酒糟沼氣發(fā)酵的基礎(chǔ)探究

王太濤， 趙 龍， 張 盼， 袁慧松， 楊 凱， 張 赟

(1.勝利油田勝利動力機(jī)械集團(tuán)有限公司， 山東 東營 257000； 2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150000； 3.上海城投污水處理有限公司， 上海 201201)

酒糟沼氣發(fā)酵的基礎(chǔ)探究

王太濤1， 趙 龍1， 張 盼2， 袁慧松1， 楊 凱1， 張 赟3

(1.勝利油田勝利動力機(jī)械集團(tuán)有限公司， 山東 東營 257000； 2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150000； 3.上海城投污水處理有限公司， 上海 201201)

文章開展了中溫(38℃±1℃)條件下含固率為6%，8%的酒糟批式厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的研究。結(jié)果表明：酒糟極易酸化形成大量揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)，是良好的沼氣發(fā)生原料。發(fā)酵27 d(發(fā)酵基本結(jié)束)時， TS為6%，8%的酒糟TS產(chǎn)氣率分別為402.08 mL·g-1,387.81 mL·g-1，VS產(chǎn)氣率分別為441.84 mL·g-1, 426.16 mL·g-1。TS為6%，8%酒糟的最佳發(fā)酵周期分別為14 d，15 d。

酒糟； 厭氧發(fā)酵； 沼氣； 產(chǎn)氣率

2015年以來，釀酒行業(yè)整體步入恢復(fù)性增長軌道，由于行業(yè)發(fā)展繼續(xù)被牢固控制在正常的市場環(huán)境下，整個行業(yè)前三季度銷售增長走勢一直保持低緩，但是白酒行業(yè)產(chǎn)銷保持穩(wěn)步增長，利潤不僅恢復(fù)到同比增長的節(jié)奏，而且達(dá)到了與銷售增速基本同步，表明目前的白酒行業(yè)利潤空間相對穩(wěn)定，行業(yè)整體利潤縮水頹勢得到有效遏制[1]。而每生產(chǎn)1 t白酒，約產(chǎn)生10 t酒糟[2]，酒糟中含有豐富的蛋白質(zhì)、氨基酸、維生素以及磷、鉀等無機(jī)元素成分，且酒糟中粗纖維含量較高，是纖維素類廢物的典型代表[3]。雖然酒糟營養(yǎng)比較豐富，但是其酸度高，易腐敗變質(zhì)，若不及時處理，容易嚴(yán)重污染環(huán)境[4]。因此如何處理這些酒糟成為人們研究的熱點。通過酒糟厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣不僅可以解決酒糟污染環(huán)境的問題，產(chǎn)生的沼氣還可以用來發(fā)電，實現(xiàn)了二次能源的轉(zhuǎn)化，并且還能夠產(chǎn)生額外的經(jīng)濟(jì)效益，經(jīng)發(fā)酵后的沼液、沼渣還可以用作農(nóng)田肥料。筆者試驗以酒糟為原料，在自制的小型厭氧反應(yīng)器中發(fā)酵，研究酒糟產(chǎn)沼氣的性能，為大中型酒糟沼氣工程的設(shè)計運(yùn)行提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)供以參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

發(fā)酵原料為江蘇省宿遷市某大型酒廠的白酒酒糟，接種物為筆者生物質(zhì)實驗室所培養(yǎng)的發(fā)酵后料液(見表1)。

表1 原料和接種物的TS，VS及C/N (%)

