馬鈴薯皮渣與牛糞不同配比產(chǎn)沼氣效果研究

吳 笛

(1.西昌學(xué)院 工程技術(shù)學(xué)院， 四川 西昌 615000； 2.四川馬鈴薯工程中心， 四川 西昌 615000)

馬鈴薯皮渣與牛糞不同配比產(chǎn)沼氣效果研究

吳 笛1，2

(1.西昌學(xué)院 工程技術(shù)學(xué)院， 四川 西昌 615000； 2.四川馬鈴薯工程中心， 四川 西昌 615000)

文章以馬鈴薯皮渣和牛糞為原料，通過厭氧發(fā)酵裝置，進(jìn)行混合發(fā)酵產(chǎn)沼氣實(shí)驗。將馬鈴薯皮渣和新鮮牛糞分別以100∶0，80∶20，50∶50，20∶80和0∶100的比例均勻混合，利用自制的厭氧發(fā)酵裝置在30℃的恒溫條件下持續(xù)發(fā)酵34 d。通過測定反應(yīng)體系的產(chǎn)氣速率、沼氣中CH4含量、累計產(chǎn)氣量、反應(yīng)體系pH值變化情況，探究不同比例的馬鈴薯皮渣與牛糞配比對發(fā)酵產(chǎn)氣效果的影響。研究表明，添加高比例的馬鈴薯皮渣對累計產(chǎn)氣量具有明顯優(yōu)勢，而牛糞對于加快產(chǎn)氣速率具有明顯促進(jìn)作用。馬鈴薯皮渣和新鮮牛糞以80∶20配比添加的反應(yīng)體系累計產(chǎn)氣量最高，但CH4的平均濃度較低，連續(xù)34 d產(chǎn)CH4平均濃度為58%。未添加馬鈴薯皮渣即配比為0∶100發(fā)酵體系所產(chǎn)沼氣中CH4平均濃度高達(dá)75%，但累計產(chǎn)氣量較低。因此，從原料有效利用角度考慮，馬鈴薯皮渣與牛糞配比為80∶20時最適合發(fā)酵，TS有效利用率為35.22%，產(chǎn)氣率為291.71 L·kg-1。

馬鈴薯皮渣; 牛糞; 沼氣; 厭氧發(fā)酵

馬鈴薯蛋白質(zhì)營養(yǎng)價值高，易被人體吸收，具備和胃、調(diào)中、健脾、益氣、強(qiáng)身益腎等保健功效[1]。同時馬鈴薯經(jīng)濟(jì)價值良好，在食品、淀粉、飼料和醫(yī)藥等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。目前，世界上有150多個國家和地區(qū)種植馬鈴薯，總栽培面積達(dá)2000多萬hm2[2]。在歐美等發(fā)達(dá)國家，馬鈴薯多以主食形式消費(fèi)，已成為日常生活中不可缺少的食物之一。目前我國馬鈴薯種植面積和總產(chǎn)量均躍升世界首位，消費(fèi)也是世界上增長最快的國家之一[3]。我國的馬鈴薯生產(chǎn)和加工方式較為粗放，產(chǎn)生大量的馬鈴薯廢棄物——廢水、廢渣、廢皮，不但浪費(fèi)資源，而且污染環(huán)境，制約馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[4]。

隨著世界馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略的不斷深入，全粉生產(chǎn)正逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的淀粉提取，因此馬鈴薯渣的數(shù)量大規(guī)模減少。然而馬鈴薯皮的產(chǎn)生不可避免，全球馬鈴薯加工所產(chǎn)生的馬鈴薯皮為每年7～14萬噸[5]。馬鈴薯皮渣含水量高，帶有多種細(xì)菌，易腐敗變質(zhì)，產(chǎn)生惡臭，污染環(huán)境。同時，馬鈴薯皮渣含有大量的殘余淀粉和纖維素物質(zhì)，還含有發(fā)酵細(xì)菌繁殖所需的多種營養(yǎng)成分，適合發(fā)酵生產(chǎn)沼氣[6]。因此，利用馬鈴薯皮渣作為發(fā)酵原料生產(chǎn)沼氣，不僅可以減少環(huán)境污染，而且還可以達(dá)到物盡其用、變廢為寶的目的。

