以酒糟為原料的沼氣發(fā)酵條件研究

于萌萌， 呂志鳳， 田開(kāi)艷， 丁清華， 張?jiān)?/p>

(山東寶力生物質(zhì)能源股份有限公司， 山東 東營(yíng) 257000)

目前，世界上85%的能源是通過(guò)不可再生的礦物資源獲得的，由于礦物資源的儲(chǔ)量有限以及人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，促使人們開(kāi)始尋找新的替代資源[1-4]。利用甜高粱秸稈加工非糧生物乙醇具有不與人爭(zhēng)糧、不與糧爭(zhēng)地、不與傳統(tǒng)行業(yè)爭(zhēng)利、不與其他國(guó)家爭(zhēng)資源的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于提升未來(lái)能源結(jié)構(gòu)、確保能源安全、持續(xù)改善人類(lèi)生存環(huán)境具有重要的戰(zhàn)略意義[5]。但是利用甜高粱秸稈生產(chǎn)乙醇會(huì)產(chǎn)生大量的酒糟，這些酒糟若儲(chǔ)存不當(dāng)或未及時(shí)利用，易霉變變質(zhì)，不僅浪費(fèi)了寶貴的資源，還會(huì)嚴(yán)重污染周?chē)h(huán)境[6-7]。

目前，我國(guó)能源資源短缺，人均天然氣資源占有量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于世界人均資源量[8]。如果通過(guò)沼氣發(fā)酵技術(shù)將甜高粱秸稈生產(chǎn)生物乙醇產(chǎn)生的酒糟轉(zhuǎn)化成可再生清潔能源—沼氣，不但解決了大量酒糟無(wú)法處理的難題，而且生成的沼氣首先可直接用作戶用燃?xì)饣蛘託獍l(fā)電，進(jìn)一步提純后還可生產(chǎn)車(chē)用燃料或注入天然氣管網(wǎng)；除此以外，發(fā)酵完成后產(chǎn)生的沼渣還可生產(chǎn)有機(jī)肥料，具有環(huán)境污染治理、可再生能源和土地改良等多方面的作用。本文旨在以甜高粱秸稈產(chǎn)乙醇后生成的酒糟為原料，主要考察溫度、TS濃度,pH值以及接種物添加量等條件對(duì)其沼氣發(fā)酵的影響，從而實(shí)現(xiàn)酒糟的充分利用，為企業(yè)的相關(guān)生產(chǎn)提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用酒糟為以甜高粱秸稈為原料固態(tài)發(fā)酵產(chǎn)乙醇后剩下的醪渣，取自山東寶力生物質(zhì)能源股份有限公司；試驗(yàn)用接種物為以玉米秸稈為原料正常產(chǎn)氣的沼氣罐中的沼液，取自山東寶力生物質(zhì)能源股份有限公司；試驗(yàn)用調(diào)節(jié)pH值的堿液為1 mol·L-1的NaOH溶液。各種原料性質(zhì)如表1所示。

表1 原料的基本性質(zhì) (%)

1.2 試驗(yàn)方法

采用橡皮塞封口的2000 mL的錐形瓶作為沼氣發(fā)酵裝置，1500 mL集氣瓶和2500 mL燒杯為集氣裝置。具體的裝置如圖所示：

圖1 沼氣發(fā)酵裝置

1.2.1 研究溫度對(duì)酒糟沼氣發(fā)酵影響的試驗(yàn)方法

在3個(gè)2000 mL錐形瓶中，都分別加入299 g酒糟以及312 mL接種物，補(bǔ)加自來(lái)水至1500 mL處，攪拌均勻，即酒糟的TS質(zhì)量占發(fā)酵液質(zhì)量的百分比為3.3%，接種物的TS質(zhì)量占發(fā)酵液質(zhì)量的百分比為1.5%，并在發(fā)酵前用1 mol·L-1的NaOH溶液將發(fā)酵液pH值調(diào)節(jié)到8.5左右，將3個(gè)發(fā)酵瓶分別放在常溫25℃，中溫38℃，高溫55℃下的搖床內(nèi)進(jìn)行沼氣發(fā)酵對(duì)比實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)均做3組平行試驗(yàn)，并用只加接種物與自來(lái)水的發(fā)酵液做空白實(shí)驗(yàn)。

