木薯酒糟渣沼气化利用的厌氧发酵特性

薛红军 王奇

摘 要：燃料乙醇副产物木薯酒糟渣富含粗纤维和蛋白。为研究其沼气化利用的厌氧发酵特性，利用半连续进料全混式厌氧发酵工艺（CSTR），在高温50℃的条件下，进行木薯酒糟渣厌氧发酵产沼气实验，实验过程中逐渐增加体系的进料负荷。实验结果表明，半纤维素平均利用率为76.57%，纤维素利用率为63.07%，木质素利用率为42.00%，VS转化率63.42%。在进料负荷为1.88gVS/（L·d）时，TS日产气率最高达0.46L/（gTS·d），但继续增加进料负荷，TS日产气率逐渐降低;容积产气率最高为1.167m3/（m3·d），甲烷浓度高达58.9%，挥发性脂肪酸位于1 250mg/L左右，氨氮基本维持在2 300～2 500mg/L。实验结果可为沼气生产开辟新的物料，并实现其资源化和能源化利用。

关键词：木薯酒糟渣;厌氧发酵;沼气

中图分类号：S216.2 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）19-0134-06

Abstract： Fuel ethanol byproduct cassava residues are rich in crude fiber and protein. The cassava residues anaerobic fermentation biogas production experiments were studied by using semi-continuous loading in continuous stirred tank reactor（CSTR） at high temperature of 50℃. The purpose of this experiment was to study the anaerobic fermentation characteristic of cassava residues. The feeding load of the system was gradually increased during the experiment. The results showed that the average utilization rate of hemicellulose was 76.57%， cellulose utilization rate was 63.07%， lignin utilization rate was 42.00%， VS conversion rate was 63.42%. When the feed load was 1.88gVS/（L·d）， the daily gas production rate of TS reached 0.46L/（gTS·d）， but the daily gas production rate of TS decreased gradually with the increase of feed load. The volume gas production rate was 1.167m3/（m3·d）， the methane concentration was 58.9%， the volatile fatty acid was about 1 250mg/L， and the ammonia nitrogen was basically maintained at 2 300-2 500mg/L. The experimental results can open up new materials for biogas production and realize its resource and energy utilization.

Keywords： cassava residues;anaerobic fermentation;biogas

木薯（Cassava）又稱木番薯或树薯，与马铃薯和番薯被称为世界三大薯类作物，享有“地下粮食”“淀粉之王”及“能源作物”的美誉，在热带、亚热带地区广泛种植。其作为重要的经济作物和燃料作物，大规模种植于我国南方地区，广西壮族自治区年产量居于前列[1，2]。木薯酒糟渣是使用木薯生产燃料乙醇蒸馏后的副产物，酒糟经板框分离机固液分离得糟液和糟渣。据相关测算，在木薯燃料乙醇生产过程中，每生产1t乙醇伴随产生500kg左右的干基木薯发酵残渣（木薯酒渣）[3]。

木薯酒渣的主要成分为粗纤维、粗灰分和无氮浸出物，粗脂肪含量极低，其中纤维素类78%、多糖类3%、蛋白质类约9%、其他10%[4]。木薯酒糟渣绝大部分是淀粉，富含营养物质，如多糖类、蛋白质类等，在自然环境中放置极易酸败发霉而对环境造成严重污染。众多公司将湿木薯酒糟不经处理直接出售，但获利不大。因此，高效利用木薯酒渣，生产高附加值工业产品，成为摆在燃料乙醇企业面前的关键技术难题。当前，木薯酒渣主要用作有机肥、饲料、燃料和造纸等生产。木薯渣残留的有机物含量较高，可作为沼气发酵的原料。通过发酵技术及时利用废弃木薯渣厌氧消化制成清洁能源沼气，用于燃烧供热或发电，能缓解能源紧张、改善环境，符合绿色发展理念。

