木薯酒糟渣沼氣化利用的厭氧發(fā)酵特性

薛紅軍 王奇

摘 要：燃料乙醇副產(chǎn)物木薯酒糟渣富含粗纖維和蛋白。為研究其沼氣化利用的厭氧發(fā)酵特性，利用半連續(xù)進(jìn)料全混式厭氧發(fā)酵工藝（CSTR），在高溫50℃的條件下，進(jìn)行木薯酒糟渣厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣實驗，實驗過程中逐漸增加體系的進(jìn)料負(fù)荷。實驗結(jié)果表明，半纖維素平均利用率為76.57%，纖維素利用率為63.07%，木質(zhì)素利用率為42.00%，VS轉(zhuǎn)化率63.42%。在進(jìn)料負(fù)荷為1.88gVS/（L·d）時，TS日產(chǎn)氣率最高達(dá)0.46L/（gTS·d），但繼續(xù)增加進(jìn)料負(fù)荷，TS日產(chǎn)氣率逐漸降低;容積產(chǎn)氣率最高為1.167m3/（m3·d），甲烷濃度高達(dá)58.9%，揮發(fā)性脂肪酸位于1 250mg/L左右，氨氮基本維持在2 300～2 500mg/L。實驗結(jié)果可為沼氣生產(chǎn)開辟新的物料，并實現(xiàn)其資源化和能源化利用。

關(guān)鍵詞：木薯酒糟渣;厭氧發(fā)酵;沼氣

中圖分類號：S216.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）19-0134-06

Abstract： Fuel ethanol byproduct cassava residues are rich in crude fiber and protein. The cassava residues anaerobic fermentation biogas production experiments were studied by using semi-continuous loading in continuous stirred tank reactor（CSTR） at high temperature of 50℃. The purpose of this experiment was to study the anaerobic fermentation characteristic of cassava residues. The feeding load of the system was gradually increased during the experiment. The results showed that the average utilization rate of hemicellulose was 76.57%， cellulose utilization rate was 63.07%， lignin utilization rate was 42.00%， VS conversion rate was 63.42%. When the feed load was 1.88gVS/（L·d）， the daily gas production rate of TS reached 0.46L/（gTS·d）， but the daily gas production rate of TS decreased gradually with the increase of feed load. The volume gas production rate was 1.167m3/（m3·d）， the methane concentration was 58.9%， the volatile fatty acid was about 1 250mg/L， and the ammonia nitrogen was basically maintained at 2 300-2 500mg/L. The experimental results can open up new materials for biogas production and realize its resource and energy utilization.

Keywords： cassava residues;anaerobic fermentation;biogas

木薯（Cassava）又稱木番薯或樹薯，與馬鈴薯和番薯被稱為世界三大薯類作物，享有“地下糧食”“淀粉之王”及“能源作物”的美譽(yù)，在熱帶、亞熱帶地區(qū)廣泛種植。其作為重要的經(jīng)濟(jì)作物和燃料作物，大規(guī)模種植于我國南方地區(qū)，廣西壯族自治區(qū)年產(chǎn)量居于前列[1，2]。木薯酒糟渣是使用木薯生產(chǎn)燃料乙醇蒸餾后的副產(chǎn)物，酒糟經(jīng)板框分離機(jī)固液分離得糟液和糟渣。據(jù)相關(guān)測算，在木薯燃料乙醇生產(chǎn)過程中，每生產(chǎn)1t乙醇伴隨產(chǎn)生500kg左右的干基木薯發(fā)酵殘渣（木薯酒渣）[3]。