1.2.2 研究酒糟TS濃度對(duì)其沼氣發(fā)酵影響的試驗(yàn)方法

在6個(gè)2000 mL錐形瓶中，分別加入227 g，272 g，299 g，317 g，363 g，453 g酒糟，然后都分別加入312 mL接種物，補(bǔ)加自來(lái)水至1500 mL處，即酒糟的TS質(zhì)量占發(fā)酵液質(zhì)量的百分比分別為2.5%，3.0%，3.3%，3.5%，4.0%，5.0%，接種物的TS質(zhì)量占發(fā)酵液質(zhì)量的百分比為1.5%，并在發(fā)酵前用1 mol·L-1的NaOH溶液將每個(gè)發(fā)酵瓶中的發(fā)酵液pH值調(diào)節(jié)到8.5左右，將發(fā)酵瓶放在高溫55℃下的搖床中進(jìn)行沼氣發(fā)酵對(duì)比實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)均做3組平行試驗(yàn)，并用只加接種物與自來(lái)水的發(fā)酵液做空白實(shí)驗(yàn)。

1.2.3 研究接種量對(duì)酒糟沼氣發(fā)酵影響的試驗(yàn)方法

在5個(gè)2000 mL錐形瓶中，分別加入104 mL，208 mL，312 mL，416 mL，520 mL接種物，然后都分別加入299 g酒糟，補(bǔ)加自來(lái)水至1500 mL處，即接種物的TS質(zhì)量占發(fā)酵液質(zhì)量的百分比分別為0.5%，1.0%，1.5%，2.0%，2.5%，酒糟的TS質(zhì)量占發(fā)酵液質(zhì)量的百分比為3.3%，并在發(fā)酵前用1 mol·L-1的NaOH溶液將每個(gè)錐形瓶中的發(fā)酵液pH值調(diào)節(jié)到8.5左右，將發(fā)酵瓶放在高溫55℃下的搖床中進(jìn)行沼氣發(fā)酵對(duì)比實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)均做3組平行試驗(yàn)，并用只加接種物與自來(lái)水的發(fā)酵液做空白實(shí)驗(yàn)。

1.2.4 研究pH值對(duì)酒糟沼氣發(fā)酵影響的試驗(yàn)方法

在2個(gè)2000 mL錐形瓶中，都加入299 g酒糟以及312 mL接種物，補(bǔ)加自來(lái)水至1500 mL處，即酒糟的TS質(zhì)量占發(fā)酵液質(zhì)量的百分比為3.3%，接種物的TS質(zhì)量占發(fā)酵液質(zhì)量的百分比為1.5%，一個(gè)在發(fā)酵前用1 mol·L-1的NaOH溶液將發(fā)酵液pH值調(diào)節(jié)到8.5左右，另一個(gè)不對(duì)發(fā)酵液的pH值進(jìn)行調(diào)節(jié)，都放在高溫55℃下的搖床中進(jìn)行沼氣發(fā)酵對(duì)比實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)均做3組平行試驗(yàn)，并用只加接種物與自來(lái)水的發(fā)酵液做空白實(shí)驗(yàn)。

1.3 測(cè)定方法

日產(chǎn)氣量與累計(jì)產(chǎn)氣量通過(guò)排水集氣法并扣除空白試驗(yàn)數(shù)據(jù)之后得到；每日的氣體成分通過(guò)氣相色譜(GC1120)測(cè)量；干物質(zhì)(TS)含量與揮發(fā)性固體(VS)含量采用烘干法測(cè)定；總碳含量采用重鉻酸鉀法測(cè)定；總氮含量采用凱氏定氮法進(jìn)行測(cè)定；纖維素含量采用范式纖維素方法進(jìn)行測(cè)定；產(chǎn)氣周期以達(dá)到累計(jì)產(chǎn)氣量95%的天數(shù)計(jì)算；pH值用精密pH酸度計(jì)進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度對(duì)酒糟沼氣發(fā)酵的影響