沼氣發(fā)酵是一個相對復(fù)雜的過程，由多種菌群共同協(xié)作完成。它分為水解階段，酸化階段及產(chǎn)甲烷階段，并維持著相對的動態(tài)平衡[7-13]。馬鈴薯皮雖然營養(yǎng)豐富，但含有大量的纖維素物質(zhì)，不易被厭氧菌分解，在發(fā)酵初期，微生物可利用的有機(jī)物質(zhì)較少，不利于其生長和厭氧消化的進(jìn)行。因此單純使用馬鈴薯皮進(jìn)行厭氧發(fā)酵，產(chǎn)氣速度慢且產(chǎn)量不高，同時甲烷的純度較低，燃燒效率低。

混合發(fā)酵是近年來厭氧發(fā)酵領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一，將較難分解的有機(jī)物與易分解有機(jī)物混合發(fā)酵不但同時處理了幾種發(fā)酵原料，而且可以提高發(fā)酵原料的生物轉(zhuǎn)化率[14]。近期研究發(fā)現(xiàn)，沼氣生產(chǎn)過程中采用微生物混合發(fā)酵的方式，可在較短的發(fā)酵期內(nèi)成功地將碳水化合物轉(zhuǎn)化為大量的菌體蛋白，從而提高產(chǎn)氣量[15-18]。

牛糞是養(yǎng)牛場產(chǎn)生的主要有機(jī)固體廢物。新鮮牛糞中含有大量的干物質(zhì)、粗蛋白、粗脂肪、鈣、磷等有機(jī)質(zhì)，這些有機(jī)質(zhì)含量豐富且容易被微生物分解，同時還有大量的菌種，如纖維素分解細(xì)菌和甲烷菌。如果將馬鈴薯皮和牛糞混合發(fā)酵，牛糞中易分解的有機(jī)質(zhì)能快速被甲烷菌分解，使其大量繁殖；同時牛糞中的纖維素分解細(xì)菌能快速分解馬鈴薯皮中的纖維素物質(zhì)，加快馬鈴薯皮的發(fā)酵速度；加之牛糞中還含有部分甲烷菌，混合發(fā)酵后甲烷菌的數(shù)量增多，改善了原料中的pH值及C/N[19]，從而更利于發(fā)酵的進(jìn)行。

文章研究了一個產(chǎn)氣周期(34 d)內(nèi)不同比例牛糞與土豆皮在特定混合發(fā)酵條件下產(chǎn)氣速率、累計產(chǎn)氣量及甲烷濃度的變化趨勢；分析了反應(yīng)體系的pH值及物料的TS和VS變化情況；得出了最佳產(chǎn)氣比，為馬鈴薯皮資源化研究及技術(shù)推廣提供了依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗材料

馬鈴薯皮由新鮮馬鈴薯經(jīng)機(jī)械去皮所得，并用粉碎機(jī)將馬鈴薯皮粉碎至0.3～0.5 cm。牛糞取自四川省西昌市某養(yǎng)牛場。沼液取自西昌市馬坪壩一農(nóng)戶家常年進(jìn)行厭氧發(fā)酵的沼氣池。實(shí)驗材料的基本性質(zhì)見表1。

