发酵反应中对底物利用时产生的，如图8所示，反应初期体系中H2S含量均出现一定程度上升，其中R2，R3和R1，R4在第8天的H2S含量显著升高，依次为800 ppm，400 ppm左右，对照组CK1，CK2在反应过程中H2S含量始终低于200 ppm。反应进行到第22天，对照组和混合组的H2S含量均低至200 ppm，组间水平的差距明显缩小；32～36 d各组的H2S含量出现下降，而在36 d后各组的H2S浓度几乎趋于一致，在100 ppm左右。从H2S含量的前后对比发现，链霉素菌渣添加不同比例酱油渣进行厌氧发酵，对前期H2S的含量有较明显的影响，菌渣+酱油渣20+10 gVS和20+15 gVS时H2S含量较高；通过对比前1/2周期的产气速率变化如图8所示，发现在此原料比例条件下的日产气量变化处于较高的水平，这种现象出现的原因可能是由于菌渣和酱油渣两种原料的混合提高了单一基质的利用效率，SRB与甲烷菌所适应的底物环境类似，处理组R2，R3与处理组R1，R4以及CK1，CK2在反应初期的产气速率和H2S浓度变化相一致。

图8 混合厌氧发酵过程中H2S含量变化

2.5.2 混合厌氧发酵过程中沼气日产气量和累积产气量

不同处理组的日产气量和累积产气量变化如图9和图10所示，混合处理组均在反应的第2 天产沼气，产气速率高于对照组CK1，CK2，可见酱油渣的添加降低混合体系的产气延滞期，同时对起始阶段产沼气速率的快速提高起到积极意义。第8 天达到首个最大产气速率，均处于0.55 L以上，最高为R3的0.77 L·d-1，可以看出酱油渣和链霉素菌渣混合发酵可提高早期阶段的产沼气速率和产气量，菌渣+酱油渣为20+15时的处理效果最好。混合处理组18～29 d是第2个产气峰值集中出现的时间，在各个处理日产气量变化趋势对比中发现：R1～R4的最大日产气量差别较少，R2，R3的产气高速期更长，混合组产气量明显高于CK1，CK2。发酵进行到第29 天，R1～R4的产气速率开始出现明显下降，出现的时间拐点和降低斜率几乎一致，此时体系中的可利用的有机质越来越少，产气速率越来越低。R1～R4的累积产气量依次16.96 L，21.38 L，22.96 L，16.78 L，产气能力分别产气能力分别271.36 mL·g-1VS，285.07 mL·g-1VS，262.4 mL·g-1VS，167.8 mL·g-1VS，其中R2，R3的累积产气量均超过20 L，混合组R1，R2，R3的基质产气能力相比对照处理均有提高作用。本着提高反应系统中有机质有机负荷的处理原则，可将R3即菌渣+酱油渣20+15设置为厌氧发酵最适处理条件。

图9 混合厌氧发酵过程中日产气量变化

图10 混合厌氧发酵过程中累积产气量变化

2.5.3 混合厌氧发酵过程中底物间的协同作用

将实验数据代入协同指数计算方程，根据表3可知，处理R1～R3基质产沼气具有较好的协同效果。链霉素菌渣+酱油渣有机负荷在20+5，20+10，20+15 gVS时的协同指数分别为26.35%，33.95%，23.75%。3种混合比例的协同指数均大于20%，其中处理组R2的协同效果最好，协同指数达33.95%。说明链霉素菌渣与酱油渣混合厌氧发酵，含固率在20+5～20+15 gVS·L-1时对底物共消化有协同作用，可在此浓度范围内进一步设计混合厌氧发酵试验，优化混合发酵条件。

表3 链霉素菌渣混合发酵产沼气底物协同指数计算表

3 结论

链霉素菌渣与酱油渣中温(30℃)混合厌氧发酵，可以明显缩短发酵启动时间，提高各单一原料发酵效率。链霉素菌渣与酱油渣混合发酵有显著的协同作用，当链霉素菌渣+酱油渣添加量为20+15 gVS·L-1时，原料的产气率达285.07 mL·g-1VS，相比菌渣对照组提高30.52%，协同指数最高为33.95%。该试验为链霉素菌渣的高效降解、多种固体废弃物同时处理提供理论依据。