圖2和圖3分別為3種溫度下酒糟的日產(chǎn)氣量圖與累計(jì)產(chǎn)氣量圖。由試驗(yàn)結(jié)果可知，在3種溫度下酒糟均在發(fā)酵第1天就進(jìn)入產(chǎn)氣階段，這可能是由于酒糟在發(fā)酵產(chǎn)乙醇的過(guò)程中，已經(jīng)經(jīng)歷了初步發(fā)酵過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中酒糟的纖維素、半纖維素以及木質(zhì)素之間的包裹作用得到初步分解，殘留較多的糖類(lèi)、酸類(lèi)、醇類(lèi)等易降解成分和小分子物質(zhì)，并且酒糟的C/N為24，處在最佳產(chǎn)氣C/N的范圍內(nèi)[9]。在高溫下，酒糟產(chǎn)氣在第9天達(dá)到最大峰值為3710 mL·d-1，產(chǎn)氣周期為32天；在中溫下，酒糟產(chǎn)氣在第19天達(dá)到最大峰值為1760 mL·d-1，產(chǎn)氣周期為39天；在常溫下，酒糟產(chǎn)氣在第26天達(dá)到最大峰值為1300 mL·d-1，產(chǎn)氣周期為42天。由此可見(jiàn)，酒糟的產(chǎn)氣峰值出現(xiàn)時(shí)間以及產(chǎn)氣周期隨著溫度的升高而縮短。這是由于高溫能夠促進(jìn)木質(zhì)纖維素的降解，所以導(dǎo)致酒糟厭氧分解和發(fā)酵速度快[10-13]。由日產(chǎn)氣量圖可知，隨著發(fā)酵時(shí)間的推移，在3種發(fā)酵溫度下日產(chǎn)氣量均出現(xiàn)多個(gè)小高峰，這是由于酒糟中含有乙醇、氨基酸、蛋白質(zhì)等成分，而這些成分在發(fā)酵過(guò)程中水解、酸化和產(chǎn)氣的時(shí)間不同，且具有階段性，故出現(xiàn)較多個(gè)產(chǎn)氣高峰[14]。

圖2 不同溫度下酒糟的日產(chǎn)氣量圖

圖3 不同溫度下酒糟的累計(jì)產(chǎn)氣量圖

由累計(jì)產(chǎn)氣量數(shù)據(jù)可知，在高溫下，酒糟產(chǎn)氣的累計(jì)產(chǎn)氣量為25200 mL，原料產(chǎn)氣率高達(dá)509 mL·g-1TS；在中溫下，酒糟產(chǎn)氣的累計(jì)產(chǎn)氣量為21400 mL，原料產(chǎn)氣率為432 mL·g-1TS；在常溫下，酒糟產(chǎn)氣的累計(jì)產(chǎn)氣量為19160 mL，原料產(chǎn)氣率為387 mL·g-1TS。由此可見(jiàn)，隨著溫度的升高，酒糟的累計(jì)產(chǎn)氣量以及原料產(chǎn)氣率都增加。這是由于溫度越高，纖維素降解越充分，微生物可利用的原料就會(huì)越多，沼氣產(chǎn)量就越多[15]。所以實(shí)驗(yàn)確定酒糟產(chǎn)氣的最佳溫度為高溫55℃。實(shí)驗(yàn)之所以選擇在高溫條件下對(duì)酒糟進(jìn)行沼氣發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，是由于酒糟前期固態(tài)發(fā)酵產(chǎn)乙醇時(shí)在蒸餾后溫度較高，帶有一定的熱量，如果酒糟從蒸餾塔出來(lái)后直接進(jìn)行沼氣發(fā)酵，就可以利用這部分熱量從而節(jié)省能耗。