1.2 實(shí)驗方法

實(shí)驗裝置為西昌學(xué)院自行設(shè)置的可控性恒溫厭氧發(fā)酵裝置，主要由發(fā)酵裝置、集氣裝置及控溫裝置3部分組成，如圖1所示。采用1000 mL廣口瓶模擬厭氧反應(yīng)器，將發(fā)酵原料(新鮮馬鈴薯皮與牛糞)按設(shè)定的比例放入瓶中，添加沼液500 mL。整個發(fā)酵裝置于恒溫水浴鍋中，恒溫水浴鍋溫度控制在28℃～30℃，反應(yīng)周期設(shè)為34 d。馬鈴薯∶牛糞配比分組見表2。實(shí)驗開始時，向反應(yīng)器內(nèi)充入氮?dú)庖耘艃舴磻?yīng)器內(nèi)的空氣，用橡膠塞密封，接口處涂抹凡士林增加密閉性。發(fā)酵裝置和集氣裝置由橡膠管連接。將準(zhǔn)備好的發(fā)酵裝置放置于水槽內(nèi)，并設(shè)2組平行實(shí)驗。采用排飽和食鹽水法收集氣體，每天定時記錄產(chǎn)氣量；原料、接種物以及發(fā)酵前后料液的pH值用精密pH試紙(5.5～9.0)測量；沼氣中甲烷濃度利用沼氣成分簡易測定法[7]測定；總固體含量(TS)、揮發(fā)性固體含量(VS)采用常規(guī)分析法，測定原料接種物以及發(fā)酵前后料液的TS和VS。

表1 馬鈴薯皮、牛糞的基本性質(zhì) (%)

表2 原料不同配比設(shè)置 (g:g)

圖1 馬鈴薯皮-牛糞厭氧發(fā)酵裝置

2 結(jié)果與分析

2.1 沼氣產(chǎn)量測定

從圖2可以看出，在30℃的發(fā)酵模擬器中，除實(shí)驗組C外，各組產(chǎn)氣情況大致可以分為發(fā)酵啟動期、發(fā)酵盛產(chǎn)期和發(fā)酵終止期3個階段。實(shí)驗組A，B，D，E的產(chǎn)氣量變化均為增加—降低—增加—降低的趨勢。其中A組和B組曲線變化趨勢相似，D組和E組變化趨勢相似。A組和B組在第2天出現(xiàn)第一個產(chǎn)氣峰值，在t=15 d，迅速產(chǎn)氣，分別在28 d，24 d達(dá)到產(chǎn)氣高峰，分別為1280 mL、1190 mL。產(chǎn)氣高峰持續(xù)3～4 d，出現(xiàn)了產(chǎn)氣量急劇下降的趨勢，一周之后，產(chǎn)氣量分別下降為400 mL，180 mL。D組和E組在第4天、第3天出現(xiàn)產(chǎn)氣峰值，分別為330 mL，290 mL。在t=12 d，迅速產(chǎn)氣，在第14天達(dá)到產(chǎn)氣高峰，分別為500 mL，360 mL。

