秸稈-酒糟混合液厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的初步研究

郭 婷，徐 帥，呂孝宇，于傲天，童志平，孟 濤

(西南交通大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610031)

秸稈-酒糟混合液厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的初步研究

郭 婷，徐 帥，呂孝宇，于傲天，童志平，孟 濤*

(西南交通大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610031)

研究了秸稈-酒糟液在不同秸稈質(zhì)量濃度，不同溫度條件，添加劑吐溫-20存在下的沼氣厭氧發(fā)酵。酒糟液中的有機(jī)物質(zhì)非常豐富，直接排放會(huì)造成環(huán)境污染。秸稈是農(nóng)村糧食作物的廢料，焚燒處理會(huì)嚴(yán)重污染環(huán)境。而經(jīng)過沼氣厭氧發(fā)酵后達(dá)到了保護(hù)環(huán)境和產(chǎn)生能源的雙重目的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，秸稈-酒糟液厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的最佳條件是秸稈質(zhì)量濃度10%，溫度25～35℃，吐溫-20添加量10ppm。在此條件下，沼氣的總產(chǎn)量為55692mL·30d-1，秸稈利用率為139L·kg-1，總糖濃度最大消耗率為53g·L·d-1，蛋白質(zhì)初始濃度為4.77mg·mL-1，發(fā)酵30d以后降為0.68mg·mL-1。

秸稈，酒糟液，沼氣，厭氧發(fā)酵，生物能源

Abstract:The mixture of straw and pot ale fermentation was studied.The mixture included rich organic material.It would cause pollution when being discharged directly.The organic matter will reduced after biogas fermentation and achieving better effect in environmental protection and bio-energy.The results showed the optimal weight concentration of straw was 10%，the optimal temperature was 25～35℃，the promotion of fermentation medium was tween-20 10ppm.Under the condition，the yield of biogas was 55692mL·30d-1，the straw utilization rate was 139L·kg-1，the maximum rate of consumption of the total sugar was 53g·L·d-1，the protein initial concentration was 4.77mg·mL-1and decreased to 0.68mg·mL-1after 30d.

Key words:straw;pot ale;biogas;anaerobic fermentation;bio-energy

隨著工業(yè)的迅速發(fā)展及人們生活水平的日益提高，酒精的消耗量越來越大。我國年產(chǎn)工業(yè)酒精及食用酒精已超過一百萬噸，酒精行業(yè)主要排放的污染物是蒸餾殘液，稱酒糟液(也叫黃水)［1］。一般情況下，每生產(chǎn)1t酒精，產(chǎn)生酒糟液10～15t左右。酒糟液當(dāng)中，有機(jī)物含量豐富，各種雜質(zhì)的總量占酒糟液重量5%～8%，其中 COD(化學(xué)需氧量)，BOD5(5日生化需氧量)及SS(懸浮物濃度)等主要水質(zhì)指標(biāo)常高達(dá)數(shù)萬ppm［2］。秸稈是農(nóng)業(yè)糧食作物的廢棄物，直接焚燒對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。怎樣處理酒糟液和秸稈是我國工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨的一大難題。本研究主要通過對(duì)不同條件下秸稈-酒糟混合液厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的探索，為酒糟液和秸稈的處理以及能源化應(yīng)用提供借鑒參考，達(dá)到環(huán)境保護(hù)和能源利用的雙重目的。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

發(fā)酵原料 酒糟液即黃水，四川全興酒廠;發(fā)酵種子液與污泥 取自四川全興酒廠污水處理系統(tǒng)中的厭氧池;秸稈 即農(nóng)村糧食作物廢料，取自成都市犀浦鎮(zhèn)林灣村;苯酚 分析純，天津化學(xué)試劑廠;濃硫酸，葡萄糖 分析純，四川科龍?jiān)噭┯邢薰?牛血清白蛋白 分析純，上海伯奧生物科技有限公司;氫氧化鈉 分析純，天津市瑞金特化學(xué)品有限公司;其余試劑 均為國產(chǎn)分析純。

