黃正恒 吳凱 趙興玲

摘要 以木薯酒精廢渣作為發(fā)酵原料，研究木薯酒精廢渣在室溫和中溫條件下的產(chǎn)沼氣潛力。結(jié)果表明，在室溫（20 ℃）條件下發(fā)酵40 d，TS（總固體）、VS（揮發(fā)性固體）產(chǎn)沼氣潛力分別為508.58和521.18 mL/g;在中溫37 ℃條件下發(fā)酵33 d，TS、VS產(chǎn)沼氣潛力分別為593.26和607.96 mL/g。這表明在中溫條件下的沼氣發(fā)酵效果較好，沒(méi)有出現(xiàn)酸化現(xiàn)象，累計(jì)產(chǎn)氣量比室溫組多6 760 mL，產(chǎn)氣速率增長(zhǎng)較快，是一種良好的沼氣發(fā)酵原料。應(yīng)用厭氧消化處理木薯酒精廢渣，不僅能減少?gòu)U渣對(duì)環(huán)境的污染，而且能為木薯酒精廢渣提供一種新的資源化利用途徑。

關(guān)鍵詞 木薯酒精廢渣;不同溫度厭氧消化;產(chǎn)沼氣潛力

中圖分類號(hào) S216.4 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 0517-6611（2020）19-0215-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.19.056

Abstract The biogasproducing potential of cassava alcohol waste were ?studied at room temperature and medium temperature.Cassava alcohol waste was used as the fermentation material to ferment for 40 days at room temperature （20 ?℃）.The results showed that the gasproducing potential of TS and VS was 508.58 and 521.18 mL/g，respectively. After fermentation at medium temperature of 37 ?℃ for 33 days，the gasproducing potential of TS and VS was 593.26 and 607.96 mL/g，respectively.The results showed that the biogas fermentation under medium temperature had a good effect，without acidification.The cumulative gas production in medium temperature group was 6 760 mL more than that of the room temperature group，and the gas production rate increased rapidly.Therefore，cassava alcohol waste is a good raw material for biogas fermentation.Cassava alcohol waste was treated by using anaerobic digestion，which can not only reduce the pollution of waste residue to the environment，but also can provide a new resource utilization way for cassava alcohol waste.

Key words Cassava alcohol waste;Anaerobic digestion at different temperatures;Biogasproducing potential

基金項(xiàng)目 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51366015）;云南省沼氣工程技術(shù)研究中心資助項(xiàng)目。

作者簡(jiǎn)介 黃正恒（1996—），男，云南曲靖人，碩士研究生，研究方向：生物質(zhì)能與環(huán)境工程。*通信作者：尹芳，教授，從事生物質(zhì)能與環(huán)境工程教學(xué)與科研;張無(wú)敵，研究員，從事生物質(zhì)能與環(huán)境工程教學(xué)與科研。

收稿日期 2020-01-07

木薯作為一種可利用的能源作物，受到越來(lái)越多的學(xué)者關(guān)注，它本身有較高的利用價(jià)值。不同的木薯利用模式會(huì)帶來(lái)不同的收益，很多酒精廠將木薯作為酒精發(fā)酵原料之一，但如何處理酒精廢渣是一個(gè)難題。由于木薯含有較高的淀粉含量，在經(jīng)過(guò)酒精發(fā)酵后的剩余物還含有大量有機(jī)物和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，70%以上為有機(jī)質(zhì)，主要有蛋白質(zhì)、糖分、維生素、殘?zhí)恰⒍汤w維和氮磷鉀等，直接排放也會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染[1-2]。采用厭氧沼氣發(fā)酵技術(shù)處理酒精廢渣，一方面可以防止廢棄物的排放對(duì)環(huán)境造成的影響，另一方面也可以利用微生物分解酒精廢渣中含有的有機(jī)物，經(jīng)過(guò)沼氣發(fā)酵后得到沼氣能源，可以回用到工廠中生產(chǎn)中，達(dá)到節(jié)能減排的效果。發(fā)酵完成后的沼渣可用作有機(jī)肥，用于還田施肥，不僅能有效治理環(huán)境污染，而且能改良土壤性質(zhì)，有利于農(nóng)作物生長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)酒精廢渣的可持續(xù)利用，為相關(guān)企業(yè)提升經(jīng)濟(jì)效益[3]。筆者以木薯酒精廢渣作為發(fā)酵原料，研究木薯酒精廢渣在室溫和中溫條件下的產(chǎn)沼氣潛力。

