兩種木薯乙醇發(fā)酵廢醪渣產(chǎn)沼氣試驗(yàn)分析

維萊雅　王晨　馬文勤　鄭鑫　賈正燕　夏迎春　紀(jì)鈞麟　尹芳　張無敵

摘要：以中國(guó)木薯和老撾木薯發(fā)酵產(chǎn)乙醇后剩余的干酒糟為原料，在（35±1） ℃條件下進(jìn)行批量式沼氣發(fā)酵試驗(yàn)，發(fā)酵料液的TS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%。結(jié)果表明，中國(guó)木薯廢醪渣和老撾木薯廢醪渣的平均日產(chǎn)氣量分別為158.2、149.3 mL/d。中國(guó)木薯醪渣的TS產(chǎn)氣率和VS產(chǎn)氣率分別為659、867 mL/g，老撾木薯醪渣的TS產(chǎn)氣率和VS產(chǎn)氣率分別為799、1 080 mL/g，沼氣中的平均甲烷含量分別為50%和51%左右。

關(guān)鍵詞：木薯（Manihot esculenta Crantz）醪渣;沼氣發(fā)酵;產(chǎn)氣潛力

中圖分類號(hào)：S533;TS261.9? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2020）03-0122-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.03.026

Experiment on fermentation of biogas by two kinds of cassava alcohol wastes

PHIMPHANH Vilaiya，WANG Chen，MA Wen-qin，ZHENG Xin，JIA Zheng-yan，

XIA Ying-chun，JI Jun-lin，YIN Fang，ZHANG Wu-di

（School of Energy and Environment Science，Solar Energy Research Institute，Yunnan Normal University，Kunming 650500，China）

Abstract： It uses the dried distiller's grains remaining after the fermentation of Chinese cassava and Lao cassava to produce alcohol. The batch biogas fermentation experiment is carried out under the condition of（35±1） ℃. The concentration is 4%. The experimental results show that the average daily gas production of Chinese cassava distiller's grains and Lao cassava distillers grains is 158.2，149.3 mL/d， respectively. The TS gas production rate and VS gas production rate of Chinese cassava distillers grains were 659，867 mL/g， respectively. The TS gas production rate and VS gas production rate of Laos cassava distillers grains are 799，1 080 mL/g， respectively. The average methane content in biogas was 50% and 51%， respectively.

Key words： cassava alcohol wastes; biogas fermentation; gas production potential

世界人口迅速增長(zhǎng)導(dǎo)致能源需求大幅增加，不斷增長(zhǎng)的需求導(dǎo)致傳統(tǒng)能源資源短缺。由于化石燃料對(duì)環(huán)境和其他方面的負(fù)面影響，尋找替代廉價(jià)、可再生和環(huán)境友好型能源的必要性顯得十分重要。

木薯（Manihot esculenta Crantz）屬于直立灌木，原產(chǎn)自巴西，是世界三大薯類作物之一，全世界熱帶地區(qū)均有廣泛栽培[1]。木薯是一種高淀粉農(nóng)作物，是重要的工業(yè)淀粉原料之一，在中國(guó)南方地區(qū)有較大面積的種植[2]。木薯粉的主要成分為水分10.71%、碳水化合物74.1%、粗蛋白1.64%、粗脂肪0.86%、粗纖維4.55%、粗灰分3.85%，是潛在的富含淀粉的制酒原料。中國(guó)的乙醇年產(chǎn)量在2016年達(dá)到251萬t[3]。大量的木薯醪渣隨意丟棄不僅造成資源浪費(fèi)，而且還會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。木薯醪渣營(yíng)養(yǎng)成分豐富，經(jīng)綜合利用后，可提高經(jīng)濟(jì)效益，減輕環(huán)境污染，具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

試驗(yàn)用木薯原料分別來自中國(guó)和老撾，先用傳統(tǒng)雙酶法，將木薯轉(zhuǎn)化成乙醇;乙醇發(fā)酵完成后，得到的醪渣用批量發(fā)酵裝置進(jìn)行厭氧消化產(chǎn)甲烷試驗(yàn)，為木薯資源化利用、能源化回收提供參考。

