木薯酒精廢渣在不同溫度條件下產沼氣潛力研究

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沼氣潛力。結果表明，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，沒有出現酸化現象，累計產氣量比室溫組多6 760 mL，產氣速率增長較快，是一種良好的沼氣發(fā)酵原料。應用厭氧消化處理木薯酒精廢渣，不僅能減少廢渣對環(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。

關鍵詞 木薯酒精廢渣;不同溫度厭氧消化;產沼氣潛力

中圖分類號 S216.4 ?文獻標識碼 A

文章編號 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

基金項目 國家自然科學基金項目（51366015）;云南省沼氣工程技術研究中心資助項目。

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

收稿日期 2020-01-07

木薯作為一種可利用的能源作物，受到越來越多的學者關注，它本身有較高的利用價值。不同的木薯利用模式會帶來不同的收益，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難題。由于木薯含有較高的淀粉含量，在經過酒精發(fā)酵后的剩余物還含有大量有機物和營養(yǎng)物質，70%以上為有機質，主要有蛋白質、糖分、維生素、殘?zhí)?、短纖維和氮磷鉀等，直接排放也會對環(huán)境造成污染[1-2]。采用厭氧沼氣發(fā)酵技術處理酒精廢渣，一方面可以防止廢棄物的排放對環(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物，經過沼氣發(fā)酵后得到沼氣能源，可以回用到工廠中生產中，達到節(jié)能減排的效果。發(fā)酵完成后的沼渣可用作有機肥，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，有利于農作物生長，從而實現酒精廢渣的可持續(xù)利用，為相關企業(yè)提升經濟效益[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)酵后的副產物）經過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%，這部分物質含有豐富的有機物，可作為沼氣厭氧消化的原料。

接種物：取自云南師范大學（云南省沼氣工程技術研究中心）長期馴化的厭氧活性污泥，經前期試驗測定可知接種物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器中，加入自來水到反應器的標準刻度線，此時攪拌均勻后發(fā)酵料液的有效體積為7 L。

1.2 試驗裝置 試驗裝置為實驗室自行設計的批量式厭氧反應器，反應器呈圓柱體構造，有效容積為7 L，使用有機玻璃材質制造而成。反應器外部設有一個保溫層，保溫層下部設有進水口，保溫層上部設有出水口，外部放置一個中溫水浴桶，用溫控儀控制水溫，通過蠕動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)，同時也能保證反應器處于一個中溫狀態(tài)。反應器頂部通過PVC軟管連接到濕式流量計，可以每天定期通過濕式流量計記錄數值，即日產氣量;濕式流量計另外一端連接集氣柜，用來收集反應器中接種物和原料共同作用下產生的氣體，每隔3 d測定甲烷含量。

1.3 方法

1.3.1 試驗方法。

在進行厭氧反應器處理木薯酒精廢渣試驗前，認真檢查反應器的內外結構，檢查是否存在缺陷，依次進行全局、局部檢漏工作，確保反應器無任何漏水漏氣現象，達到一個完全無氧的環(huán)境。用自來水清洗后，采用往反應器內部注水的方法，測量出反應器的有效容積為7 L，加入接種物的量為反應器容積的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器中，并加自來水至7 L，攪拌均勻后密封，開始發(fā)酵。

試驗設計采用同樣型號批量式厭氧反應器裝置，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。一組在室溫（20 ℃）條件下運行，不采取外部加熱裝置;另外一組在中溫條件下進行，采用溫控儀和加熱管，將溫度控制在（37±1） ℃。其余所有參數設置均相同，唯一改變的就是厭氧發(fā)酵的溫度。通過檢測日產氣量，甲烷含量的變化來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 測定指標及方法。

1.3.2.1 日產氣量的測定。反應器頂部連接一臺濕式流量計，用于記錄每天的產氣量，濕式流量計的另外一端連接氣柜，用于收集產生的氣體。

1.3.2.2 甲烷含量的測定。使用福利公司生產的GC9790II型氣相色譜儀測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 ℃;檢測器溫度140 ℃;進樣器溫度110 ℃;載氣為氮氣，流速30 mL/min。

1.3.2.3 總固體（TS）含量的測定。將樣品放在（105±5）℃的電熱恒溫烘箱中烘干至恒重，并根據公式計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，計算出樣品中VS含量[4]。