1.2 試驗設(shè)備及運(yùn)行方法

試驗用2.5 L白小口瓶作為厭氧反應(yīng)器主體，有效容積為2 L，共做3組，分別為空白樣(只添加300 mL接種物)，TS6%酒糟(酒糟底物濕重為318.3 g，接種沼液300 mL)，TS8%酒糟(酒糟底物濕重為424.4 g，接種沼液300 mL)。試驗采取批式發(fā)酵的方式，為防止試驗過程中酒糟過度酸化，TS6%，TS8%酒糟每個厭氧瓶中分別加入7 g，8.2 g碳酸鈉調(diào)節(jié)pH值至7.3，并且用沼氣曝氣10分鐘，以保證發(fā)酵罐內(nèi)的厭氧狀態(tài)。然后加裝帶有導(dǎo)氣管的橡膠塞進(jìn)行密封，導(dǎo)氣管通過硅膠軟管連接集氣袋，將發(fā)酵瓶置于水浴中。發(fā)酵溫度為38℃±1℃，每天搖晃8次，一次2分鐘，轉(zhuǎn)速為60 r·min-1。另外取一些酒糟用水調(diào)配TS至6%和8%，然后分別測試其揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)的含量。收集在集氣袋的沼氣用注射器測量其氣體體積。試驗設(shè)備見表2。

表2 試驗測試設(shè)備

2 結(jié)果與討論

2.1 TS 6%，8%酒糟日產(chǎn)沼氣量分析

從圖1可以看出2種酒糟厭氧消化啟動很快，產(chǎn)氣量上升很快，在達(dá)到最大產(chǎn)氣峰值后，產(chǎn)氣量下降。之后產(chǎn)氣量最高峰在第7天，日產(chǎn)氣量分別可達(dá)45 mL·g-1，38.8 mL·g-1(以TS計)。在第10天還會出現(xiàn)一個產(chǎn)氣小高峰，這可能是酒糟中纖維素類物質(zhì)得以降解，產(chǎn)甲烷菌利用其降解產(chǎn)物(VFAs)產(chǎn)生沼氣，隨后產(chǎn)氣量又逐漸減小，在第12天出現(xiàn)第3次高峰，這可能是酒糟中少部分木質(zhì)素類物質(zhì)得到降解[5]。然后產(chǎn)氣量逐漸降低至基本結(jié)束。經(jīng)測定TS 6%，TS 8%酒糟的初始VFAs為6132.6 mg·L-1，8013 mg·L-1，酒糟厭氧啟動速度很可能是由于酒糟中粗纖維含量較低，蛋白質(zhì)，氨基酸，醇類等易降解物質(zhì)含量大，這些物質(zhì)極易酸化,(與檢測出的VFAs數(shù)據(jù)相吻合)，發(fā)酵初期底物水解，產(chǎn)生大量可溶性有機(jī)物，產(chǎn)酸菌將水解產(chǎn)物轉(zhuǎn)變?yōu)閾]發(fā)性脂肪酸[6]，另外用碳酸鈉調(diào)節(jié)了酒糟pH值，碳酸鈉對pH值也具有緩沖作用，使得產(chǎn)甲烷菌活性沒有受到pH值的抑制，產(chǎn)甲烷菌將揮發(fā)性脂肪酸轉(zhuǎn)化為甲烷、二氧化碳，所以產(chǎn)氣量得以迅速上升。

圖1 厭氧發(fā)酵過程中日產(chǎn)沼氣量的變化曲線

2.2 TS 6%，8%酒糟累計產(chǎn)氣量分析

酒糟厭氧發(fā)酵持續(xù)27 d，累積產(chǎn)氣量如圖2所示。TS 6%，TS 8%酒糟TS產(chǎn)氣率分別為402.08 mL·g-1,387.81 mL·g-1，TS 6%酒糟，TS8%酒糟VS產(chǎn)氣率分別為441.84 mL·g-1, 426.16 mL·g-1。厭氧消化發(fā)酵時間的長短意味著在相同時間內(nèi)消化處理廢棄物的數(shù)量，直接反應(yīng)了厭氧消化效率，在實際生產(chǎn)過程中具有重要的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益?？梢詫Υ笾行驼託夤こ涛锪贤Ａ魰r間的設(shè)計提供重要參考，一般實際生產(chǎn)中，以產(chǎn)氣量達(dá)到總產(chǎn)氣量的90%以上即可認(rèn)為發(fā)酵基本完成，為一個周期[7]。由此可以得出TS 6%，TS 8%酒糟發(fā)酵周期分別為14 d，15 d。