1 材料與方法

1.1 發(fā)酵原料和接種物

發(fā)酵原料：木薯酒精廢醪液（發(fā)酵后的副產(chǎn)物）經(jīng)過(guò)固液分離后所得到的廢渣（固體部分），原料的總固體（TS）含量為26.61%，揮發(fā)性固體（VS）含量為97.58%，這部分物質(zhì)含有豐富的有機(jī)物，可作為沼氣厭氧消化的原料。

接種物：取自云南師范大學(xué)（云南省沼氣工程技術(shù)研究中心）長(zhǎng)期馴化的厭氧活性污泥，經(jīng)前期試驗(yàn)測(cè)定可知接種物TS含量為9.02%，VS含量為58.08%。

原料和接種物混合后加入到厭氧反應(yīng)器中，加入自來(lái)水到反應(yīng)器的標(biāo)準(zhǔn)刻度線，此時(shí)攪拌均勻后發(fā)酵料液的有效體積為7 L。

1.2 試驗(yàn)裝置 試驗(yàn)裝置為實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)的批量式厭氧反應(yīng)器，反應(yīng)器呈圓柱體構(gòu)造，有效容積為7 L，使用有機(jī)玻璃材質(zhì)制造而成。反應(yīng)器外部設(shè)有一個(gè)保溫層，保溫層下部設(shè)有進(jìn)水口，保溫層上部設(shè)有出水口，外部放置一個(gè)中溫水浴桶，用溫控儀控制水溫，通過(guò)蠕動(dòng)泵將中溫水抽到保溫層，直到中溫水全部灌滿保溫層，保溫層進(jìn)出水口分別連接上PVC軟管，軟管的另外一端置于中溫水中，使得保溫層的外置水浴得到循環(huán)，同時(shí)也能保證反應(yīng)器處于一個(gè)中溫狀態(tài)。反應(yīng)器頂部通過(guò)PVC軟管連接到濕式流量計(jì)，可以每天定期通過(guò)濕式流量計(jì)記錄數(shù)值，即日產(chǎn)氣量;濕式流量計(jì)另外一端連接集氣柜，用來(lái)收集反應(yīng)器中接種物和原料共同作用下產(chǎn)生的氣體，每隔3 d測(cè)定甲烷含量。

1.3 方法

1.3.1 試驗(yàn)方法。

在進(jìn)行厭氧反應(yīng)器處理木薯酒精廢渣試驗(yàn)前，認(rèn)真檢查反應(yīng)器的內(nèi)外結(jié)構(gòu)，檢查是否存在缺陷，依次進(jìn)行全局、局部檢漏工作，確保反應(yīng)器無(wú)任何漏水漏氣現(xiàn)象，達(dá)到一個(gè)完全無(wú)氧的環(huán)境。用自來(lái)水清洗后，采用往反應(yīng)器內(nèi)部注水的方法，測(cè)量出反應(yīng)器的有效容積為7 L，加入接種物的量為反應(yīng)器容積的40%（2.8 L）;稱取木薯酒精廢渣300 g作為發(fā)酵原料，將接種物與原料一起加入反應(yīng)器中，并加自來(lái)水至7 L，攪拌均勻后密封，開(kāi)始發(fā)酵。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)采用同樣型號(hào)批量式厭氧反應(yīng)器裝置，同一批原料和同一批接種物采用全混合批量式發(fā)酵方法，完成2組試驗(yàn)。一組在室溫（20 ℃）條件下運(yùn)行，不采取外部加熱裝置;另外一組在中溫條件下進(jìn)行，采用溫控儀和加熱管，將溫度控制在（37±1） ℃。其余所有參數(shù)設(shè)置均相同，唯一改變的就是厭氧發(fā)酵的溫度。通過(guò)檢測(cè)日產(chǎn)氣量，甲烷含量的變化來(lái)分析木薯酒精廢渣在不同溫度下的沼氣發(fā)酵潛力。

1.3.2 測(cè)定指標(biāo)及方法。

1.3.2.1 日產(chǎn)氣量的測(cè)定。反應(yīng)器頂部連接一臺(tái)濕式流量計(jì)，用于記錄每天的產(chǎn)氣量，濕式流量計(jì)的另外一端連接氣柜，用于收集產(chǎn)生的氣體。