1.3.2.5 pH的測定。使用pHS-3C型pH計測定發(fā)酵前后料液的pH變化。

2 結果與分析

2.1 發(fā)酵前后料液分析 試驗前后分別計算和檢測了發(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，這與實際過程中的產氣規(guī)律相符。

2.2 產氣情況分析

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

從圖1可以看出，木薯酒精廢渣試驗啟動較快，第1天日產氣量達到800 mL，第2天日產氣量達到發(fā)酵前10 d的一個小高峰，此后開始下降，同時測定了發(fā)酵第5天的pH，pH僅為5.5，發(fā)酵體系出現酸化問題，但仍然產氣，故不采取任何措施，讓其繼續(xù)發(fā)酵，反應體系中的微生物具有自我調節(jié)作用。經過發(fā)酵體系的自我恢復，第18天日產氣量大幅度上升，pH為6.5，恢復到正常發(fā)酵水平，未出現酸化現象，反應器運行逐漸穩(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)，日產氣量上下浮動較大，受外界環(huán)境溫度變化的影響，產甲烷菌的代謝受到影響，在反應中期階段日產氣量較高，第26天日產氣量最高，達到3 440 mL;甲烷含量隨著發(fā)酵時間的延長而逐漸升高，第34天甲烷含量達到最高值（65.63%），平均甲烷含量為47.08%。

2.2.2 中溫下木薯酒精廢渣產氣情況。木薯酒精廢渣在中溫條件下的產氣時間為33 d，日產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)酵日產氣量和甲烷含量基本上符合沼氣發(fā)酵規(guī)律，試驗開始時日產氣量較低，甲烷含量也較低，隨后逐漸增加，達到產氣高峰后又逐漸下降，由于該組試驗是在中溫37 ℃條件下進行的，對整個發(fā)酵體系來說，外部環(huán)境相對穩(wěn)定，受外部環(huán)境干擾性降低，產甲烷菌在中溫發(fā)酵條件下會更加活躍，代謝更強，發(fā)酵周期比室溫組更短，中溫組在整個發(fā)酵過程中并未出現反應器明顯酸化問題，發(fā)酵過程符合沼氣發(fā)酵的一般規(guī)律，日產氣量在第9天達到峰值，最高達到6 480 mL，甲烷含量在第13天達到最高值（65.28%），平均甲烷含量為54.19%。這些現象表明產甲烷菌生長良好，微生物代謝活躍，發(fā)酵周期縮短。

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

從圖3可以看出，在前8 d室溫條件下產氣速率要高于中溫，室溫組初期啟動時間較快，從第8天起中溫組產氣速率大幅度上升，與室溫組形成明顯對比，其原因是在37 ℃既處于產甲烷菌高活性溫度，也在產氫菌高活性區(qū)間，在二者的協同作用下，會加快有機質降解轉化為甲烷的速率[5]，在發(fā)酵第14天室溫組產氣速率為20.10%，中溫組產氣速率為64.53%，約為室溫組產氣速率的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，但與室溫組相比中溫組存在發(fā)酵過程中能耗大、運行成本高等問題。

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

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

2.5 不同原料產沼氣潛力比較

根據木薯酒精廢渣的TS和VS數據，經計算得到其產沼氣潛力。為了客觀評價木薯酒精廢渣的產沼氣潛力，對其產沼氣潛力與其他發(fā)酵原料進行對比，結果見表3。

從表3可以看出，木薯酒精廢渣的TS產沼氣潛力高于大多數原料，相較于波斯菊秸稈，TS產氣率高出2倍。木薯酒精廢渣中含有大量的有機物，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，在未來工程應用發(fā)展中具有一定的研究意義。

3 結論

（1）在木薯酒精廢渣的整個發(fā)酵過程中，室溫組前期出現了產氣較低的情況，排出外界溫度影響的問題，反應器內部可能出現輕微酸化問題，不做任何處理，發(fā)酵體系能夠很快恢復，中溫組的產氣符合沼氣厭氧發(fā)酵的一般規(guī)律，期間沒有出現酸化問題，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還能產生可供利用的能源，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 ℃條件下進行試驗。結果表明，室溫組木薯酒精廢渣的TS產氣率和VS產氣率分別為508.58和521.18 mL/g;中溫組木薯酒精廢渣的TS產氣率和VS產氣率分別為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)酵時間為33 d，比室溫條件下的發(fā)酵時間縮短了7 d，在實際工程應用中可以節(jié)省時間成本，但中溫環(huán)境中加入的能耗需要進一步計算，以達到實際應用中的利益最大化。

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