头孢菌素菌渣中温厌氧资源化处理

王 慧, 习彦花, 崔冠慧, 张丽萍, 邢清朝, 程辉彩, 王宏伟

(1.河北大学 生命科学学院， 河北 保定 071002；2.河北省科学院生物研究所， 石家庄 050081)



头孢菌素菌渣中温厌氧资源化处理

王 慧1,2, 习彦花2, 崔冠慧2, 张丽萍2, 邢清朝1,2, 程辉彩2, 王宏伟1

(1.河北大学 生命科学学院， 河北 保定 071002；2.河北省科学院生物研究所， 石家庄 050081)

文章以头孢菌素C菌渣为研究对象，在对其基本理化特性分析的基础上，通过检测厌氧发酵液中氨氮含量、产气量、pH值、抗生素残留等指标，评价中温(37℃±1℃)条件下不同料液浓度头孢菌素菌渣的可生化性及无害化问题，为头孢菌素菌渣的有效处置提供技术支持。结果表明，TS≥3.0%时，系统中VFA含量过高，pH值过低，发生酸抑制现象，发酵没有启动成功。TS为1.5%～2.5%时，随着有机负荷增大，沼气累积产气量增加，甲烷含量与常规原料相一致。当TS为 2.0%，菌渣VS去除率为48.0%，产率达319.8 mL·g-1TS；当TS为2.5%，菌渣VS去除率为42.4%，产率达263.1 mL·g-1TS;发酵后沼渣中没有检测到抗生素残留，说明通过中温厌氧消化处理的方法无害化、能源化处理抗生素菌渣是完全可行的。

头孢菌素菌渣；厌氧消化；料液浓度；产甲烷潜能

目前我国已成为世界最大的抗生素原料药生产与出口大国[1]，河北省是我国生产抗生素最大的基地之一，其中主要的发酵类抗生素产品头孢菌素的产量占全国总产量的29.2%，其菌渣年产14.2万吨左右[2]。菌渣中残留的培养基、抗生素母体化合物及其降解物对生态环境和人类健康存在着潜在的危害性，成为抗生素制药行业环境管理的重点[3-6]。2008年国家将抗生素菌渣列为危废，禁止在饲料和肥料中添加，根据《制药工业污染防治技术政策要求》，抗生素菌渣必须焚烧或安全填埋[7-9]。鉴于省内头孢菌素菌渣产量大，填埋限制于土地的管理制度，焚烧处置方式成本过高、处置能力不足等造成资源浪费，如何实现头孢菌素菌渣合理有效利用与安全处置是河北省乃至全国制药工业亟待解决的难题[10-12]。

厌氧消化适合处理有机质含量高的底物，抗生素菌渣含蛋白质、几丁质、纤维素等丰富的有机质，是解决大量抗生素菌渣合理处置问题的有效途径之一。大量研究表明，厌氧消化过程中，可缩短多种抗生素药效半衰期，发酵末期，抗生素部分或全部被降解[13-15]。

笔者针对河北省头孢菌素菌渣产量大、处理难等现实问题，在对其基本理化特性分析的基础上，通过生物化学产甲烷潜能实验(BMP)评价其可生化性和无害化处理技术，探讨不同料液浓度与发酵系统各指标之间的关系,确定最佳消化条件，为头孢菌素菌渣的无害化、资源化处理提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

发酵原料：头孢菌素C菌渣，取自河北某制药厂，黄褐色半固体；

接种污泥：取自正常运行稳定的厌氧发酵罐，其性质见表1。

表1 头孢菌素菌渣与接种污泥性质 (%)

1.2 试验装置与方法

采用批式厌氧消化工艺，试验装置采用带丁基胶塞的250 mL厌氧发酵瓶，有效发酵体积为150 mL。

称取适量发酵原料放入发酵装置，接种物接种量25%(V∶V)，加热控制恒温(37℃±1℃)进行厌氧发酵。共设5个处理组和1个对照组，各8个平行，初始pH值7.0～7.5(生石灰调节)。试验设计如表2所示。