木薯酒渣的主要成分為粗纖維、粗灰分和無氮浸出物，粗脂肪含量極低，其中纖維素類78%、多糖類3%、蛋白質(zhì)類約9%、其他10%[4]。木薯酒糟渣絕大部分是淀粉，富含營養(yǎng)物質(zhì)，如多糖類、蛋白質(zhì)類等，在自然環(huán)境中放置極易酸敗發(fā)霉而對環(huán)境造成嚴(yán)重污染。眾多公司將濕木薯酒糟不經(jīng)處理直接出售，但獲利不大。因此，高效利用木薯酒渣，生產(chǎn)高附加值工業(yè)產(chǎn)品，成為擺在燃料乙醇企業(yè)面前的關(guān)鍵技術(shù)難題。當(dāng)前，木薯酒渣主要用作有機(jī)肥、飼料、燃料和造紙等生產(chǎn)。木薯渣殘留的有機(jī)物含量較高，可作為沼氣發(fā)酵的原料。通過發(fā)酵技術(shù)及時利用廢棄木薯渣厭氧消化制成清潔能源沼氣，用于燃燒供熱或發(fā)電，能緩解能源緊張、改善環(huán)境，符合綠色發(fā)展理念。

工業(yè)上通常將木薯酒糟分離得到的糟液通過厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣，而糟渣制備沼氣的研究不多。浦躍武等[5]采用批次實驗研究了木薯渣（提取淀粉后）的酸化特性及不同接種率對厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣的影響，證明了利用木薯渣產(chǎn)甲烷的可行性，揮發(fā)性固體（VS）產(chǎn)氣速率達(dá)249.35mL/g，甲烷含量最高達(dá)到48.16%。學(xué)者對木薯提取淀粉后的木薯渣利用研究較多，而該工藝木薯糟渣來源為木薯燃料乙醇副產(chǎn)物木薯酒糟，其在生產(chǎn)上主要是烘干做DDGS飼料用，將其厭氧發(fā)酵制備沼氣，可為其高值化利用開辟新的途徑。探究木薯渣產(chǎn)氣特性采用靜態(tài)小試發(fā)酵居多，針對全混半連續(xù)發(fā)酵工藝的研究相對較少，該過程每天進(jìn)出料維持動態(tài)平衡，沼液拌料回流，中試放大更接近實際生產(chǎn)，對工業(yè)化應(yīng)用指導(dǎo)性更強(qiáng)。

本研究以木薯酒糟渣為發(fā)酵底物，采用半連續(xù)進(jìn)料全混式厭氧發(fā)酵工藝（CSTR），在50℃高溫條件下，利用自行改裝的50L發(fā)酵罐對其進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣中試實驗，探索木薯糟厭氧消化產(chǎn)沼氣的特性，實現(xiàn)木薯糟能源化、無害化和減量化利用，以期為替代大型秸稈沼氣工程原料提供相應(yīng)參考。

1 材料與方法

1.1 發(fā)酵原料和接種物

發(fā)酵物料采用河南天冠生物工程股份有限公司木薯燃料乙醇蒸餾后的酒糟經(jīng)臥式板框分離得到的糟渣，其總固體（Total Solid，TS）含量為30.60%（wt），TS的揮發(fā)性固體（Volatile Solid，VS）為84.67%（wt），纖維素23.45%，半纖維素16.58%，木質(zhì)素21.99%，有機(jī)碳45.24%，總氮2.04%，C/N=22.18，灰分11.33%。

接種物為南陽國家農(nóng)業(yè)科技園區(qū)秸稈兩相厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的發(fā)酵液經(jīng)板框分離得到的沼液和沼氣公司UASB厭氧反應(yīng)器底部的厭氧活性顆粒污泥按體積比混合的混合液，發(fā)酵沼液∶厭氧活性污泥=1∶2，沼液的TS為6.26%，VS為62.84%，pH值為7.54。

1.2 實驗裝置

全混厭氧發(fā)酵反應(yīng)器（CSTR）如圖1所示。其由FUS-50L多參數(shù)全自動發(fā)酵罐改裝而成，主要包括溫控部分、發(fā)酵系統(tǒng)和氣體計量。溫度由超級恒溫水浴鍋控制，夾套保溫，反應(yīng)器頂部設(shè)垂直攪拌電機(jī)，機(jī)械密封，攪拌轉(zhuǎn)速由發(fā)酵控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)，底部出料口取樣檢測分析，氣體通過濕式氣體流量計計量，中部進(jìn)料，底部出料，進(jìn)出料通過閥門控制。