1.3.2.2 甲烷含量的測(cè)定。使用福利公司生產(chǎn)的GC9790II型氣相色譜儀測(cè)定沼氣中的甲烷含量，色譜儀配備TDX-01型不銹鋼填充柱。色譜條件：柱箱溫度105 ℃;檢測(cè)器溫度140 ℃;進(jìn)樣器溫度110 ℃;載氣為氮?dú)?，流?0 mL/min。

1.3.2.3 總固體（TS）含量的測(cè)定。將樣品放在（105±5）℃的電熱恒溫烘箱中烘干至恒重，并根據(jù)公式計(jì)算樣品的總固體含量[4]。

1.3.2.4 揮發(fā)性固體（VS）含量的測(cè)定。將“1.3.2.3”中烘干的樣品放入到馬弗爐中，在（550±20）℃條件下灼燒2 h，計(jì)算出樣品中VS含量[4]。

1.3.2.5 pH的測(cè)定。使用pHS-3C型pH計(jì)測(cè)定發(fā)酵前后料液的pH變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 發(fā)酵前后料液分析 試驗(yàn)前后分別計(jì)算和檢測(cè)了發(fā)酵料液的TS含量、VS含量和pH，室溫條件和中溫條件下的2組木薯酒精廢渣沼氣發(fā)酵的料液指標(biāo)變化如表1所示。室溫條件下的TS降解率和VS降解率分別為11.92%和10.26%;中溫條件下TS降解率和VS降解率分別為17.18%和15.97%，中溫組TS和VS降解率均高于室溫組，這與實(shí)際過(guò)程中的產(chǎn)氣規(guī)律相符。

2.2 產(chǎn)氣情況分析

2.2.1 室溫下木薯酒精廢渣產(chǎn)氣情況。木薯酒精廢渣在室溫條件下的產(chǎn)氣時(shí)間為40 d，日產(chǎn)氣量和甲烷含量如圖1所示。

從圖1可以看出，木薯酒精廢渣試驗(yàn)啟動(dòng)較快，第1天日產(chǎn)氣量達(dá)到800 mL，第2天日產(chǎn)氣量達(dá)到發(fā)酵前10 d的一個(gè)小高峰，此后開(kāi)始下降，同時(shí)測(cè)定了發(fā)酵第5天的pH，pH僅為5.5，發(fā)酵體系出現(xiàn)酸化問(wèn)題，但仍然產(chǎn)氣，故不采取任何措施，讓其繼續(xù)發(fā)酵，反應(yīng)體系中的微生物具有自我調(diào)節(jié)作用。經(jīng)過(guò)發(fā)酵體系的自我恢復(fù)，第18天日產(chǎn)氣量大幅度上升，pH為6.5，恢復(fù)到正常發(fā)酵水平，未出現(xiàn)酸化現(xiàn)象，反應(yīng)器運(yùn)行逐漸穩(wěn)定，由于在室溫條件下，溫度變化較為明顯，且屬于低溫發(fā)酵狀態(tài)，日產(chǎn)氣量上下浮動(dòng)較大，受外界環(huán)境溫度變化的影響，產(chǎn)甲烷菌的代謝受到影響，在反應(yīng)中期階段日產(chǎn)氣量較高，第26天日產(chǎn)氣量最高，達(dá)到3 440 mL;甲烷含量隨著發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸升高，第34天甲烷含量達(dá)到最高值（65.63%），平均甲烷含量為47.08%。

2.2.2 中溫下木薯酒精廢渣產(chǎn)氣情況。木薯酒精廢渣在中溫條件下的產(chǎn)氣時(shí)間為33 d，日產(chǎn)氣量和甲烷含量如圖2所示。

從圖2可以看出，木薯酒精廢渣在中溫條件下發(fā)酵日產(chǎn)氣量和甲烷含量基本上符合沼氣發(fā)酵規(guī)律，試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)日產(chǎn)氣量較低，甲烷含量也較低，隨后逐漸增加，達(dá)到產(chǎn)氣高峰后又逐漸下降，由于該組試驗(yàn)是在中溫37 ℃條件下進(jìn)行的，對(duì)整個(gè)發(fā)酵體系來(lái)說(shuō)，外部環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，受外部環(huán)境干擾性降低，產(chǎn)甲烷菌在中溫發(fā)酵條件下會(huì)更加活躍，代謝更強(qiáng)，發(fā)酵周期比室溫組更短，中溫組在整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中并未出現(xiàn)反應(yīng)器明顯酸化問(wèn)題，發(fā)酵過(guò)程符合沼氣發(fā)酵的一般規(guī)律，日產(chǎn)氣量在第9天達(dá)到峰值，最高達(dá)到6 480 mL，甲烷含量在第13天達(dá)到最高值（65.28%），平均甲烷含量為54.19%。這些現(xiàn)象表明產(chǎn)甲烷菌生長(zhǎng)良好，微生物代謝活躍，發(fā)酵周期縮短。