圖2 厭氧發(fā)酵過程中累積產(chǎn)氣量

2.3 甲烷濃度在發(fā)酵過程中的變化情況

由圖3可以看出發(fā)酵延滯期較短，發(fā)酵初期甲烷濃度呈明顯上升趨勢，當(dāng)甲烷濃度達(dá)到最高峰后甲烷含量有輕微下降，其最高甲烷濃度可以達(dá)到70%～76%。后期甲烷濃度也能夠維持在53%以上。

圖3 厭氧發(fā)酵過程中甲烷濃度變化

3 小結(jié)

(1)酒糟營養(yǎng)豐富，具有大量的易降解有機(jī)物，易于酸化。TS 6%，TS 8%酒糟TS產(chǎn)氣率分別為402.08 mL·g-1,387.81 mL·g-1，TS 6%酒糟，TS 8%酒糟VS產(chǎn)氣率分別為441.84 mL·g-1, 426.16 mL·g-1。

(2)發(fā)酵周期相對較短，TS 6%，TS 8%酒糟發(fā)酵周期分別為14 d，15 d。均可以在較短時間內(nèi)快

速啟動發(fā)酵。

[1] 中國輕工業(yè)網(wǎng). 2015年前三季度釀酒行業(yè)整體步入恢復(fù)性增長軌道[EB/OL].http://www.clii.com.cn/qgytpxw/qgyhytpxw/201511/t20151123_3882674.html,2015-11-23.

[2] 施安輝.國內(nèi)白酒工業(yè)固體酒糟環(huán)保生態(tài)化利用的現(xiàn)狀及前景[J].中國釀造, 2006,3(156):4-7.

[3] 龐 欽,章克昌.以酒糟為基質(zhì)的乳酸生產(chǎn)菌的選育及發(fā)酵的研究[J]. 釀酒, 2001(6):62-64.

[4] 王肈穎，肖 敏.白酒酒糟的綜合利用及其發(fā)展前景[J].釀酒科技,2004,1: 65-67.

[5] 李才輝,馮曉西,烏錫康,MAP法處理氨氮廢水的最佳條件研究[J].上海環(huán)境科學(xué),2003,22(6):389-392.

[6] 張 鳴,高天鵬,常國華,李 雪,張 慶.豬糞和羊糞與麥稈不同配比中溫厭氧發(fā)酵研究[J]. 環(huán)境工程學(xué)報, 2010,4(9):2131-2134.

[7] 張翠麗,李軼冰,卜東升,楊改河.牲畜糞便與麥稈混合厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣量、發(fā)酵時間及最優(yōu)溫度[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2008,19(8):1817-1822.

Primary Experiment on Vinasse Fermentation for Biogas Production /

WANG Tai-tao1, ZHAO Long1, ZHANG Pan2， YUAN Hui-song1, YANG Kai1， ZHANG Yun3/

(1.Shengli Oilfield Shengli Power Machinery Group Company LTD,Dongying 257000,China； 2.College of Resources and Environment， Northeast Agricultural University，Harbin 150000，China； 3. Shanghai Chengtou Wastewater Treatment Co LTD，Shanghai 201201，China)

Anaerobic digestion of vinasse with solid concentration of 6%，8% were carried out in batch fermentation at temperature of 38℃±1℃. The result showed that vinasse was easy to develop a large number of VFAs, and was a good raw material for biogas production. For TS content of 6% and 8% in 27 days of fermentation, the TS biogas production rate of vinasse were 402.08 mL·g-1and 387.81 mL·g-1TS , and VS gas production rate were 441.84 mL·g-1，426.16 mL·g-1VS, respectively.Their best fermentation period were 14 days, 15 days, respectively.

distiller's grains； anaerobic digestion； biogas； gas production rate

2016-01-12

2016-04-26

王太濤(1980- )山東濟(jì)陽人，本科，工程師，主要從事沼氣發(fā)酵方面的技術(shù)工作，E-mail 13706478410@126.com 通信作者： 趙 龍，E-mail：sdjtzl@126.com

S216.4； X703

A

1000-1166(2017)01-0060-03