走近吃果蔬垃圾的“小人儿们”

水果蔬菜作为日常生活的必需品，并且随着农村产业结构的调整，蔬菜作物的种植量在农作物中所占的比重降越来越大。但是，在果蔬的生产、运输、消费及保存过程中，无可避免地会产生大量需要废弃的部分。果蔬垃圾由于其含水比例较高和易腐烂等特性，使得诸如焚烧和填埋等目前生活垃圾主流处理技术无法很好适用。

不过，果蔬垃圾的上述特点反倒是厌氧消化体系里的"小人儿"——微生物所偏爱的。

厌氧消化是人类最古老的生物工艺技术之一，厌氧发酵微生物已经在几千年前就成为人类的得力助手，最初主要用于食品和饮料生产，但在经历了数个世纪的应用和发展，在最近几十年里，随着不同形式的高速处理工艺的推广，该技术在废弃物处理和污染治理领域发挥出巨大的作用。

厌氧消化会在没有溶解氧、硝酸盐和硫酸盐等电子受体存在的条件下，将果蔬垃圾这样的有机质进行分解，并转化为甲烷、二氧化碳等，而甲烷即是我们日常说的生物燃气，是一种高效清洁的能源。由此一来，我们便可以实现将果蔬废弃物重新利用起来。

在果蔬垃圾厌氧消化的生化过程中，这些"小人儿们"的胞内或胞外酶来催化、作用于混合液中的可用有机物质，在这个过程中有着"小人儿们"的生生世世、生生死死，它们分工明确、条理分明，也具备着对危机情况及条件冲击的担当能力。

但是，一旦超过了它们作为整体的忍受范围，它们也会分道扬镳。这时，厌氧消化过程赠予人类的福利产品—生物燃气就不再大量稳定产生，甚至完全不存在。

果蔬垃圾其主要组成部分是碳水化合物，蛋白质含量水平很低，故由蛋白质水解反应产生的氨氮量也较少。尤其在CSTR（连续搅拌反应器系统，是一种使发酵原料和微生物处于完全混合状态的厌氧处理技术）不断进出料情况下，系统总体的氨氮量会被不断稀释，氨氮量的迅速下降导致了碳酸氢盐的浓度下降。而碳酸氢盐作为厌氧发酵系统内的重要酸碱缓冲组成部分，一旦下降到临界值，就势必会无法有效中和系统内不断分解产生的有机酸，导致系统 PH 突变，使得"小人儿们"的工作环境变得不再适宜生存繁衍，整个系统的繁荣也会陷入崩溃瓦解的危机。

这时，就需要有预警的"哨兵"来告诉我们危机即将到来，方便我们做调节措施，以此挽救系统危机。

所以为了照顾好这些"小人儿们"，为其提供一个良好的工作环境，让产气过程稳定有效运行，就一定要避免易腐性蔬菜废弃物的在厌氧消化时中间代谢物挥发性有机酸的积累，保证发酵产酸菌和产甲烷菌之间的平衡。

对此，中科院成都生物研究所李东博士通过冲击负荷试验开展蔬菜废弃物高温厌氧消化失稳诊断和功能微生物群落研究，通过评测筛选一系列理化指标，选定了CH4/CO2（甲烷和二氧化碳体积的比值）和BA/TA（系统总缓冲能力中碳酸氢根所占据的贡献量）两个耦合参数作为失稳预警的"哨兵"。这两位"哨兵"可以及时准确地反映出系统的稳定性，为"小人儿们"制定了一套工作环境监测标准，为他们的"健康"保驾护航。

目前，我国的果蔬垃圾总量很大，以北京为例，北京市每年蔬菜供应约为770多万吨，每斤蔬菜平均要产生3两左右的垃圾，全年的果蔬垃圾总量达到230万吨。

随着民众垃圾分类意识的提高，若将该项技术应用于发酵工程实践中，通过对这两个指标的监测，便能够及时预防系统可能会出现的失稳崩溃情况，使得整个厌氧消化处理过程稳定持续进行，增加对果蔬垃圾的处理效率，从而促进环境健康和清洁能源获取，将果蔬垃圾变废为宝。

作者：朱献濮

来源：中国科学院成都生物研究所 中国科学院成都分院

来源：知乎 www.zhihu.com
作者：中科院之声

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