CH1015超級(jí)恒溫水槽 上海恒平儀器儀表廠;FA1104型電子分析天平 上海精密科學(xué)儀器有限公司;UV-VIS8500紫外可見光分光光度儀 上海天美科學(xué)儀器有限公司;日立CR22G高速冷凍離心機(jī)日立工機(jī)有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì) 原料液在沼氣瓶(5L)中厭氧發(fā)酵，裝料量為4L，產(chǎn)生的沼氣從上方的導(dǎo)管進(jìn)入盛水瓶(5L)。導(dǎo)管不能與液面接觸，必須高于液面。這樣當(dāng)有氣體產(chǎn)生時(shí)，氣體的壓力將其中的水壓出，流到量筒中。最后只需要測量量筒中水的體積，就可得出產(chǎn)生沼氣的體積(產(chǎn)氣有明顯的刺激性氣味，點(diǎn)燃以后呈淡藍(lán)色的火焰。CO2、H2S等易溶于水，因此盛水瓶中的氣體主要是甲烷CH4)。為了便于檢驗(yàn)產(chǎn)生的氣體同時(shí)又保證沼氣瓶的厭氧環(huán)境，導(dǎo)管采用橡膠管、玻璃管組合的方式。用兩根玻璃管分別連接到沼氣瓶和盛水瓶，兩管之間再由橡膠管接合在一起。這樣給盛水瓶換水時(shí)，用夾子夾住連接沼氣瓶的橡膠管然后再拔另一邊便可以保證沼氣瓶不漏氣。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

1.2.2 秸稈的粉碎與堆漚 將秸稈剪成1cm左右的條狀，在支架上堆成小山，倒上發(fā)酵接種物，鋪上保鮮膜，室溫下堆漚3d即可入池。

1.2.3 發(fā)酵過程中總糖變化規(guī)律的分析 用硫酸-苯酚法［3-4］。

1.2.4 發(fā)酵過程中蛋白濃度的變化分析 用考馬斯亮藍(lán)法［5-6］。

1.2.5 沼氣產(chǎn)量的測定 開始產(chǎn)生沼氣，起初幾天的產(chǎn)氣量小，每隔1d測量一次。測量時(shí)先用夾子夾住盛水瓶口出氣橡膠管，以免瓶中氣體逸出，再用量筒測量排出水的體積，即產(chǎn)氣體積。產(chǎn)氣高峰時(shí)，每天測量兩次，直至產(chǎn)氣結(jié)束。

1.2.6 pH的控制 在產(chǎn)氣過程中，通過加氫氧化鈉溶液或碳酸鈉溶液將pH保持在6.5～7.5之間［7］。

2 結(jié)果與討論

2.1 發(fā)酵工藝條件

2.1.1 秸稈濃度對(duì)沼氣產(chǎn)量的影響 實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1和表2，在溫度30℃發(fā)酵，秸稈質(zhì)量濃度從5%～10%，隨著濃度的增大，其總產(chǎn)氣量也隨之增大。但是，如果濃度進(jìn)一步增大，增大到10%～15%時(shí)，總產(chǎn)氣量增加反而不明顯，甚至減少。結(jié)合濃度和溫度兩個(gè)因素來考慮對(duì)產(chǎn)氣量的影響。高濃度在30℃的條件下，產(chǎn)氣量比較低濃度高一倍，但在10℃的條件下，高濃度的產(chǎn)氣量反而低于低濃度。由于高濃度在較低溫度條件下，常易引起有機(jī)酸積累，從而影響產(chǎn)氣量。因此，高濃度發(fā)酵不適于發(fā)酵溫度較低的沼氣池。各類型的沼氣發(fā)酵有一定的有機(jī)物負(fù)荷能力，超過極限值就會(huì)出現(xiàn)超負(fù)荷現(xiàn)象，此時(shí)，產(chǎn)酸速度超過由酸產(chǎn)生氣體的反應(yīng)速度，常會(huì)造成有機(jī)酸的積累，使產(chǎn)氣機(jī)制受到抑制，發(fā)酵不能繼續(xù)進(jìn)行。因此，處理時(shí)首先不能超負(fù)荷［8］。