2.2 酒糟TS濃度對(duì)其沼氣發(fā)酵的影響

圖4和圖5分別為不同酒糟TS濃度下的日產(chǎn)氣量圖以及累計(jì)產(chǎn)氣量圖。由結(jié)果可知，酒糟TS濃度從2.5%到3.3%時(shí)，發(fā)酵液均在發(fā)酵第1天就進(jìn)入產(chǎn)氣階段，當(dāng)酒糟TS濃度在2.5%時(shí)，發(fā)酵液產(chǎn)氣速率在第13天達(dá)到最大峰值為1300 mL·d-1，累計(jì)產(chǎn)氣量為16750 mL，原料產(chǎn)氣率為447 mL·g-1TS；當(dāng)酒糟TS濃度在3.0%時(shí)，發(fā)酵液產(chǎn)氣速率在第11天達(dá)到最大峰值為1900 mL·d-1，累計(jì)產(chǎn)氣量為19940 mL，原料產(chǎn)氣率為443 mL·g-1TS；當(dāng)酒糟TS濃度在3.3%時(shí)，發(fā)酵液產(chǎn)氣速率在第9天達(dá)到最大峰值為3710 mL·d-1，累計(jì)產(chǎn)氣量為25200 mL，原料產(chǎn)氣率為509 mL·g-1TS。由此可見(jiàn)，當(dāng)酒糟TS濃度從2.5%到3.3%時(shí)，隨著TS濃度的增加，酒糟的產(chǎn)氣速率峰值出現(xiàn)時(shí)間稍微縮短，產(chǎn)氣速率峰值、累計(jì)產(chǎn)氣量以及原料產(chǎn)氣率逐漸增加。這是由于當(dāng)酒糟TS濃度過(guò)低時(shí)，單位容積內(nèi)含有的有機(jī)物的量就較少，產(chǎn)氣量較少，所以在一定范圍內(nèi)，隨著酒糟TS濃度的升高，累計(jì)產(chǎn)氣量等會(huì)增加[16]。

酒糟TS濃度從3.3%到5%時(shí)，發(fā)酵液進(jìn)入產(chǎn)氣階段的時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，當(dāng)酒糟TS濃度為3.5%時(shí)，發(fā)酵液產(chǎn)氣在第9天達(dá)到最大峰值為3600 mL·d-1，累計(jì)產(chǎn)氣量為25430 mL，原料產(chǎn)氣率為484 mL·g-1TS；當(dāng)酒糟TS濃度為4%時(shí)，發(fā)酵液產(chǎn)氣在第16天達(dá)到第1個(gè)最大峰值為1030 mL·d-1，累計(jì)產(chǎn)氣量為26810 mL，原料產(chǎn)氣率為447 mL·g-1TS；當(dāng)酒糟TS濃度為5%時(shí)，發(fā)酵液產(chǎn)氣在第21天達(dá)到第1個(gè)最大峰值為1500 mL·d-1，累計(jì)產(chǎn)氣量為26640 mL，原料產(chǎn)氣率為355 mL·g-1TS。由此可見(jiàn)，當(dāng)酒糟TS濃度高于3.3%時(shí)，隨著TS濃度的增加酒糟的產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)時(shí)間逐漸增長(zhǎng)，累計(jì)產(chǎn)氣量增加變得緩慢，原料產(chǎn)氣率逐漸降低。這是由于當(dāng)酒糟TS濃度過(guò)高時(shí)，產(chǎn)酸速度超過(guò)產(chǎn)甲烷速度，容易引起有機(jī)酸的積累，抑制產(chǎn)甲烷菌的活性，從而影響產(chǎn)氣量[17]。

綜上所述，酒糟在高溫下沼氣發(fā)酵的最佳TS濃度定為3.3%，比秸稈等沼氣發(fā)酵的最佳TS濃度要低[16-18]。這可能是由于酒糟在前期發(fā)酵產(chǎn)乙醇時(shí)會(huì)有一部分酶、酵母等物質(zhì)進(jìn)入酒糟，增加了酒糟中易降解成分的含量，所以最終酒糟的相對(duì)有效TS含量較高[14]。