1.3 實驗方法

厭氧發(fā)酵在密閉的CSTR發(fā)酵罐中進(jìn)行，厭氧發(fā)酵系統(tǒng)總?cè)莘e50L，實際裝料量36L。發(fā)酵啟動料液固形物設(shè)計為8%（wt），接種物為發(fā)酵沼液和厭氧活性顆粒污泥的混合液，接種量為30%，實驗采用（50±1）℃高溫發(fā)酵，攪拌速度為100～120r/min，根據(jù)實際調(diào)整;pH控制在6.8～7.5，以半連續(xù)的方式進(jìn)料，每天09：00進(jìn)出料一次，底部放料，中部進(jìn)料，進(jìn)料量和出料量維持動態(tài)平衡，出料液采用150目濾布進(jìn)行固液分離得到沼渣和沼液。沼液配制進(jìn)料料液并回流至發(fā)酵罐維持菌種量，沼渣濾除，進(jìn)料料液量低于出料量時用自來水補(bǔ)足。每天檢測系統(tǒng)產(chǎn)氣量、發(fā)酵液pH值、揮發(fā)性脂肪酸（Volatile Fatty acid，VFA）、氨氮及發(fā)酵料液固形物，定期測定沼渣纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、VS含量和沼氣組分等參數(shù)。

實驗過程中，逐漸增加體系的進(jìn)料負(fù)荷，探索物料的最佳轉(zhuǎn)化率。1～20d，進(jìn)料負(fù)荷1.88gVS/（L·d）即80gTS/d;21～34d，進(jìn)料負(fù)荷2.35gVS/（L·d）即100gTS/d;35～46d，進(jìn)料負(fù)荷2.85gVS/（L·d）即120gTS/d。在同一進(jìn)料負(fù)荷下，待產(chǎn)氣量、VFA及pH值等穩(wěn)定后維持一段時間再提高進(jìn)料負(fù)荷。

1.4 指標(biāo)檢測和計算方法

①總固體含量TS測定[6]：在（105±1）℃的鼓風(fēng)干燥箱中烘至恒重，差重法測定;揮發(fā)性固體含量VS測定：烘干的TS置于馬弗爐中于（550±5）灼燒4h，差重法測定。

②總碳采用重鉻酸鉀容量法測定;總氮采用凱氏定氮法測定。

③pH值測定：SG2型便攜式pH計（梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司）;VFA測定：采用蒸餾滴定法;氨氮測定：參照標(biāo)準(zhǔn)《水質(zhì)氨氮的測定蒸餾–中和滴定法》（HJ 537—2009）。

④沼氣產(chǎn)氣量：用濕式氣體流量計每天09：00記錄沼氣發(fā)酵系統(tǒng)的沼氣日產(chǎn)氣量;沼氣組分測定：采用Geotech便攜式GA5000沼氣分析儀。

⑤纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量的測定：按照美國可再生能源實驗室（NREL）標(biāo)準(zhǔn)方法[7]進(jìn)行;纖維素、半纖維素和木質(zhì)素利用率（%）=（1-沼渣中的含量/反應(yīng)前進(jìn)料中的含量）×100%。

⑥TS日產(chǎn)氣率，即單位絕干物質(zhì)日產(chǎn)氣量，反映物料的產(chǎn)氣潛力。VS利用率=1-沼渣VS含量/進(jìn)料VS含量。

2 實驗結(jié)果

2.1 產(chǎn)氣性能分析

厭氧發(fā)酵的作用是降解有機(jī)物制備沼氣，實現(xiàn)物料的能源化和資源化利用。日產(chǎn)氣量、TS日產(chǎn)氣率和甲烷含量是衡量厭氧發(fā)酵效率好壞的關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)。分析沼氣組分中甲烷的百分比含量，可推斷出在厭氧發(fā)酵過程中是酸化反應(yīng)還是甲烷化反應(yīng)占優(yōu)勢。當(dāng)甲烷含量不低于50%時，甲烷化反應(yīng)占主導(dǎo)。圖2為不同進(jìn)料負(fù)荷條件下日產(chǎn)氣量的變化曲線。

