走近吃果蔬垃圾的「小人兒們」

來自專欄 中科院之聲

水果蔬菜作為日常生活的必需品，並且隨著農村產業結構的調整，蔬菜作物的種植量在農作物中所佔的比重降越來越大。但是，在果蔬的生產、運輸、消費及保存過程中，無可避免地會產生大量需要廢棄的部分。果蔬垃圾由於其含水比例較高和易腐爛等特性，使得諸如焚燒和填埋等目前生活垃圾主流處理技術無法很好適用。

不過，果蔬垃圾的上述特點反倒是厭氧消化體系里的「小人兒」——微生物所偏愛的。

厭氧消化是人類最古老的生物工藝技術之一，厭氧發酵微生物已經在幾千年前就成為人類的得力助手，最初主要用於食品和飲料生產，但在經歷了數個世紀的應用和發展，在最近幾十年里，隨著不同形式的高速處理工藝的推廣，該技術在廢棄物處理和污染治理領域發揮出巨大的作用。

厭氧消化會在沒有溶解氧、硝酸鹽和硫酸鹽等電子受體存在的條件下，將果蔬垃圾這樣的有機質進行分解，並轉化為甲烷、二氧化碳等，而甲烷即是我們日常說的生物燃氣，是一種高效清潔的能源。由此一來，我們便可以實現將果蔬廢棄物重新利用起來。

在果蔬垃圾厭氧消化的生化過程中，這些「小人兒們」的胞內或胞外酶來催化、作用於混合液中的可用有機物質，在這個過程中有著「小人兒們」的生生世世、生生死死，它們分工明確、條理分明，也具備著對危機情況及條件衝擊的擔當能力。

但是，一旦超過了它們作為整體的忍受範圍，它們也會分道揚鑣。這時，厭氧消化過程贈予人類的福利產品—生物燃氣就不再大量穩定產生，甚至完全不存在。

果蔬垃圾其主要組成部分是碳水化合物，蛋白質含量水平很低，故由蛋白質水解反應產生的氨氮量也較少。尤其在CSTR（連續攪拌反應器系統，是一種使發酵原料和微生物處於完全混合狀態的厭氧處理技術）不斷進出料情況下，系統總體的氨氮量會被不斷稀釋，氨氮量的迅速下降導致了碳酸氫鹽的濃度下降。而碳酸氫鹽作為厭氧發酵系統內的重要酸鹼緩衝組成部分，一旦下降到臨界值，就勢必會無法有效中和系統內不斷分解產生的有機酸，導致系統 PH 突變，使得「小人兒們」的工作環境變得不再適宜生存繁衍，整個系統的繁榮也會陷入崩潰瓦解的危機。

這時，就需要有預警的「哨兵」來告訴我們危機即將到來，方便我們做調節措施，以此挽救系統危機。

所以為了照顧好這些「小人兒們」，為其提供一個良好的工作環境，讓產氣過程穩定有效運行，就一定要避免易腐性蔬菜廢棄物的在厭氧消化時中間代謝物揮發性有機酸的積累，保證發酵產酸菌和產甲烷菌之間的平衡。

對此，中科院成都生物研究所李東博士通過衝擊負荷試驗開展蔬菜廢棄物高溫厭氧消化失穩診斷和功能微生物群落研究，通過評測篩選一系列理化指標，選定了CH4/CO2（甲烷和二氧化碳體積的比值）和BA/TA（系統總緩衝能力中碳酸氫根所佔據的貢獻量）兩個耦合參數作為失穩預警的「哨兵」。這兩位「哨兵」可以及時準確地反映出系統的穩定性，為「小人兒們」制定了一套工作環境監測標準，為他們的「健康」保駕護航。

目前，我國的果蔬垃圾總量很大，以北京為例，北京市每年蔬菜供應約為770多萬噸，每斤蔬菜平均要產生3兩左右的垃圾，全年的果蔬垃圾總量達到230萬噸。

隨著民眾垃圾分類意識的提高，若將該項技術應用於發酵工程實踐中，通過對這兩個指標的監測，便能夠及時預防系統可能會出現的失穩崩潰情況，使得整個厭氧消化處理過程穩定持續進行，增加對果蔬垃圾的處理效率，從而促進環境健康和清潔能源獲取，將果蔬垃圾變廢為寶。

作者：朱獻濮

來源：中國科學院成都生物研究所 中國科學院成都分院