圖2 產(chǎn)氣量隨時間變化曲線

圖3 累積產(chǎn)氣量

另外從圖3的產(chǎn)氣曲線可以明顯看到，實(shí)驗組A和B比D和E組曲線的第二個波峰出現(xiàn)較晚，各組實(shí)驗結(jié)束時累計產(chǎn)氣量分別為9834 mL，10274 mL，5241 mL，3193 mL。以累計產(chǎn)氣量達(dá)到總產(chǎn)氣量的80%計，實(shí)驗組A～E所需時間分別為30 d，26 d，22 d，20 d?？梢钥闯鎏砑痈弑壤R鈴薯皮渣，累計產(chǎn)氣量相應(yīng)增加，但是產(chǎn)氣速率相應(yīng)下降。這是由馬鈴薯皮渣和牛糞自身的特點(diǎn)決定的。A組和B組馬鈴薯皮渣含量豐富，發(fā)酵開始時，皮渣中那些易降解的物質(zhì)首先被微生物代謝分解，出現(xiàn)了第1個產(chǎn)氣波峰；接著皮渣中那些難降解的物質(zhì)如纖維素、木質(zhì)素等開始降解，又出現(xiàn)了第2個產(chǎn)氣波峰。但是馬鈴薯皮渣中難降解的木質(zhì)素、纖維素的含量較多，因此產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)較晚。D組和E組添加了較高比例的牛糞，牛糞中的易分解的有機(jī)質(zhì)能快速被甲烷菌分解，使其大量繁殖；同時牛糞中的纖維素分解細(xì)菌能快速分解馬鈴薯皮渣中的纖維素和木質(zhì)素，加快馬鈴薯皮的發(fā)酵速度；加之牛糞中還含有部分甲烷菌，混合發(fā)酵后甲烷菌的數(shù)量增多，利于發(fā)酵的進(jìn)行。因此牛糞的添加對于厭氧消化起到了促進(jìn)作用，加快了產(chǎn)氣高峰值的出現(xiàn)，在第15天產(chǎn)氣速率達(dá)到最大值。實(shí)驗組B即馬鈴薯皮渣與牛糞配比為80∶20時，累計產(chǎn)氣量最多，這是因為馬鈴薯皮渣含量豐富，含有豐富的有機(jī)質(zhì)，同時添加適量的牛糞，牛糞中含有高濃度微生物，會加速馬鈴薯皮渣及牛糞自身有機(jī)質(zhì)的分解，因此不論是累計產(chǎn)氣量還是產(chǎn)氣速率都相應(yīng)提高。以上結(jié)果表明添加較高比例的馬鈴薯皮渣進(jìn)行發(fā)酵對累計產(chǎn)氣量具有明顯優(yōu)勢，而牛糞對于加快產(chǎn)氣速率具有明顯促進(jìn)作用。

2.2 實(shí)驗體系pH值變化情況

圖3反映的是各組反應(yīng)體系中pH值變化情況。pH值在厭氧發(fā)酵過程中是一個非常重要的參數(shù)，所反映的是物料中揮發(fā)性脂肪酸(乙酸、丙酸等)的濃度[20-21]和料液的緩沖能力。從圖上可以看出，E組即馬鈴薯皮渣與牛糞物料比0∶100，反應(yīng)體系的pH值在厭氧發(fā)酵過程中變化不大，保持較穩(wěn)定狀態(tài)。在發(fā)酵初期，pH值先下降，到第4天，達(dá)到第一個峰谷，pH值為7.3。在后期的發(fā)酵階段，反應(yīng)體系的pH值穩(wěn)定在7.6～7.2。實(shí)驗組A～D，從圖上可以明顯看出，4組pH值變化曲線均在反應(yīng)的4～5天pH值由7.3～7.5下降到6.2～6.7。實(shí)驗組A即馬鈴薯皮渣與牛糞物料比為100∶0，pH值下降值最大。發(fā)酵7d之后，反應(yīng)體系pH值逐漸增大，直到反應(yīng)第34天，pH值升為8.3。而D組體系pH值變化趨于一個最優(yōu)的狀態(tài)，pH值變化平緩，維持在6.7～7.5。

圖4 反應(yīng)體系pH值變化曲線

2.3 實(shí)驗物料TS和VS分析

通過測定各實(shí)驗組和對照組發(fā)酵前后料液的TS，VS，pH值，可以確定料液中有機(jī)物的降解程度。由表3可知，實(shí)驗組A和B發(fā)酵底物的料液TS和VS降低程度最大。TS分解率分別為33.48%，35.22%，D組和E組次之(23.02%，22.92%)，C組最小(15.63%)。這與之前各實(shí)驗組的累計產(chǎn)氣量具有關(guān)聯(lián)性，即TS和VS利用率越大，累計產(chǎn)氣量越多。這是和厭氧發(fā)酵中微生物新陳代謝要消耗有機(jī)物相關(guān)的。從原料有效利用與實(shí)際操作角度考慮，馬鈴薯皮渣與牛糞配比為80∶20時最適合發(fā)酵，此配比所得累計產(chǎn)氣量最大，TS有效利用率為35.22%，產(chǎn)氣率為291.71 L·kg-1。