從圖2可知，啟動階段產(chǎn)氣量較高，為接種物本身和物料共同產(chǎn)氣的結(jié)果;隨著進(jìn)料負(fù)荷提高，日產(chǎn)氣量逐漸增大，TS日產(chǎn)氣率逐漸降低。進(jìn)料負(fù)荷為1.88gVS/（L·d）時，日產(chǎn)氣量先降后升，運行到第17天日產(chǎn)氣量最高，達(dá)37L/d，第17天至第20天基本穩(wěn)定在36L/d;TS日產(chǎn)氣率相對較高，最高達(dá)0.46L/（gTS·d）。這主要是由于系統(tǒng)水力停留時間HRT=18d，整個系統(tǒng)已完成置換，產(chǎn)甲烷菌適應(yīng)該環(huán)境，產(chǎn)氣活性較高。當(dāng)進(jìn)料負(fù)荷提升到2.35gVS/（L·d）時，日產(chǎn)氣量先降低而后逐漸穩(wěn)定，第22天產(chǎn)氣量達(dá)40L/d，第17天至第25天日產(chǎn)氣穩(wěn)定在36L/d左右，第26天至33天日產(chǎn)氣量維持在32L/d附近;TS日產(chǎn)氣率逐漸降低趨于穩(wěn)定在0.32L/（gTS·d）。進(jìn)料2.85gVS/（L·d）時，日產(chǎn)氣量增加慢慢趨于穩(wěn)定，之后呈現(xiàn)降低的趨勢;TS日產(chǎn)氣率有所升高，穩(wěn)定在0.34L/（gTS·d）。

2.2 厭氧發(fā)酵過程中pH和VFA的變化

pH值不僅會對微生物體內(nèi)各種酶的催化活性及代謝途徑產(chǎn)生影響，還能影響生物細(xì)胞的形態(tài)和結(jié)構(gòu)，進(jìn)而導(dǎo)致吸附或絮凝現(xiàn)象，引起生物體催化效果的改變，因此穩(wěn)定的pH值對厭氧系統(tǒng)的正常運行非常關(guān)鍵[8]。一般認(rèn)為，產(chǎn)甲烷菌所能適應(yīng)的pH值范圍較窄，當(dāng)pH值為6.5～7.5，產(chǎn)甲烷菌均有較強(qiáng)的活性。但實際表明，各種產(chǎn)甲烷菌在不同環(huán)境中所需的最適pH值各不相同。例如，厭氧消化反應(yīng)器中幾種常見的中溫產(chǎn)甲烷菌的最適pH值分別是：甲酸甲烷桿菌為6.7～7.2，布氏甲烷桿菌為6.9～7.2，巴氏甲烷八疊球菌為7.0左右。由此可以認(rèn)為，中溫產(chǎn)甲烷菌的最適pH值為6.8～7.2。圖3為厭氧發(fā)酵過程中pH和VFA的變化。

從圖3可以看出，實驗初期，pH相對較低，隨著實驗進(jìn)行，pH值逐漸升高，慢慢趨于穩(wěn)定基本維持在7.4左右，位于產(chǎn)甲烷菌適宜的pH值范圍內(nèi)（6.80～7.50）。

揮發(fā)性脂肪酸主要由乙酸、丙酸、丁酸和戊酸等組成，是有機(jī)物在厭氧消化過程中水解酸化的主要產(chǎn)物，同時也是產(chǎn)甲烷菌所利用底物，其濃度高低常常作為評價水解酸化和產(chǎn)甲烷是否平衡的重要指標(biāo)。由于水解產(chǎn)酸菌的生長和產(chǎn)酸代謝速率較快，而產(chǎn)甲烷菌的生長和產(chǎn)甲烷代謝較慢，因此，揮發(fā)性脂肪酸濃度出現(xiàn)先升高后下降的趨勢，隨著產(chǎn)甲烷菌的大量繁殖并達(dá)到產(chǎn)酸與產(chǎn)甲烷平衡后，揮發(fā)性脂肪酸濃度穩(wěn)定在較低水平。VFA作為重要的控制指標(biāo)，先升后降，慢慢地趨向穩(wěn)定，由此可判斷系統(tǒng)處理的好壞，判斷能否將有機(jī)物充分轉(zhuǎn)化為甲烷。實驗過程中，揮發(fā)性脂肪酸VFA位于1 250mg/L左右，而后先升高又降低。這主是因為木薯酒糟渣經(jīng)過高溫蒸煮液化和蒸餾易被微生物降低成小分子物質(zhì)，并含有粗蛋白和纖維易產(chǎn)酸，系統(tǒng)穩(wěn)定后被產(chǎn)甲烷菌代謝利用。