工业上通常将木薯酒糟分离得到的糟液通过厌氧发酵生产沼气，而糟渣制备沼气的研究不多。浦跃武等[5]采用批次实验研究了木薯渣（提取淀粉后）的酸化特性及不同接种率对厌氧发酵生产沼气的影响，证明了利用木薯渣产甲烷的可行性，挥发性固体（VS）产气速率达249.35mL/g，甲烷含量最高达到48.16%。学者对木薯提取淀粉后的木薯渣利用研究较多，而该工艺木薯糟渣来源为木薯燃料乙醇副产物木薯酒糟，其在生产上主要是烘干做DDGS饲料用，将其厌氧发酵制备沼气，可为其高值化利用开辟新的途径。探究木薯渣产气特性采用静态小试发酵居多，针对全混半连续发酵工艺的研究相对较少，该过程每天进出料维持动态平衡，沼液拌料回流，中试放大更接近实际生产，对工业化应用指导性更强。

本研究以木薯酒糟渣为发酵底物，采用半连续进料全混式厌氧发酵工艺（CSTR），在50℃高温条件下，利用自行改装的50L发酵罐对其进行厌氧发酵产沼气中试实验，探索木薯糟厌氧消化产沼气的特性，实现木薯糟能源化、无害化和减量化利用，以期为替代大型秸秆沼气工程原料提供相应参考。

1 材料与方法

1.1 发酵原料和接种物

发酵物料采用河南天冠生物工程股份有限公司木薯燃料乙醇蒸馏后的酒糟经卧式板框分离得到的糟渣，其总固体（Total Solid，TS）含量为30.60%（wt），TS的挥发性固体（Volatile Solid，VS）为84.67%（wt），纤维素23.45%，半纤维素16.58%，木质素21.99%，有机碳45.24%，总氮2.04%，C/N=22.18，灰分11.33%。

接种物为南阳国家农业科技园区秸秆两相厌氧发酵产沼气的发酵液经板框分离得到的沼液和沼气公司UASB厌氧反应器底部的厌氧活性颗粒污泥按体积比混合的混合液，发酵沼液∶厌氧活性污泥=1∶2，沼液的TS为6.26%，VS为62.84%，pH值为7.54。

1.2 实验装置

全混厌氧发酵反应器（CSTR）如图1所示。其由FUS-50L多参数全自动发酵罐改装而成，主要包括温控部分、发酵系统和气体计量。温度由超级恒温水浴锅控制，夹套保温，反应器顶部设垂直搅拌电机，机械密封，搅拌转速由发酵控制系统调节，底部出料口取样检测分析，气体通过湿式气体流量计计量，中部进料，底部出料，进出料通过阀门控制。

1.3 实验方法

厌氧发酵在密闭的CSTR发酵罐中进行，厌氧发酵系統总容积50L，实际装料量36L。发酵启动料液固形物设计为8%（wt），接种物为发酵沼液和厌氧活性颗粒污泥的混合液，接种量为30%，实验采用（50±1）℃高温发酵，搅拌速度为100～120r/min，根据实际调整;pH控制在6.8～7.5，以半连续的方式进料，每天09：00进出料一次，底部放料，中部进料，进料量和出料量维持动态平衡，出料液采用150目滤布进行固液分离得到沼渣和沼液。沼液配制进料料液并回流至发酵罐维持菌种量，沼渣滤除，进料料液量低于出料量时用自来水补足。每天检测系统产气量、发酵液pH值、挥发性脂肪酸（Volatile Fatty acid，VFA）、氨氮及发酵料液固形物，定期测定沼渣纤维素、半纤维素、木质素、VS含量和沼气组分等参数。

实验过程中，逐渐增加体系的进料负荷，探索物料的最佳转化率。1～20d，进料负荷1.88gVS/（L·d）即80gTS/d;21～34d，进料负荷2.35gVS/（L·d）即100gTS/d;35～46d，进料负荷2.85gVS/（L·d）即120gTS/d。在同一进料负荷下，待产气量、VFA及pH值等稳定后维持一段时间再提高进料负荷。

