添加混合培养的产甲烷古菌对食物垃圾厌氧降解的影响

《Heliyon》：The effect of adding mixed cultures methanogenic archaebacteria on anaerobic degradation of food waste

　　厌氧消化过程中混合甲烷古菌（MCM）接种对印尼食品废物降解及产气效率的影响研究。通过添加10%-50% MCM并每10或15天补充一次，发现MCM接种显著加速水解、酸化及产甲阶段，使生物气产量最高达对照组的7倍（248.53 mL/g VS/day）。pH值调控（6-7.5）和微生物群落（Methanosaeta、Methanobrevibacter）变化是关键因素，其中蔬菜占比75%的基质促使氢能型甲烷菌增殖，促进高效产气。

　　在当今全球面临日益严峻的环境问题和资源浪费挑战的背景下，食品废弃物的处理已成为一个备受关注的议题。特别是在印尼，食品废弃物占固体废弃物中最大比例，其处理方式不仅影响环境质量，还与温室气体排放、能源利用效率及资源回收密切相关。食品废弃物的组成复杂，通常包含高水分含量、低热值以及多种有机成分，这使得其处理难度相对较高。因此，探索高效、可持续的食品废弃物处理技术显得尤为重要。本研究聚焦于利用厌氧消化（AD）技术，通过添加混合甲烷生成菌（MCM）作为接种物，评估其对食品废弃物降解过程及沼气产量的影响。

食品废弃物的处理不仅仅是解决垃圾问题，更是实现资源循环利用和减少环境影响的重要手段。厌氧消化作为一种生物处理技术，能够在无氧条件下将有机废弃物转化为沼气、消化残渣及渗滤液。沼气作为一种可再生能源，其生产不仅有助于减少对化石燃料的依赖，还能有效降低温室气体排放，尤其是甲烷（CH?）的排放。然而，食品废弃物的厌氧降解过程受到多种因素的影响，包括pH值、温度、碳氮比（C/N）、总固体含量及初始底物浓度等。这些因素的调控对于提高沼气产量和降解效率至关重要。

在印尼，由于食品废弃物的来源广泛，且其处理方式多依赖于填埋，因此，食品废弃物的处理效率往往较低。填埋不仅占用了大量土地资源，还可能导致土壤污染、地下水污染以及甲烷气体的无控排放。为了改善这一现状，本研究尝试引入来自乳制品工业废水处理厂的混合甲烷生成菌作为接种物，以加速食品废弃物的厌氧降解过程并提高沼气产量。研究发现，接种物的添加显著提高了沼气的产量，其中最高产量达到了248.53 mL/g VS添加/天，是对照组的7倍。这一结果表明，混合甲烷生成菌在食品废弃物处理中具有巨大的潜力。

沼气产量的提升不仅依赖于接种物的种类和数量，还受到接种频率的影响。研究中，接种物以10%、30%、50%的比例添加，并且接种频率设定为每10天或每15天一次。结果表明，随着接种物添加比例的增加，沼气产量呈现上升趋势。此外，接种频率的增加也对沼气产量产生了积极影响。这表明，适当的接种物添加策略能够有效提高厌氧消化的效率，从而为食品废弃物的资源化利用提供新的思路。

在厌氧消化过程中，pH值是一个关键参数，它直接影响微生物的活性和代谢过程。理想的pH范围通常在6.8至7.2之间，而低于这一范围则可能抑制微生物的生长，从而影响沼气的产量。本研究发现，添加混合甲烷生成菌的反应器在第10天后pH值开始上升，并逐渐稳定在7至7.5之间。相比之下，对照组反应器的pH值始终低于7，表明其仍处于酸化和乙酸化阶段，未能有效进入甲烷生成阶段。这一现象进一步说明了接种物在调节反应器内部环境、促进微生物群落的多样性以及提高降解效率方面的重要作用。

此外，研究还发现，食品废弃物的组成对其降解过程和沼气产量具有显著影响。食品废弃物中，蔬菜占比最高，达到75%，这使得其在厌氧消化过程中表现出较高的氢气产量，进而促进了氢营养型甲烷生成菌的生长。氢营养型甲烷生成菌在厌氧消化系统中扮演着重要角色，它们能够利用氢气和二氧化碳作为碳源，生成甲烷。这种微生物群落的转变表明，食品废弃物的成分不仅影响底物的降解过程，还可能改变厌氧消化系统的功能和效率。

在实验过程中，研究团队采用了实验室规模的厌氧反应器，通过不同的接种物添加比例和频率，系统地评估了其对沼气产量和降解速率的影响。实验结果显示，添加50%接种物每10天一次的反应器（MW51）表现出最佳的沼气产量和降解效率。这一结果不仅验证了接种物对厌氧消化过程的促进作用，还为实际应用提供了科学依据。例如，印尼的一些垃圾填埋场已经开始尝试使用类似的接种物来加速垃圾降解，减少垃圾堆积量，提高资源回收率。

然而，食品废弃物的处理仍面临诸多挑战。首先，食品废弃物的成分复杂，不同来源的食品废弃物（如餐馆和市场）具有不同的有机组成，这可能影响厌氧消化的效率。其次，印尼的食品废弃物处理系统尚未完善，垃圾分离和分类工作开展不足，导致处理过程中可能混入其他非有机成分，从而影响沼气的产量和质量。此外，厌氧消化过程需要稳定的环境条件，如适宜的温度、pH值和营养成分，这些条件的调控对于实现高效的废弃物处理至关重要。

尽管如此，本研究的结果仍为食品废弃物的处理提供了新的方向。通过添加来自乳制品工业废水处理厂的混合甲烷生成菌，不仅可以提高沼气的产量，还能加速废弃物的降解过程，减少垃圾堆积。同时，这一方法还具有较高的可行性，因为乳制品工业废水处理厂本身就是一个潜在的接种物来源，且其处理过程已经具备一定的技术基础和操作经验。因此，将乳制品工业废水处理厂的混合甲烷生成菌应用于食品废弃物处理，可能是一个经济、高效且环保的解决方案。

在实际应用中，还需进一步考虑接种物的来源、处理成本以及对环境的影响。例如，乳制品工业废水处理厂的混合甲烷生成菌是否会对周围环境造成二次污染，以及其在大规模应用中的稳定性如何。此外，还需对不同类型的食品废弃物进行适应性测试，以确定最佳的接种物添加比例和频率。这些因素的优化将有助于提高厌氧消化的效率，同时确保整个处理过程的可持续性和环保性。

综上所述，食品废弃物的处理不仅关系到环境保护，还涉及资源的高效利用和可再生能源的开发。通过引入混合甲烷生成菌作为接种物，可以有效提高厌氧消化的效率，促进甲烷的生成，并减少废弃物的堆积。这一研究为印尼乃至其他发展中国家的食品废弃物处理提供了新的思路和方法，同时也为实现可持续发展目标提供了科学支持。未来，随着技术的不断进步和政策的逐步完善，食品废弃物的处理将朝着更加高效、环保和可持续的方向发展。