表2 试验设计

1.3 试验分析方法

(1)总固体(TS)，挥发性固体(VS)：烘箱-马弗炉称重法测定[16]。

(2)pH值：采用玻璃电极法(METTLER TOLEDO，FE20-K，±0.01)测定。

(3)总碳(TC)和总氮(TN)：采用CHNOS有机元素分析仪测定(Vario EL CuBE，德国，±0.01%)。

(4)氨氮浓度：采用水杨酸—次氯酸盐分光光度法[17]。

(5)碳酸氢盐碱度(TIC)和挥发性有机酸(VFAs)：采用滴定法[18]。

(6)甲烷含量：采用气相色谱仪分析测定[19]。

(7)产气量：采用排水集气法测定，每天定时记录产气量。

(8)抗生素残留：管碟法测效价[20]。

2 试验结果与分析

2.1 沼气日产气量及累积产量分析

不同浓度头孢菌素菌渣试验共进行了60 d。图1和图2分别反映了不同处理厌氧发酵沼气日产气量和累积产气量。从图1可以看出发酵第2 d，5个不同浓度的发酵液日产气量均迅速升高，日产气量3.5% TS>3.0% TS>2.5% TS>2.0% TS>1.5% TS。随后，TS为3.0%和3.5%的2个处理的发酵液日产气量迅速降低，TS 为1.5%，2.0%和2.5%的3个处理的发酵液分别在14 d，24 d，28 d日产气量达最大值。主要原因是发酵初期，产甲烷菌利用发酵液中小分子有机物产气，第2 d产气量迅速升高，系统中有机负荷越高，可利用的小分子物质越多，产气量越大，所以TS为3.5%的发酵液第2 d的产气量最大。第2 d之后，随着厌氧微生物的生长，有机物被分解成小分子物质，最终被产甲烷菌分解产甲烷。

由图2可知，5个不同浓度的发酵液中，TS为2.0%的发酵液沼气产气量增长速度最快，TS为2.5%与TS为2.0%的发酵液相比，沼气累积产气量差异不显著，但增长速度较慢。TS为3.0%和3.5%的2个处理的发酵液在发酵第9 d日产气量极少，说明2个浓度的发酵液厌氧发酵反应没有启动成功,因此，后面结果中不再分析TS为3.0%和3.5%这两个处理的发酵液。在37℃±1℃条件下，3个不同浓度的发酵液的总产气量表现为：2.5% TS>2.0% TS>1.5% TS，产气量分别为1254.5 mL，1227.5 mL，744.3 mL。3个不同浓度的发酵液产气率表现为：2.0% TS>2.5% TS>1.5% TS，产气率分别为319.8 mL·g-1TS，263.1 mL·g-1TS，211.6 mL·g-1TS。对比不同浓度的发酵液总产气量和产气率发现，TS在2.0%～2.5%之间，发酵液总产气量和产气率最高。

图1 不同浓度头孢菌素菌渣的沼气日产气量

图2 不同浓度头孢菌素菌渣的沼气累积产气量

批式厌氧消化产生的累积产气量达到80%累积产气量所需要的时间为消化时间[21]，标记为T80。结合表3，图1和图2可知，TS为2.0%和2.5%的2个处理的发酵液产气量最高，达到T80的时间比TS为1.5%的发酵液T80的时间推后了10 d和20 d，推后进入甲烷化阶段，其厌氧消化时间也相应延长。

表3 不同浓度头孢菌素菌渣消化时间 (d)

2.2 沼气中甲烷含量分析

不同浓度的头孢菌素菌渣在不同发酵阶段的甲烷含量如图3所示。TS为1.5%，2.0%和2.5%这3个处理组的发酵液，第0～9 d，甲烷含量都有一个较大幅度的上升阶段，达到一定值后进入平稳期。其中，TS为2.0%的发酵液产甲烷含量最高，最大值为68%，TS为2.5%的发酵液产甲烷含量较高，最大值为65%，这2个处理中甲烷含量平稳期持续的时间长，反应后期甲烷含量下降幅度小，甲烷含量维持在55%～65%之间，与秸秆、畜禽粪便等常规原料厌氧发酵产甲烷含量相一致[22-24]。