1.4 指标检测和计算方法

①总固体含量TS测定[6]：在（105±1）℃的鼓风干燥箱中烘至恒重，差重法测定;挥发性固体含量VS测定：烘干的TS置于马弗炉中于（550±5）灼烧4h，差重法测定。

②总碳采用重铬酸钾容量法测定;总氮采用凯氏定氮法测定。

③pH值测定：SG2型便携式pH计（梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司）;VFA测定：采用蒸馏滴定法;氨氮测定：参照标准《水质氨氮的测定蒸馏–中和滴定法》（HJ 537—2009）。

④沼气产气量：用湿式气体流量计每天09：00记录沼气发酵系统的沼气日产气量;沼气组分测定：采用Geotech便携式GA5000沼气分析仪。

⑤纤维素、半纤维素和木质素含量的测定：按照美国可再生能源实验室（NREL）标准方法[7]进行;纤维素、半纤维素和木质素利用率（%）=（1-沼渣中的含量/反应前进料中的含量）×100%。

⑥TS日产气率，即单位绝干物质日产气量，反映物料的产气潜力。VS利用率=1-沼渣VS含量/进料VS含量。

2 实验结果

2.1 产气性能分析

厌氧发酵的作用是降解有机物制备沼气，实现物料的能源化和资源化利用。日产气量、TS日产气率和甲烷含量是衡量厌氧发酵效率好坏的关键参数指标。分析沼气组分中甲烷的百分比含量，可推断出在厌氧发酵过程中是酸化反应还是甲烷化反应占优势。当甲烷含量不低于50%时，甲烷化反应占主导。图2为不同进料负荷条件下日产气量的变化曲线。

从图2可知，启动阶段产气量较高，为接种物本身和物料共同产气的结果;随着进料负荷提高，日产气量逐渐增大，TS日产气率逐渐降低。进料负荷为1.88gVS/（L·d）时，日产气量先降后升，运行到第17天日产气量最高，达37L/d，第17天至第20天基本稳定在36L/d;TS日产气率相对较高，最高达0.46L/（gTS·d）。这主要是由于系统水力停留时间HRT=18d，整个系统已完成置换，产甲烷菌适应该环境，产气活性较高。当进料负荷提升到2.35gVS/（L·d）时，日产气量先降低而后逐渐稳定，第22天产气量达40L/d，第17天至第25天日产气稳定在36L/d左右，第26天至33天日产气量维持在32L/d附近;TS日产气率逐渐降低趋于稳定在0.32L/（gTS·d）。进料2.85gVS/（L·d）时，日产气量增加慢慢趋于稳定，之后呈现降低的趋势;TS日产气率有所升高，稳定在0.34L/（gTS·d）。

2.2 厌氧发酵过程中pH和VFA的变化

pH值不仅会对微生物体内各种酶的催化活性及代谢途径产生影响，还能影响生物细胞的形态和结构，进而导致吸附或絮凝现象，引起生物体催化效果的改变，因此稳定的pH值对厌氧系统的正常运行非常关键[8]。一般认为，产甲烷菌所能适应的pH值范围较窄，当pH值为6.5～7.5，产甲烷菌均有较强的活性。但实际表明，各种产甲烷菌在不同环境中所需的最适pH值各不相同。例如，厌氧消化反应器中几种常见的中温产甲烷菌的最适pH值分别是：甲酸甲烷杆菌为6.7～7.2，布氏甲烷杆菌为6.9～7.2，巴氏甲烷八叠球菌为7.0左右。由此可以认为，中温产甲烷菌的最适pH值为6.8～7.2。图3为厌氧发酵过程中pH和VFA的变化。