表1 秸稈濃度(w/w)對(duì)沼氣產(chǎn)量的影響(30℃)

表2 秸稈濃度(w/w)對(duì)沼氣產(chǎn)量的影響(10℃)

2.1.2 溫度條件對(duì)沼氣產(chǎn)量的影響 沼氣發(fā)酵可在較為廣泛的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，在4～65℃范圍內(nèi)都能產(chǎn)氣?？刂平斩捥砑恿繛榘l(fā)酵液質(zhì)量的10%，考察不同溫度下沼氣產(chǎn)量的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示沼氣產(chǎn)氣量與溫度關(guān)系密切，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)(5～35℃)，隨著溫度的升高，產(chǎn)氣量有著明顯的增高。對(duì)比3個(gè)溫度范圍(5～15℃，15～25℃，25～35℃)下，最高日產(chǎn)氣量分別為1000，1800，3400mL;總產(chǎn)氣量之比為1∶2.5∶4。

由圖2可見，在30d的測量時(shí)間內(nèi)，沼氣的產(chǎn)量呈周期性的變化。剛開始幾天產(chǎn)量較小，這是由于沼氣瓶中的氧氣比較豐富，對(duì)產(chǎn)甲烷菌有一定的毒害作用。隨著氧氣的耗盡，甲烷菌進(jìn)入旺盛生長期，發(fā)酵中期出現(xiàn)產(chǎn)氣的高峰。發(fā)酵后期產(chǎn)氣量顯著降低，根據(jù)發(fā)酵過程pH降低這一現(xiàn)象，可以推斷是由于大量的乙酸等酸性物質(zhì)積累抑制了甲烷菌的生理活性［9］。發(fā)酵30d左右產(chǎn)氣量幾乎為0，這與甲烷菌的直接酸性物質(zhì)的積累有很大關(guān)系。

圖2 沼氣產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)

2.1.3 添加劑和有害物質(zhì)對(duì)沼氣產(chǎn)量的影響 選取秸稈濃度10%，溫度25～30℃，改變吐溫-20添加量，觀察沼氣生產(chǎn)情況。由表3可見，在沼氣發(fā)酵過程中添加少量的有益的化學(xué)物質(zhì)，有助于促進(jìn)沼氣發(fā)酵、提高產(chǎn)氣量和原料的利用率。如添加表面活性劑吐溫-20，其濃度為5～20ppm，則可降低表面張力，增強(qiáng)原料和菌種的接觸;添加量為10%時(shí)，其產(chǎn)氣量與未添加吐溫-20相比提高了40%，秸稈產(chǎn)氣率高達(dá)139L·kg-1。但是添加量過高(20ppm)，又會(huì)使菌種生長受到抑制，產(chǎn)氣量降低。

表3 吐溫-20添加量對(duì)沼氣產(chǎn)量的影響

2.1.4 菌落與厭氧環(huán)境對(duì)沼氣產(chǎn)量的影響 酒糟廢液厭氧發(fā)酵是由400多種微生物共同作用的結(jié)果，大致可以分為三大類，發(fā)酵性細(xì)菌、產(chǎn)酸菌、甲烷菌。發(fā)酵菌多為兼性厭氧菌，能夠?qū)⒌矸邸⒗w維素、脂肪、蛋白質(zhì)等大分子物質(zhì)降解為短鏈的小分子物質(zhì)、活單體物質(zhì)，同時(shí)消耗掉氧氣，解除氧對(duì)甲烷菌的毒害。產(chǎn)生的小分子物質(zhì)只有在產(chǎn)酸菌的作用下被水解為乙酸、甲酸、氫等后，才可以被甲烷菌直接利用。通過對(duì)產(chǎn)氣規(guī)律的分析，要使甲烷不斷的生產(chǎn)，必須保證各種類群微生物的比例，保證底物的協(xié)調(diào)供應(yīng)。產(chǎn)甲烷菌是極端厭氧菌，在空氣中它的半衰期僅為4min，所以氧氣的毒害應(yīng)當(dāng)引起注意［10］。