圖4 不同酒糟TS濃度下的日產(chǎn)氣量圖

圖5 不同酒糟TS濃度下的累計(jì)產(chǎn)氣量圖

2.3 接種量對(duì)酒糟沼氣發(fā)酵的影響

圖6和圖7分別為不同接種物添加量下酒糟的日產(chǎn)氣量圖、累計(jì)產(chǎn)氣量圖。由結(jié)果可知，當(dāng)接種物添加量為0.5%時(shí)，酒糟產(chǎn)氣速率在第21天達(dá)到最大峰值為1010 mL·d-1，累計(jì)產(chǎn)氣量為20060 mL；當(dāng)接種物添加量為1.0%時(shí)，酒糟產(chǎn)氣速率在第16天達(dá)到最大峰值為2070 mL·d-1，累計(jì)產(chǎn)氣量為22370 mL；當(dāng)接種物添加量為1.5%時(shí)，酒糟產(chǎn)氣速率在第9天達(dá)到最大峰值為3710 mL·d-1，累計(jì)產(chǎn)氣量為25200 mL。由此可見(jiàn)，當(dāng)接種物添加量從0.5%提高到1.5%時(shí)，隨著接種物添加量的增加，酒糟的產(chǎn)氣速率峰值出現(xiàn)時(shí)間逐漸縮短，累計(jì)產(chǎn)氣量逐漸增加。這是由于當(dāng)接種物的接種量比較少時(shí)，發(fā)酵瓶中的甲烷菌含量相對(duì)較少，需要一個(gè)產(chǎn)甲烷菌種的富集過(guò)程，所以隨著接種量的增加產(chǎn)氣速率峰值出現(xiàn)時(shí)間逐漸縮短；這時(shí)酒糟的累計(jì)產(chǎn)氣量主要由產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量決定，所以隨著接種量的增加累計(jì)產(chǎn)氣量逐漸增加[16,19]。

當(dāng)接種物添加量從1.5%提高到2.5%時(shí)，酒糟產(chǎn)氣速率都在第9天左右達(dá)到最大峰值，分別為3710 mL·d-1，3310 mL·d-1，3340 mL·d-1，累計(jì)產(chǎn)氣量分別為25200 mL，25430 mL，25570 mL。由此可見(jiàn)，當(dāng)接種物添加量超過(guò)1.5%時(shí)，酒糟的產(chǎn)氣速率峰值出現(xiàn)時(shí)間不再提前，累計(jì)產(chǎn)氣量以及產(chǎn)氣峰值的增加也變得緩慢。這是由于，當(dāng)接種物的接種量到達(dá)一定值時(shí)，發(fā)酵瓶中的甲烷菌含量相對(duì)足夠，不再需要產(chǎn)甲烷菌種的富集過(guò)程，所以產(chǎn)氣速率峰值出現(xiàn)的時(shí)間基本相同。此時(shí)，酒糟的累計(jì)產(chǎn)氣量主要由酒糟中的有機(jī)質(zhì)總量決定而不是甲烷菌的數(shù)量決定，所以隨著接種量的增加，累計(jì)產(chǎn)氣量以及產(chǎn)氣峰值的增加都變得十分緩慢。

綜上所述，酒糟在高溫下沼氣發(fā)酵的最佳接種物添加量定為1.5%，此時(shí)，在節(jié)省接種物的條件下，酒糟的產(chǎn)氣速率峰值出現(xiàn)時(shí)間以及累計(jì)產(chǎn)氣量都達(dá)到最佳狀態(tài)。試驗(yàn)之所以選擇新鮮沼液作為接種物，而不選擇豬糞、牛糞等作為接種物是由于試驗(yàn)采取的沼液是以玉米秸稈經(jīng)過(guò)生物預(yù)處理后進(jìn)行沼氣發(fā)酵得到的，化學(xué)污染成分及重金屬含量低，在實(shí)際生產(chǎn)中會(huì)對(duì)后續(xù)的污水處理環(huán)節(jié)有利。