2.3 產(chǎn)氣速率分析 木薯酒精廢渣在室溫和中溫條件下的累計(jì)產(chǎn)氣量比較如圖3所示。

從圖3可以看出，在前8 d室溫條件下產(chǎn)氣速率要高于中溫，室溫組初期啟動(dòng)時(shí)間較快，從第8天起中溫組產(chǎn)氣速率大幅度上升，與室溫組形成明顯對(duì)比，其原因是在37 ℃既處于產(chǎn)甲烷菌高活性溫度，也在產(chǎn)氫菌高活性區(qū)間，在二者的協(xié)同作用下，會(huì)加快有機(jī)質(zhì)降解轉(zhuǎn)化為甲烷的速率[5]，在發(fā)酵第14天室溫組產(chǎn)氣速率為20.10%，中溫組產(chǎn)氣速率為64.53%，約為室溫組產(chǎn)氣速率的3.2倍。在中溫37 ℃條件下發(fā)酵，具有發(fā)酵速率快、發(fā)酵周期短等優(yōu)點(diǎn)，但與室溫組相比中溫組存在發(fā)酵過(guò)程中能耗大、運(yùn)行成本高等問(wèn)題。

2.4 產(chǎn)氣潛力分析 在室溫條件下和中溫條件下的累計(jì)產(chǎn)氣量隨發(fā)酵時(shí)間的變化如表2所示。

由表2可知，室溫條件下木薯酒精廢渣經(jīng)過(guò)沼氣發(fā)酵的累計(jì)產(chǎn)氣量為40 600 mL，發(fā)酵時(shí)間為40 d，中溫條件下木薯酒精廢渣的沼氣發(fā)酵累計(jì)產(chǎn)氣量為47 360 mL，發(fā)酵時(shí)間為33 d。由此可以計(jì)算出在室溫條件下木薯酒精廢渣的TS產(chǎn)氣率為508.58 mL/g，VS產(chǎn)氣率為521.18 mL/g;在中溫37 ℃條件下木薯酒精廢渣的TS產(chǎn)氣率為593.26 mL/g，VS產(chǎn)氣率為607.96 mL/g。由此可見(jiàn)，在中溫條件下木薯酒精廢渣的TS產(chǎn)氣率和VS產(chǎn)氣率均高于室溫條件。

2.5 不同原料產(chǎn)沼氣潛力比較

根據(jù)木薯酒精廢渣的TS和VS數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算得到其產(chǎn)沼氣潛力。為了客觀評(píng)價(jià)木薯酒精廢渣的產(chǎn)沼氣潛力，對(duì)其產(chǎn)沼氣潛力與其他發(fā)酵原料進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表3。

從表3可以看出，木薯酒精廢渣的TS產(chǎn)沼氣潛力高于大多數(shù)原料，相較于波斯菊秸稈，TS產(chǎn)氣率高出2倍。木薯酒精廢渣中含有大量的有機(jī)物，中溫37 ℃條件下容易被微生物分解代謝，發(fā)酵周期縮短7 d，在未來(lái)工程應(yīng)用發(fā)展中具有一定的研究意義。

3 結(jié)論

（1）在木薯酒精廢渣的整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中，室溫組前期出現(xiàn)了產(chǎn)氣較低的情況，排出外界溫度影響的問(wèn)題，反應(yīng)器內(nèi)部可能出現(xiàn)輕微酸化問(wèn)題，不做任何處理，發(fā)酵體系能夠很快恢復(fù)，中溫組的產(chǎn)氣符合沼氣厭氧發(fā)酵的一般規(guī)律，期間沒(méi)有出現(xiàn)酸化問(wèn)題，表明用木薯酒精廢渣作為沼氣厭氧發(fā)酵的原料是可行的，在處理酒精廢渣的同時(shí)還能產(chǎn)生可供利用的能源，且能源利用率較高。