表3 實(shí)驗物料TS和VS分析 (%)

3 結(jié)論

比較了不同馬鈴薯皮渣與牛糞不同配比的厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效果，通過分析產(chǎn)氣速率、累計產(chǎn)氣量、反應(yīng)體系pH值變化以及發(fā)酵前后實(shí)驗物料的TS和VS變化情況，得出以下結(jié)論。

(1)各組產(chǎn)氣情況大致可以分為發(fā)酵啟動期、發(fā)酵盛產(chǎn)期和發(fā)酵終止期3個階段。實(shí)驗組A～E的產(chǎn)氣量變化均為增加—降低—增加—降低的趨勢。

(2)添加高比例馬鈴薯皮渣，累積產(chǎn)氣量相應(yīng)增加，但是產(chǎn)氣速率相應(yīng)下降。牛糞的添加對于提高產(chǎn)氣速率及CH4含量具有明顯的優(yōu)勢。

(3)發(fā)酵的第25～30天，反應(yīng)體系pH值均穩(wěn)定在7.1～7.5，發(fā)酵過程達(dá)到穩(wěn)態(tài)。

(4)增大馬鈴薯皮渣添加比例，可提高TS和VS利用率。馬鈴薯皮渣與牛糞配比為80∶20時最適合發(fā)酵，此配比所得累計產(chǎn)氣量最大。

綜上，馬鈴薯皮渣是一種較好的沼氣發(fā)酵原料。添加合適比例的牛糞能夠為發(fā)酵提供更豐富的菌群，使馬鈴薯皮渣利用程度更高，產(chǎn)氣效果更好。

[1] 王春香. 馬鈴薯面條的研制[J]. 科技交流, 2004:30.

[2] 謝從華. 馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(社會科學(xué)版), 2012(1):1.

[3] 馬 鶯. 馬鈴薯加工業(yè)的現(xiàn)狀及研究前景[J]. 薯類加工, 2001, 2 : 123.

[4] 安志剛，韓黎明，劉玲玲，等.馬鈴薯廢棄物的資源化利用[J]. 食品與發(fā)酵工業(yè), 2015, 41(2): 265.

[5] K C Chang. Polyphenol antioxidants from potato peels: extraction, optimization and application to stabilizing lipid oxidation in foods. Proceedings of the National Conference on Undergraduate Research (NCUR)[M]. New York：Ithaca College, 2011.

[6] 孫傳伯,李 云, 廖梓良，等. 馬鈴薯皮渣沼氣發(fā)酵潛力的研究[J]. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2008, 2 : 8.

[7] De Graef, Devriese LA, Vancanneyt M. et al. Description of enterococcus canis sp.nov. from dogs and reclassification of enterococcus portinus Teixeira et al.[J]. Syst Evol Microbiol, 2001, 53:1069-1074.

[8] Fey A, Conrad A. Effect of temperature on carbon and electron flow on thearcheal community in methanogenic rice field soil [J]. Appl Environ Microbiol, 2000, 66:4790-4797.

[9] Pavel Svee, Marc Vancanneyt, Luc A Devriese et al. Enterococcus aquimarinus sp. Nov. isolated from sea water [J]. Syst Evol Microbiol, 2005, 55:2183-2187.

[10] Ahring B K, Angelidakil, Johansen K. Amerohic treatment of manure together with industrial waste[J]. Water Science and Technology, 1992, 25(7):311-318.

[11] Balint B Z, Bagi A, Toth G，et al. Utilization of keratin-containing biowaste to produce biohydrogen [J]. Applied Microbiology and Biotechnology, 2005, 69(4):404-410.

[12] Hang T. Friedrich W. Iron corruston by novel anaerobic microorganisms[J]. Nature, 2004, 427: 829-832.

[13] Jarrell K F, Faguy D, Hebert AM，et al. Ageneral method of isolating high molecular weight DNA from methanogenic archaea[J]. Microbiol, 1992, 38:65-68.