1? 材料與方法

1.1? 材料

試驗(yàn)用原料分別是中國(guó)木薯和老撾木薯正常發(fā)酵產(chǎn)乙醇結(jié)束后的剩余酒糟渣[4]（以下簡(jiǎn)稱醪渣）。經(jīng)測(cè)定，中國(guó)木薯醪渣的TS為16%，VS為76%;老撾木薯醪渣的TS為14%，VS為74%。接種物是實(shí)驗(yàn)室（云南省農(nóng)村能源工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）長(zhǎng)期馴化的混合厭氧活性污泥。經(jīng)測(cè)定，接種物污泥的TS為9.8%，VS為65%，pH 7.0。

1.2? 裝置

采用實(shí)驗(yàn)室自制的批量式沼氣發(fā)酵裝置對(duì)原料進(jìn)行厭氧消化試驗(yàn)，裝置見圖1。

1.3? 方法

試驗(yàn)采用批量沼氣發(fā)酵工藝恒溫水?。?5±1） ℃。在同等條件下，試驗(yàn)組和對(duì)照組各設(shè)置3個(gè)重復(fù)，各組別發(fā)酵料液的有效體積均為400 mL，試驗(yàn)組總固體含量（TS）約4%，對(duì)照組不添加原料，加入120 g接種物后直接加水至400 mL。各組的配料情況見表1。

1.4? 測(cè)定項(xiàng)目

總固體含量（TS）和揮發(fā)性固體含量（VS）[5]：樣品在（105±5） ℃恒定溫度下烘干至恒重后測(cè)定TS，然后將上述樣品繼續(xù)在（550±20） ℃馬弗爐中灼燒至恒重，測(cè)得揮發(fā)性固體VS。

pH：采用pHS-3C型酸度計(jì)和精密pH試紙（測(cè)量范圍5.5～9.0）測(cè)定接種物及各組料液pH。

產(chǎn)氣量：用排水法收集沼氣，每天記錄產(chǎn)氣量。

甲烷含量：采用福立GC9790 II 型氣相色譜儀測(cè)定沼氣中的甲烷含量，配有TDX-01不銹鋼填充柱。

色譜條件為：柱箱溫度120 ℃、TCD溫度140 ℃、載氣為純氮?dú)?，流速?0 mL/min。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 發(fā)酵前后料液的TS、VS及pH變化

發(fā)酵前后試驗(yàn)組和對(duì)照組的TS、VS及pH得測(cè)定結(jié)果見表2。從表2可以看出，發(fā)酵前后，試驗(yàn)組和對(duì)照組的TS和VS在發(fā)酵之后均不同程度地降低，說明在厭氧發(fā)酵過程中，原料被不同程度地分解利用。經(jīng)計(jì)算可知，中國(guó)木薯試驗(yàn)組TS和VS降解率分別為8.33%、14.47%，老撾木薯試驗(yàn)組TS、VS降解率分別8.00%、14.29%，對(duì)照組TS和VS降解率分別為4.19%、6.32%，其中對(duì)照組幾乎不產(chǎn)氣，因此接種物對(duì)試驗(yàn)組產(chǎn)氣量的影響極小，符合發(fā)酵過程中的產(chǎn)氣規(guī)律。原料的TS、VS 降解率明顯高于接種物的TS、VS降解率，說明試驗(yàn)組的微生物活性良好、沼氣發(fā)酵過程中原料被充分降解。