2.2 發(fā)酵液成分變化

2.2.1 產(chǎn)氣量變化和總糖變化對(duì)沼氣產(chǎn)量的影響糖類為沼氣發(fā)酵微生物提供碳源，是重要的營養(yǎng)物質(zhì)。選取秸稈質(zhì)量濃度 10%，溫度 25～30℃，吐溫-20添加量10ppm。取發(fā)酵液少許，加純水稀釋至40倍，然后用苯酚-硫酸法顯色，使用分光光度計(jì)在490nm波長下測吸光度，進(jìn)而換算成多糖濃度。

在產(chǎn)氣量較低的發(fā)酵初期，總糖含量較高，發(fā)酵液內(nèi)的微生物(主要是產(chǎn)甲烷菌)數(shù)量和活性都還不是很高，分解有機(jī)物也很有限。從第8d(產(chǎn)氣量較大時(shí))開始用苯酚-硫酸法測量發(fā)酵液的總糖含量。從圖3中可以看出，進(jìn)入產(chǎn)氣高峰期后，總糖含量迅速降低，沼氣的產(chǎn)量在15d左右達(dá)到最高值，多糖消耗最高值出現(xiàn)在14～15d(最大消耗率為53mg·mL-1·d-1)，此時(shí)發(fā)酵液內(nèi)的微生物活性和數(shù)量都達(dá)到最高水平。當(dāng)產(chǎn)氣進(jìn)入末期，總糖含量變化較小，說明此時(shí)沼氣瓶內(nèi)的微生物活性已大為降低，分解代謝趨于停滯，多糖的濃度在23d左右降至最低值?？梢?，由總糖濃度的變化，可以反映出產(chǎn)甲烷菌在沼氣厭氧發(fā)酵生產(chǎn)過程中的生長周期和活性變化。

圖3 沼氣產(chǎn)量與總糖濃度對(duì)比

2.2.2 蛋白質(zhì)含量對(duì)沼氣產(chǎn)量的影響 蛋白質(zhì)為沼氣發(fā)酵微生物的生長繁殖、新陳代謝提供氮源。但是蛋白質(zhì)必須被發(fā)酵性細(xì)菌產(chǎn)生的胞外蛋白水解酶水解為小分子的氨基酸后才能夠被產(chǎn)甲烷菌吸收利用。在發(fā)酵過程的產(chǎn)酸階段，不產(chǎn)甲烷微生物菌群之中基質(zhì)分解菌所分泌的胞外酶正是從事這樣的工作，將蛋白質(zhì)水解成肽和氨基酸。

在最佳發(fā)酵條件下，取少許發(fā)酵液離心，將上清液稀釋50倍，用考馬斯亮藍(lán)法測蛋白質(zhì)含量，于產(chǎn)氣過程中和停止后分別取樣檢測。蛋白質(zhì)含量對(duì)比見表4。

表4 蛋白質(zhì)含量對(duì)比

由表4可見，在發(fā)酵過程中蛋白質(zhì)的含量不斷減少，說明在此發(fā)酵體系中能夠產(chǎn)生胞外蛋白水解酶的菌群是比較發(fā)達(dá)的。隨著沼氣發(fā)酵的進(jìn)行，蛋白質(zhì)不斷被分解，直到發(fā)酵結(jié)束。正是由于發(fā)酵液中豐富蛋白質(zhì)的存在，從而可以在不額外添加氮源的情況下產(chǎn)生大量的沼氣。

利用沼氣發(fā)酵來進(jìn)行污水處理，就是利用沼氣發(fā)酵相互聯(lián)系的菌群關(guān)系降解有機(jī)物，產(chǎn)生沼氣。產(chǎn)甲烷菌是生物鏈的最后一級(jí)［10］。