图3 甲烷含量变化曲线

2.3 不同料液浓度的发酵液各生化指标

2.3.1 pH值变化

在厌氧消化过程中，pH值对于微生物的生长至关重要，由于微生物对于生长条件的敏感性，反应体系必须维持在一定范围，过酸过碱都会抑制厌氧消化反应的进行[25]。由图4数据可知，5个浓度的发酵液pH值都是先下降后上升，最后维持在一定水平。原因是产酸菌对环境的适应能力比产甲烷菌强。发酵前期，代谢能力强且适应环境快的产酸菌将发酵液中的有机物转化为脂肪酸，而产甲烷菌在发酵初期的活性较低，利用脂肪酸的速率低，致使脂肪酸积累，发酵液的pH 值降低。随着产甲烷菌逐渐适应环境，脂肪酸的利用率变大，积累的脂肪酸被逐渐消耗，发酵液pH 值开始上升，最后发酵系统达到平衡，pH值在一定范围内变化。其中，TS为1.5%，2.0%和2.5%这3个处理发酵液的pH值处于厌氧发酵的最佳范围(6.5～7.5)内。TS为3.0%和3.5%的2个处理发酵液pH值在发酵第8 d后都低于6.4，主要原因是这2个发酵液的浓度大，有机物被降解产生的有机酸含量高，抑制了产甲烷菌的生长，产甲烷菌不能完全利用有机酸，致使体系中有机酸含量积累过高，pH值下降，对厌氧发酵产生抑制作用。

图4 不同浓度头孢菌素菌渣的pH值变化趋势图

2.3.2 氨氮含量的变化

发酵罐内的氨氮浓度过高会抑制厌氧发酵反应的顺利进行，主要是由于氨氮浓度过高在一定程度上抑制了厌氧微生物的代谢生长，影响了沼气和甲烷的生产，但抑制浓度的范围和抑制程度均没有固定的标准，通常认为氨氮浓度在 2000 mg·L-1时就会产生明显的抑制效果[26-27]。由图5的数据可得，5个浓度的发酵液，氨氮含量总体呈现先上升后下降的趋势，且均低于2000 mg·L-1，没有产生氨氮抑制。发酵初期，氨基酸、蛋白质、脂肪水解产生氨和胺等，发酵液中氨氮含量升高，厌氧微生物在氧化有机质的同时，自身菌体增长，吸收利用发酵液中的氨氮，使氨氮下降。产气量较高的TS为2.0%和2.5%的发酵液在21～28 d时，氨氮含量出现上升趋势，可能是由于发酵过程中一些厌氧微生物分解自身菌体，向发酵液中释放氨氮，使氨氮含量升高。对于厌氧发酵中氨氮含量变化规律的分析，仅是一种理论性的推测，验证推论是否正确，还需通过进一步的微生物观测实验来验证[28]。

图5 不同浓度头孢菌素菌渣的氨氮浓度变化图

2.3.3 挥发性脂肪酸(VFAs)浓度分析

结合图4和图6可知，TS为3.0%和3.5%两个处理的发酵液中VFA含量随发酵时间延长而逐渐升高，最后VFA浓度均高于5000 mg·L-1，pH值则逐渐降低，低于6.4，致使发酵液产生“酸中毒”现象，严重抑制微生物生长，系统不能正常运行。TS 为1.5%，2.0% 和2.5%这3个处理的发酵液，VFA含量总体呈现“上升-下降-稳定”的趋势，在第6 d均出现最大值，随后VFA呈逐渐下降趋势，这3个浓度分别在24 d，42 d和50 d以后VFA含量低于1000 mg·L-1，pH值在6.5～7.2范围内波动，VFA处于稳定状态。结合图1分析可知，随着发酵反应的进行，产酸菌分解的VFA含量逐渐增多，产甲烷菌将其转化为甲烷，产气量也逐渐增多，当VFA含量增长到最大值时，日产气量也达到最大值。随后，由于有机酸的大量积累，抑制了产甲烷菌群的活性，产气率变低，发酵反应缓慢进行，VFA含量逐渐降低。

图6 不同浓度头孢菌素菌渣的VFA变化趋势图

2.4 TS和VS去除率分析

头孢菌素菌渣中有机物在厌氧消化过程中被微生物分解而产生沼气，TS和VS值变小。TS和VS的减少从一定程度上反映了用于厌氧消化的物质的质量[29]。经过为期60 d的厌氧消化反应后，TS为1.5%，2.0%和2.5%的3个处理的发酵液TS去除率分别为24.7%，34.0%和29.2%，VS去除率分别为35.7%，48.0%和42.4%。结合表4和图7可知，TS为2.0%的发酵液TS和VS去除率最高，其次是TS为2.5%和2.0%这2个处理的发酵液，结合总产气量和产气率的比较可以得出，产气量增加是由于菌渣中有较多的有机物被分解，并被微生物充分利用，使得发酵液中TS和VS的去除率升高。