2.2? 日產(chǎn)氣量

每天定時(shí)記錄產(chǎn)氣情況，得到凈產(chǎn)氣量變化曲線見圖2。從圖2可以看出，中國(guó)木薯廢醪渣的沼氣發(fā)酵試驗(yàn)持續(xù)30 d。 試驗(yàn)啟動(dòng)后第1天開始產(chǎn)氣，但產(chǎn)生的氣體不能被點(diǎn)燃，主要是因?yàn)楫a(chǎn)氣中的甲烷含量低。在發(fā)酵的第4天出現(xiàn)了第一個(gè)產(chǎn)氣高峰值，為314 mL，且氣體可以被點(diǎn)燃，并呈現(xiàn)淡藍(lán)色的火焰;發(fā)酵至第9天時(shí)，出現(xiàn)了一個(gè)產(chǎn)氣低峰值，為52 mL;產(chǎn)氣量從第10天逐漸增加到第16天，并在第16天達(dá)到第二個(gè)產(chǎn)氣高峰值，為252 mL;產(chǎn)氣量從第17天逐漸減少，直到第30天發(fā)酵結(jié)束。

老撾木薯廢醪渣在啟動(dòng)后第1天開始產(chǎn)氣，但產(chǎn)生的氣不能被點(diǎn)燃，主要是因?yàn)楫a(chǎn)氣中的甲烷含量低。在發(fā)酵的第3天，出現(xiàn)了第一個(gè)產(chǎn)氣高峰值，為362 mL，且氣體可以被點(diǎn)燃，并呈現(xiàn)淺藍(lán)色的火焰;發(fā)酵至第9天時(shí)，出現(xiàn)了一個(gè)產(chǎn)氣低峰值;在發(fā)酵的第10天、第15天和第16天達(dá)到高峰期，產(chǎn)氣量分別為169、172、172 mL;產(chǎn)氣量從第17天逐漸減少，直到第30天發(fā)酵結(jié)束。

2.3? 甲烷含量

對(duì)照組的產(chǎn)氣量較少，進(jìn)行點(diǎn)火試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，所產(chǎn)出的沼氣離開火源不能穩(wěn)定燃燒，可以判定對(duì)照組中的甲烷含量沒有超過50%，對(duì)試驗(yàn)組所產(chǎn)沼氣的甲烷含量進(jìn)行測(cè)定（圖3）。由圖3可以看出，在發(fā)酵過程中，兩種醪渣的甲烷含量從發(fā)酵開始逐漸上升，并都在第6天達(dá)到了峰值（分別為68%、70%），所產(chǎn)出的氣體能持續(xù)燃燒，呈現(xiàn)出藍(lán)色火焰;從產(chǎn)甲烷含量變化趨勢(shì)來看，兩種廢醪渣從發(fā)酵第6天以后，甲烷含量就出現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)，原因可能是因?yàn)樵诎l(fā)酵體系中，初期醪渣營(yíng)養(yǎng)成分較為豐富，隨著各種有機(jī)質(zhì)不斷被水解、消耗，可供產(chǎn)甲烷的成分越來越少，甲烷產(chǎn)量逐漸下降。

2.4? 累計(jì)產(chǎn)氣量和累計(jì)產(chǎn)氣速率

統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)組每3 d的凈產(chǎn)氣量，對(duì)中國(guó)木薯和老撾木薯醪渣在整個(gè)發(fā)酵周期的產(chǎn)氣情況進(jìn)行分析。由表3可以看出，在整個(gè)發(fā)酵周期，試驗(yàn)前3天產(chǎn)氣量較多，產(chǎn)氣量分別為858、1 027 mL。在第1天至第18天產(chǎn)氣量增加較快，累計(jì)產(chǎn)氣量分別達(dá)到? 3 549、3 235 mL，分別占總產(chǎn)氣量的74.77%、72.20%。在第19天至第30天產(chǎn)氣量少，分別僅占總產(chǎn)氣量的 25.23%、27.80%。這主要是因?yàn)榈搅税l(fā)酵后期，可被降解的有機(jī)物質(zhì)含量逐漸減少，無法完全提供甲烷菌生長(zhǎng)過程中所需的營(yíng)養(yǎng)，導(dǎo)致其發(fā)酵后期的產(chǎn)氣量比前期少。