2.4 pH值對(duì)酒糟沼氣發(fā)酵的影響

圖8和 圖9分別為兩組對(duì)比試驗(yàn)下酒糟的日產(chǎn)氣量圖、累計(jì)產(chǎn)氣量圖。由結(jié)果可知，如果不對(duì)發(fā)酵液的pH值進(jìn)行調(diào)節(jié)，發(fā)酵液的pH值在發(fā)酵第3天就由第1天的7.02迅速降到4.5左右，一直到發(fā)酵的第15天pH值都維持在4.5左右，在這一階段對(duì)應(yīng)的日產(chǎn)量平均值只為200 mL左右，其產(chǎn)氣速率在第16天才達(dá)到最大峰值為1220 mL·d-1，累計(jì)產(chǎn)氣量為24930 mL，產(chǎn)氣周期為51天。這是由于在發(fā)酵產(chǎn)乙醇時(shí)，酒糟經(jīng)歷了初步發(fā)酵過(guò)程，所以酒糟在沼氣發(fā)酵初期，快速水解，產(chǎn)生大量的有機(jī)酸，同時(shí)產(chǎn)生大量的可溶性有機(jī)物，不產(chǎn)甲烷菌利用其產(chǎn)生的大量有機(jī)酸，同時(shí)產(chǎn)生的CO2也部分溶于水，使發(fā)酵系統(tǒng)的pH值下降產(chǎn)生酸化現(xiàn)象[7]。

圖6 不同接種量下酒糟的日產(chǎn)氣量圖

圖7 不同接種量下酒糟的累計(jì)產(chǎn)氣量圖

圖8 兩種條件下酒糟的日產(chǎn)氣量圖

圖9 兩種條件下酒糟的累計(jì)產(chǎn)氣量圖

如果在酒糟發(fā)酵前用1 mol·L-1的NaOH溶液將發(fā)酵液pH值調(diào)節(jié)到8.5左右，由結(jié)果可知，發(fā)酵液迅速進(jìn)入正常產(chǎn)氣階段，酸化階段只維持了3天左右，其產(chǎn)氣速率在第9天就達(dá)到最大峰值為3710 mL·d-1，累計(jì)產(chǎn)氣量為25200 mL，產(chǎn)氣周期為32天。這是由于當(dāng)產(chǎn)酸菌將酒糟中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為有機(jī)酸后，在酒糟發(fā)酵前加入的堿性物質(zhì)電離出的OH-就會(huì)中和一部分酸使發(fā)酵液快速進(jìn)入產(chǎn)甲烷階段。

3 結(jié)論

(1)以酒糟為原料沼氣發(fā)酵省去了原料預(yù)處理過(guò)程，并且其中糖類(lèi)、醇類(lèi)、有機(jī)酸等易降解成分和小分子物質(zhì)含量高，酒糟中碳氮比在25左右，是沼氣發(fā)酵的最佳碳氮比，不用加入尿素等含氮物質(zhì)進(jìn)行調(diào)節(jié)，不但降低了成本，而且發(fā)酵啟動(dòng)速度快。

(2)酒糟從蒸餾塔出來(lái)之后具有一定的熱量，采用高溫沼氣發(fā)酵方式能夠充分利用酒糟的這部分熱量，節(jié)約能耗的同時(shí)提高了產(chǎn)沼氣量并縮短了產(chǎn)氣周期。

(3)酒糟中含有一部分酶、酵母等物質(zhì)，這都增加了酒糟的有效發(fā)酵產(chǎn)氣成分，所以酒糟在高溫下沼氣發(fā)酵的最佳TS濃度為3.3%，比秸稈等沼氣發(fā)酵的最佳TS濃度要低。

(4)酒糟在高溫下沼氣發(fā)酵的最佳接種物的添加量為1.5%，此時(shí)，酒糟的產(chǎn)氣速率峰值出現(xiàn)時(shí)間以及累計(jì)產(chǎn)氣量都達(dá)到最佳狀態(tài)。

(5)在酒糟發(fā)酵前對(duì)發(fā)酵液的pH值進(jìn)行調(diào)節(jié)可以使酒糟的酸化階段縮短，從而快速進(jìn)入產(chǎn)甲烷階段。

(6)在高溫55℃，TS濃度3.3%，接種物添加量1.5%，并在發(fā)酵前對(duì)發(fā)酵液pH值進(jìn)行調(diào)節(jié)的條件下，酒糟產(chǎn)氣速率在第9天達(dá)到最大峰值為3710 mL·d-1，產(chǎn)氣周期為32天，原料產(chǎn)氣率高達(dá)509 mL·g-1TS。