2.3 厭氧發(fā)酵過程中氨氮的變化

氨氮在厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣的過程中，可為產(chǎn)酸菌和厭氧發(fā)酵菌類生長提供必需的氮源，調(diào)節(jié)發(fā)酵液的pH值，但氨氮濃度超過一定范圍，不利于厭氧菌的生長，且會抑制產(chǎn)甲烷菌的活性，降低厭氧降解過程。厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中的氮素主要來自原料中的含氮化合物，料液中的大分子含氮有機(jī)物在水解酸化細(xì)菌的作用下轉(zhuǎn)化為小分子有機(jī)氮化合物，小分子有機(jī)氮在氨化細(xì)菌的作用下進(jìn)一步轉(zhuǎn)變化為無機(jī)態(tài)氮。在厭氧環(huán)境下，氨態(tài)氮是無機(jī)態(tài)氮存在的主要形式，在溶液中有離解型和非離解型2種表現(xiàn)狀態(tài)，即NH3→NH4++OH-。沼液中氨態(tài)氮含量不斷變化是由兩方面原因共同引起的：厭氧微生物生長過程中對氨氮的消耗，使得氨氮含量降低;有機(jī)物在分解過程中產(chǎn)生了大量可溶性氨氮，使氨氮濃度升高[9]。厭氧發(fā)酵過程中氨氮變化曲線如圖4所示。

從圖4可知，氨氮濃度隨有機(jī)負(fù)荷的提高而增大。實驗前期，原料中蛋白質(zhì)和氨基酸開始水解，氨氮濃度逐漸增大，第12天達(dá)2 349mg/L，第13天至第39天基本維持在2 300～2 500mg/L，之后隨著沼液的長時間回流，氨氮濃度繼續(xù)增加，最高達(dá)3 470mg/L。這可能是因為沼液中的有機(jī)氮在產(chǎn)酸過程中轉(zhuǎn)化為無機(jī)氮，加之物料中的蛋白質(zhì)分解，長時間富集導(dǎo)致氨氮濃度逐漸升高。結(jié)合前面產(chǎn)氣分析，原料TS日產(chǎn)氣率第一階段最高達(dá)0.46L/（gTS·d），第二、三階段有所降低，分別為0.32L/（gTS·d）和0.34L/（gTS·d）。這表明產(chǎn)甲烷菌的活性隨著氨氮的累積有所降低，但不是很明顯。氨氮抑制的機(jī)理是[10]：游離氨直接抑制甲烷合成酶的活性，并且游離氨為疏水性分子，通過被動擴(kuò)散作用滲入細(xì)胞，改善了細(xì)胞內(nèi)外質(zhì)子平衡和鉀的缺乏。另外，進(jìn)入細(xì)胞的游離氨在細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)化為銨，銨在細(xì)胞內(nèi)累積改變了細(xì)胞內(nèi)的pH值，從而對細(xì)胞產(chǎn)生毒害作用。另外，被馴化過的產(chǎn)甲烷細(xì)菌會逐漸適應(yīng)氨氮的毒性和耐受性。

2.4 厭氧發(fā)酵過程中容積產(chǎn)氣率和氣體濃度的變化

容積產(chǎn)氣率是評價沼氣發(fā)酵系統(tǒng)運行情況的重要性能指標(biāo)。在反應(yīng)體積相同時，容積產(chǎn)氣率越高，能消化產(chǎn)生的沼氣就越多。木薯酒糟渣厭氧發(fā)酵穩(wěn)定運行容積產(chǎn)氣率平均0.99m3/（m3·d），隨著進(jìn)料量的增加，容積產(chǎn)氣率先降后升，最后基本穩(wěn)定，最高為1.167m3/（m3·d）。甲烷化作用是厭氧過程的重要特征，產(chǎn)氣量和甲烷含量是衡量厭氧消化的重要指標(biāo)。圖5為實驗過程中容積產(chǎn)氣率和氣體濃度的變化趨勢。