對(duì)累計(jì)產(chǎn)氣量占總產(chǎn)氣量的占比進(jìn)行計(jì)算得到中國(guó)木薯醪渣和老撾木薯醪渣的累計(jì)產(chǎn)氣速率（圖4）。由圖4可以看出，發(fā)酵前12 d，老撾試驗(yàn)組的累計(jì)產(chǎn)氣速率要高于中國(guó)試驗(yàn)組，而12 d以后，中國(guó)試驗(yàn)組的累計(jì)產(chǎn)氣速率要高于老撾試驗(yàn)組。中國(guó)木薯醪渣和老撾木薯醪渣分別在第21天、第22天達(dá)到各自總產(chǎn)氣量的80%以上，可以得出中國(guó)、老撾木薯醪渣厭氧消化產(chǎn)沼氣分別主要集中在發(fā)酵前21 d、22 d。因此，兩種原料在沼氣工程中的水力滯留時(shí)間（HRT）可分別設(shè)計(jì)為21、22 d。

2.5? 產(chǎn)氣潛力分析

根據(jù)木薯醪渣的TS和VS及凈產(chǎn)氣量等數(shù)值，計(jì)算出原料產(chǎn)氣率、TS和VS產(chǎn)氣率，以此來表征兩種原料的產(chǎn)氣潛力，結(jié)果如表4所示。從表4可以看出，兩種木薯醪渣的產(chǎn)沼氣潛力相差不大，中國(guó)木薯醪渣的產(chǎn)沼氣潛力略高于老撾木薯醪渣，兩者產(chǎn)沼氣潛力良好，是潛在的可利用資源。為更加客觀地評(píng)價(jià)木薯渣的產(chǎn)氣潛力，與其他不同種類發(fā)酵原料的產(chǎn)氣潛力進(jìn)行對(duì)比（表5），從表5可以看出，與秸稈類原料相比，木薯醪渣剩余的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)豐富，具有產(chǎn)沼氣潛力優(yōu)勢(shì)。中國(guó)木薯醪渣的TS產(chǎn)氣潛力高于紅毛丹果皮、玫瑰秸稈和燈盞花殘?jiān)?。另外，中?guó)和老撾木薯醪渣的發(fā)酵周期短，說明它的產(chǎn)氣速率較快，是一種產(chǎn)沼氣潛力較好的發(fā)酵原料。

3? 結(jié)論

沼氣發(fā)酵試驗(yàn)在（35±1） ℃恒溫條件下（TS發(fā)酵質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%），中國(guó)木薯醪渣和老撾木薯醪渣厭氧發(fā)酵試驗(yàn)組日平均產(chǎn)氣量分別為158.2、149.3 mL/d，中國(guó)木薯渣TS產(chǎn)氣率和VS產(chǎn)氣率分別為659、867 mL/g，老撾木薯醪渣的TS產(chǎn)氣率和VS產(chǎn)氣率分別為799、1 080 mL/g，中國(guó)木薯醪渣降解的TS和VS產(chǎn)氣率分別為8.33%、14.47%，老撾木薯醪渣降解的TS和VS產(chǎn)氣率分別為8.00%、14.29%，并且中國(guó)木薯醪渣和老撾木薯醪渣產(chǎn)甲烷含量平均在50%、51%左右，氣體能夠持續(xù)穩(wěn)定燃燒。

木薯作為能源作物，是產(chǎn)乙醇再轉(zhuǎn)化成燃料乙醇的較好資源，試驗(yàn)在乙醇發(fā)酵結(jié)束的基礎(chǔ)上，將醪渣再次利用，進(jìn)行厭氧消化產(chǎn)甲烷，為木薯資源化和能源化利用提供了試驗(yàn)基礎(chǔ)，尤其是為今后老撾木薯產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展提供了參考。

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收稿日期：2019-05-09

基金項(xiàng)目：中國(guó)-老撾可再生能源聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室和2017年地方高校國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201710681019）

作者簡(jiǎn)介：維萊雅（1989-），女，老撾萬象人，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)生物環(huán)境與能源工程，（電話）15559837532（電子信箱）3525371864@qq.com;通信作者，尹? 芳（1967-），女，云南石屏人，副教授，博士，主要從事生物質(zhì)能與環(huán)境工程研究及教學(xué)工作，（電子信箱）yf6709@sina.com。