[14] 陳廣銀，鄭 正，鄒星星. 牛糞與互花米草混合厭氧消化產(chǎn)沼氣的試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2009,25(3):179.

[15] Fields M L，S Trantration ，R E Baldwin. Production of bacterial and yeast biomass in ground corn cob and ground corn stalk media [J]. Food Prot, 1991, 54: 117-120.

[16] Ghanem K M. Single-cell protein production from beet pulp by mixed culture[J]. Microbilogia, 1992, 8:39-49.

[17] Manilal V B, C S Narayanan and C Balagopalan. Cassava starch effluent treatment with concomitant SCP production[J]. Microbiol Biotechnol, 1991, 7: 185-190.

[18] Pasari A B, R A Korus，R C Heimsch. A model continuous fermentation with amylolytic yeasts[J]. Biotechnol Bioeng, 1989, 32: 338-343.

[19] 崔健久，李寶河.沼氣成分簡易測定法[J].中國沼氣，1985(3).

[20] Gallert C, Winter J.Bioresource Technology,2010，101, 6987-6993.

[21] Akbar Sanaei Moghadam, Mohammad Hossein Abbaspour Fard, Hasan Aghel, et al.Enhancement of Biogas Production by Co-digestion of Potato Pulp with Cow Manure in a CSTR System[J].Applied Biochemistry and Biotechnology, 2014, 173(7) : 1858-1869.

[22] 何光設(shè), 蔣恩臣, 袁振宏. 厭氧發(fā)酵過程中pH值得數(shù)學(xué)模型研究[J]. 太陽能學(xué)報, 2008, 29(1) : 65-67.

[23] 林代炎, 林新豎, 楊 菁, 葉美鋒. 產(chǎn)甲烷菌在厭氧消化中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 福建農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2008, 23(1) : 106-110.

[24] 麻婷婷, 承 磊, 鄭珍珍, 覃千山, 代莉蓉, 張 輝. 不同pH緩沖液對由乙酸產(chǎn)甲烷菌群結(jié)構(gòu)的影響[J]. 微生物學(xué)報, 2015, 54(12) : 1453-1461.

[25] OH Y K, SEOL E H, LEE E Y. Fermentative hydrogen production by a new chemoheterotrophic bacterium Rhodopseudomonas Palustris P4[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2002, 27 : 1373-1379.

Biogas Productions with Different Ration of Potato Peels and Cattle Manure as Substrate /

WU Di1,2/

(1. School of Engineering Science, Xichang College, Xichang 61500，China; 2.Potato Engineering Center of Xichang, Xichang 615000, China)

Potato peel and cattle manure mixed anaerobic fermentation were experimented in this paper. The two substrates were mixed in different ratio of 100∶0, 80∶20, 50∶50, 20∶80 and 0∶100 respectively. The fermentation lasted for 34 days under constant temperature of 30℃. Parameters were investigated for biogas production, CH4content, cumulative gas production, pH variations in the system. The results illustrated that the high proportion of potato peel obtained an obvious higher cumulative gas, and cattle manure was efficient in accelerate the fermentation. The max cumulative biogas was obtained with the potato peel and cattle manure ratio of 80∶20, but its average CH4content of 58% in 34 days operation was lower than other mixing ratio.The mixing ratio of 0∶100 (sole cattle manure fermentation) has the highest average CH4content of 75%, but its cumulative gas was low. Considering the effective use of raw materials, the ratio of 80∶20 was recommended, which could obtain an effective TS utilization rate of 35.22% and gas production rate of 291.71 L·kg-1.

potato peel; cattle manure; biogas; anaerobic digestion

2016-03-21

吳 笛(1970-)，女，西昌市人，副教授，研究方向為食品工程，E-mail:xccollege.wd@163.com

S216.4； X712； X713

B

1000-1166(2017)02-0077-04