2.2.3 關(guān)于沼氣生產(chǎn)停滯的原因探討 在持續(xù)產(chǎn)氣一段時(shí)間后，沼氣的生產(chǎn)停止。起初認(rèn)為是發(fā)酵液的營養(yǎng)成分如糖類、蛋白質(zhì)等已被沼氣發(fā)酵微生物完全分解所致。于是新加500mL酒糟液，并以氫氧化鈉調(diào)pH至7.0，結(jié)果并未重新產(chǎn)氣。經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，原料酒糟液顏色發(fā)生了明顯變化。開始時(shí)呈黃色，而此時(shí)顏色發(fā)黑且有惡臭。酒糟液在一個(gè)月的時(shí)間里已經(jīng)變質(zhì)，其中的有機(jī)物等發(fā)生了變化，不再適用于沼氣發(fā)酵。

3 結(jié)論

現(xiàn)在90%以上的能源是靠礦物燃料提供的，這些燃料在自然界儲(chǔ)量有限，且不能再生［11］。而人類對(duì)能源的需求卻不斷增加，如不及早采取措施，能源枯竭將會(huì)成為現(xiàn)實(shí)。在我國，很多城市的公交車、出租車都采用天然氣做燃料。而天然氣的主要成分是甲烷，沼氣也是。沼氣中甲烷含量50%～70%，按60%計(jì)算每立方熱值為2150kJ相當(dāng)于1.45m3煤氣或0.69m3天然氣的熱值。以適當(dāng)方法除去雜質(zhì)提高甲烷純度，純粹的1m3甲烷火焰的溫度可達(dá)2000℃，熱值35822kJ，接近1kg石油的熱值。所以推廣沼氣發(fā)酵，是開發(fā)生物能源，解決能源危機(jī)問題的一個(gè)重要途徑。

在酒精發(fā)酵工業(yè)中，酒糟液的排放一直是制約其發(fā)展的關(guān)鍵因素之一［12］。酒糟液組成成分復(fù)雜，但不含重金屬元素和有毒物，含豐富的可供利用的營養(yǎng)物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、脂肪、纖維素、B族維生素、甘油、有機(jī)酸、發(fā)酵殘余碳水化合物(如麥芽糖、糊精等)。若能作為沼氣厭氧發(fā)酵的原料進(jìn)行合理利用，變廢為寶，將產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益，不但解決了環(huán)境污染問題，還大大降低酒精發(fā)酵生產(chǎn)的總成本。

研究結(jié)果證明利用秸稈-酒糟液進(jìn)行沼氣發(fā)酵是比較容易實(shí)現(xiàn)的。其原料酒糟液來自釀酒工業(yè)的廢液，秸稈來自農(nóng)業(yè)糧食作物的廢料;溫度，常溫即可;pH，略偏酸性;秸稈添加量10%(w/w);可適當(dāng)添加10ppm的吐溫-20做促進(jìn)劑;保證發(fā)酵環(huán)境嚴(yán)格厭氧?？偟膩砜?，這些條件在目前我國的技術(shù)水平下容易滿足，而且成本低廉。與農(nóng)村用人畜糞便制沼氣不同，這里瞄準(zhǔn)的是工業(yè)廢棄物的利用，對(duì)環(huán)境保護(hù)的意義更加重大。而我國的大型釀酒企業(yè)每年產(chǎn)生的酒糟液的數(shù)量相當(dāng)可觀，并且便于集中處理。因此利用秸稈-酒糟液發(fā)酵制沼氣的前景樂觀。

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Preliminary study on the biogas fermentation for mixture of straw and pot ale

GUO Ting，XU Shuai，LV Xiao-yu，YU Ao-tian，TONG Zhi-ping，MENG Tao*
(College of Bioengineering，South West Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

TS201.1

B

1002-0306(2010)08-0248-04

2009-09-07 *通訊聯(lián)系人

郭婷(1981-)，女，碩士研究生，工程師，研究方向:制藥與生物催化。

西南交通大學(xué)青年教師科研起步項(xiàng)目(2009Q050);國家大學(xué)生創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(081061319)。