2.5 菌渣中抗生素残留检测

为了探究厌氧发酵是否可以去除菌渣中残留的抗生素，本研究采用管碟法检测发酵前后菌渣的抗生素残留。结果通过厌氧发酵完成后，TS为1.5%，2.0%和2.5%这3个处理的发酵液均没有出现抑菌圈。由图8可知，观察到透明的抑菌圈，说明新鲜的头孢菌素菌渣有抗生素残留；图9没有出现抑菌圈，说明厌氧发酵后的沼渣不含有抗生素残留。由此可推测，35℃～38℃中温环境和无氧条件下，微生物在长达60 d的厌氧发酵之后，把菌渣中抗生素残留分解为小分子物质，以低分子化合物存在或被微生物所利用，从而彻底消除菌渣中的药物成分。厌氧发酵后沼渣不含有抗生素态环境造成危害，达到了无害化处理菌渣的目的。

图7 不同浓度头孢菌素菌渣TS和VS去除率

图8 新鲜菌渣

图9 发酵后的沼渣

3 结论

(1)在37℃±1℃，初始pH值7.0±0.2，不同浓度的头孢菌素菌渣的发酵液厌氧消化产气性能不同，TS大于等于3.0%以上时，由于酸抑制发酵未能启动。TS为1.5%，2.0%和2.5%的3个处理的发酵液单位固体产气率表现为：2.0% TS>2.5% TS>1.5% TS，产气率分别为319.8 mL·g-1TS，263.1 mL·g-1TS，211.6 mL·g-1TS。其中最佳的浓度在2.0%～2.5%TS范围。

(2)经过60 d的厌氧消化反应后，TS为1.5%，2.0%和2.5%的发酵液产气率，TS和VS去除率都较高，其中TS为2.0%的发酵液去除率最高，产气率也最大。并且发酵后沼渣中没有检测到抗生素残留，说明采用厌氧消化处理头孢菌渣是其无害化、资源化处理的一种有效途径。

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The Resource Utilization of Cephalosporins Bacterial Residue by Anaerobic Digestion under Mesophilic Temperature

WANG Hui1,2, XI Yan-hua2, CUI Guan-hui2, ZHANG Li-ping2, XING Qing-chao1,2, CHENG Hui-cai2,WANG Hong-wei1

(1.College of Life Sciences of Hebei University, Baoding 071002,China；2.Biology institute, Heibei Academy of Sciences, Shijiazhuang 050081,China)

Biodagradability and harmlessness of cephalosporin C bacterial residue under mesophilic anaerobic fermentation(37℃±1℃)with different fermentation concentration were evaluated by detecting the contents of ammonia nitrogen, gas content, pH, and antibiotic residues.The results showed that the excessive amounts of VFA and too low of pH occurred in the anaerobic system when the TS concentration was greater than 3.0%, which caused the failure of fermentation starting-up. When TS 1.5%～2.5%, and with the increasing of organic loading, the accumulation biogas production increased, in which the methane content was consistent with the conventional feeding materials. When TS was 2.0%, the VS removal rate of cephalosporins bacterial residue was 48.0%,and the gas yield was 319.8 mL·g-1TS. When TS was 2.5%, the VS removal rate of cephalosporins bacterial residue was 42.4%, and the gas yield was 263.1 mL·g-1TS. No antibiotic residues detected in the biogas fermentation residue after fermentation, which indicated that the mesophilic anaerobic digestion methods was feasible to make the cephalosporin bacterial residue harmless and recycling.

cephalosporin bacterial residue; anaerobic digestion; fermentation concentration；biogas production potential

2015-09-09

项目来源： 河北省科技支撑计划项目(15293805D/1427380D/14222901D)；河北省财政预算项目(15302)；河北省自然科学基金项目(C2015302018)

王 慧(1990-)，女，河北衡水人，硕士，主要从事废弃物沼气资源化利用研究工作，E-mail:13231604757@163.com

程辉彩，E-mail:huicaicheng@163.com

S216.4; X7

A

1000-1166(2016)01-0019-06