（2）以木薯酒精廢渣作為發(fā)酵原料，分別在室溫條件下和中溫37 ℃條件下進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果表明，室溫組木薯酒精廢渣的TS產(chǎn)氣率和VS產(chǎn)氣率分別為508.58和521.18 mL/g;中溫組木薯酒精廢渣的TS產(chǎn)氣率和VS產(chǎn)氣率分別為593.26和 607.96 mL/g，表明在中溫條件下更利于木薯酒精廢渣的厭氧消化，產(chǎn)甲烷菌活躍于中溫環(huán)境中。

（3）在中溫37 ℃條件下，木薯酒精廢渣的發(fā)酵時(shí)間為33 d，比室溫條件下的發(fā)酵時(shí)間縮短了7 d，在實(shí)際工程應(yīng)用中可以節(jié)省時(shí)間成本，但中溫環(huán)境中加入的能耗需要進(jìn)一步計(jì)算，以達(dá)到實(shí)際應(yīng)用中的利益最大化。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐曉偉，尹芳，徐銳，等.酒精廢醪液中溫沼氣發(fā)酵的研究[J].釀酒科技，2009（10）：95-97.

[2] 李泉臨，曹軍.利用沼氣技術(shù)綜合治理酒精廠廢液[J].能源工程，2001（3）：24-26.

[3] 于萌萌，呂志鳳，田開(kāi)艷，等.以酒糟為原料的沼氣發(fā)酵條件研究[J].中國(guó)沼氣，2018，36（3）：67-71.

[4] 張無(wú)敵，宋洪川，尹芳，等.沼氣發(fā)酵與綜合利用[M].昆明：云南科技出版社，2003.

[5] 周丹丹.混合原料批次恒溫厭氧發(fā)酵動(dòng)力學(xué)過(guò)程研究[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2014.

[6] 賀密密，鄭盼，李國(guó)慶，等.中溫條件下不同有機(jī)負(fù)荷木瓜皮的產(chǎn)氣潛力和動(dòng)力學(xué)研究[J].云南師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，39（6）：18-22.

[7] 張少朋，陳玉保，肖慶超，等.柚子皮發(fā)酵產(chǎn)沼氣潛力的試驗(yàn)研究[J].中國(guó)沼氣，2016，34（5）：47-49.

[8] 吉喜燕，林衛(wèi)東，張無(wú)敵，等.勿忘我花桿發(fā)酵產(chǎn)沼氣潛力的實(shí)驗(yàn)研究[J].新能源進(jìn)展，2014（5）：358-363.

[9] 楊紅，尹芳，張無(wú)敵，等.非洲菊秸稈產(chǎn)沼氣潛力的試驗(yàn)研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40（34）：16756-16757，16877.

[10] 紀(jì)鈞麟，楊智明，尹芳，等.甾體制藥渣發(fā)酵產(chǎn)沼氣實(shí)驗(yàn)研究[J].中國(guó)沼氣，2019，37（5）：27-33.

[11] 張莉娟，季梅，張無(wú)敵，等.干燥薇甘菊在不同溫度下厭氧消化產(chǎn)氣潛力的研究[J].云南師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，35（3）：14-19.

[12] 楊紅，尹芳，張無(wú)敵，等.玫瑰秸稈產(chǎn)沼氣潛力的試驗(yàn)研究[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，52（17）：4086-4089.

[13] 張建鴻，楊紅，郭德芳，等.不同溫度下滇池藍(lán)藻沼氣發(fā)酵的實(shí)驗(yàn)研究[J].云南師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，33（3）：17-21.

[14] 吉喜燕，肖志海，林衛(wèi)東，等.廢棄大白菜厭氧消化產(chǎn)甲烷的實(shí)驗(yàn)研究[J].云南師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，35（3）：10-13.

[15] 郭成，虞波，陳麗輝，等.金銀草發(fā)酵產(chǎn)沼氣研究[J].云南師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，36（3）：12-16.

[16] 查國(guó)君，張無(wú)敵，尹芳，等.菠蘿皮厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的研究[J].能源工程，2007（1）：41-43.

[17] 趙振興，王昌梅，張無(wú)敵，等.波斯菊秸稈發(fā)酵產(chǎn)氣潛力研究[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué).2019，58（8）：60-63.

[18] 孫麗麗，符征鴿.玉米秸麥秸中高溫沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣潛力及特性的研究[J].中國(guó)沼氣，2008，26（6）：13-16.