從圖5可知，實驗初期，厭氧菌主要代謝發(fā)酵液中易降解的有機(jī)質(zhì)快速繁殖生長，引起CO2濃度較高，CH4濃度較低;在穩(wěn)定的甲烷化階段，甲烷菌活力增強(qiáng)亦使甲烷化產(chǎn)氣階段產(chǎn)氣速率提高，水解發(fā)酵菌和產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌降解有機(jī)物產(chǎn)生的揮發(fā)性有機(jī)酸被產(chǎn)甲烷菌快速利用產(chǎn)生甲烷，產(chǎn)氣量增加;隨著實驗的推進(jìn)，CH4濃度逐漸升高，慢慢趨于穩(wěn)定，沼液的不斷回流使氨氮累積，甲烷略有降低，最高達(dá)58.9%，CO2濃度先降后升，平均為32.9%。

2.5 厭氧發(fā)酵過程中物料的利用率

木薯酒糟渣經(jīng)液化、糖化和發(fā)酵產(chǎn)生乙醇后，淀粉被利用，剩余含量很低，主要成分為纖維素、半纖維素和木質(zhì)素。木薯酒糟渣目前主要制作成酒糟蛋白飼料，可為更好地實現(xiàn)其資源化和能源化利用、進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣開辟新利用的方式。表1為實驗過程中物料的利用情況。

從表1可知：三大組分降解率半纖維素>纖維素>木質(zhì)素，纖維素平均利用率為63.07%，半纖維素平均利用率為76.57%，木質(zhì)素平均利用率為42.00%，VS轉(zhuǎn)化率平均為63.42%。這可能是木薯經(jīng)90℃高溫蒸煮液化，60℃糖化和126℃蒸餾，其結(jié)構(gòu)變得相對疏松，結(jié)晶度有所降低，大分子物質(zhì)更易被微生物降解轉(zhuǎn)化成糖類、脂類和氨基酸等，進(jìn)而經(jīng)水解酸化菌和產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌代謝生成揮發(fā)性脂肪酸，再被產(chǎn)甲烷菌利用。

3 結(jié)論

①燃料乙醇副產(chǎn)物木薯酒糟渣富含粗纖維和粗蛋白等有機(jī)物，在厭氧菌的作用可降解為還原糖和葡萄糖，進(jìn)而被產(chǎn)甲烷菌代謝產(chǎn)甲烷。利用木薯糟厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣，可為沼氣生產(chǎn)開辟新的物料，并實現(xiàn)其資源化、能源化和無害化利用。

②產(chǎn)氣量與進(jìn)料負(fù)荷密切相關(guān)。增加進(jìn)料負(fù)荷，日產(chǎn)氣量逐漸增大，TS日產(chǎn)氣率先升高而后逐漸降低并趨于穩(wěn)定。進(jìn)料負(fù)荷為1.88gVS/（L·d）時，TS日產(chǎn)氣率最高為0.46L/（gTS·d）;進(jìn)料負(fù)荷提升至2.35gVS/（L·d）時，TS日產(chǎn)氣率最高為0.32L/（gTS·d）;進(jìn)料負(fù)荷為2.85gVS/（L·d）時，TS日產(chǎn)氣率穩(wěn)定在0.34L/（gTS·d）。容積產(chǎn)氣率先降后升，最后基本穩(wěn)定，最高為1.167m3/（m3·d）。甲烷濃度高達(dá)58.9%。

③厭氧消化過程中，pH值基本在7.40，VFA約1 250mg/L，氨氮基本維持在2 300～2 500mg/L，之后隨著沼液的長時間回流，氨氮濃度繼續(xù)增加，最高達(dá)3 470mg/L。

④糟渣三大組分降解率半纖維素>纖維素大于木質(zhì)素，纖維素平均利用率為63.07%，半纖維素平均利用率為76.57%，木質(zhì)素平均利用率為42.00%，VS轉(zhuǎn)化率平均63.42%。

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