从图3可以看出，实验初期，pH相对较低，随着实验进行，pH值逐渐升高，慢慢趋于稳定基本维持在7.4左右，位于产甲烷菌适宜的pH值范围内（6.80～7.50）。

挥发性脂肪酸主要由乙酸、丙酸、丁酸和戊酸等组成，是有机物在厌氧消化过程中水解酸化的主要产物，同时也是产甲烷菌所利用底物，其浓度高低常常作为评价水解酸化和产甲烷是否平衡的重要指标。由于水解产酸菌的生长和产酸代谢速率较快，而产甲烷菌的生长和产甲烷代谢较慢，因此，挥发性脂肪酸浓度出现先升高后下降的趋势，随着产甲烷菌的大量繁殖并达到产酸与产甲烷平衡后，挥发性脂肪酸浓度稳定在较低水平。VFA作为重要的控制指标，先升后降，慢慢地趋向稳定，由此可判断系统处理的好坏，判断能否将有机物充分转化为甲烷。实验过程中，挥发性脂肪酸VFA位于1 250mg/L左右，而后先升高又降低。这主是因为木薯酒糟渣经过高温蒸煮液化和蒸馏易被微生物降低成小分子物质，并含有粗蛋白和纤维易产酸，系统稳定后被产甲烷菌代谢利用。

2.3 厌氧发酵过程中氨氮的变化

氨氮在厌氧发酵生产沼气的过程中，可为产酸菌和厌氧发酵菌类生长提供必需的氮源，调节发酵液的pH值，但氨氮浓度超过一定范围，不利于厌氧菌的生长，且会抑制产甲烷菌的活性，降低厌氧降解过程。厌氧发酵系统中的氮素主要来自原料中的含氮化合物，料液中的大分子含氮有机物在水解酸化细菌的作用下转化为小分子有机氮化合物，小分子有机氮在氨化细菌的作用下进一步转变化为无机态氮。在厌氧环境下，氨态氮是无机态氮存在的主要形式，在溶液中有离解型和非离解型2种表现状态，即NH3→NH4++OH-。沼液中氨态氮含量不断变化是由两方面原因共同引起的：厌氧微生物生长过程中对氨氮的消耗，使得氨氮含量降低;有机物在分解过程中产生了大量可溶性氨氮，使氨氮浓度升高[9]。厌氧发酵过程中氨氮变化曲线如图4所示。

从图4可知，氨氮浓度随有机负荷的提高而增大。实验前期，原料中蛋白质和氨基酸开始水解，氨氮浓度逐渐增大，第12天达2 349mg/L，第13天至第39天基本维持在2 300～2 500mg/L，之后随着沼液的长时间回流，氨氮浓度继续增加，最高达3 470mg/L。这可能是因为沼液中的有机氮在产酸过程中转化为无机氮，加之物料中的蛋白质分解，长时间富集导致氨氮浓度逐渐升高。结合前面产气分析，原料TS日产气率第一阶段最高达0.46L/（gTS·d），第二、三阶段有所降低，分别为0.32L/（gTS·d）和0.34L/（gTS·d）。这表明产甲烷菌的活性随着氨氮的累积有所降低，但不是很明显。氨氮抑制的机理是[10]：游离氨直接抑制甲烷合成酶的活性，并且游离氨为疏水性分子，通过被动扩散作用渗入细胞，改善了细胞内外质子平衡和钾的缺乏。另外，进入细胞的游离氨在细胞内转化为铵，铵在细胞内累积改变了细胞内的pH值，从而对细胞产生毒害作用。另外，被驯化过的产甲烷细菌会逐渐适应氨氮的毒性和耐受性。

2.4 厌氧发酵过程中容积产气率和气体浓度的变化

容积产气率是评价沼气发酵系统运行情况的重要性能指标。在反应体积相同时，容积产气率越高，能消化产生的沼气就越多。木薯酒糟渣厌氧发酵稳定运行容积产气率平均0.99m3/（m3·d），随着进料量的增加，容积产气率先降后升，最后基本稳定，最高为1.167m3/（m3·d）。甲烷化作用是厌氧过程的重要特征，产气量和甲烷含量是衡量厌氧消化的重要指标。图5为实验过程中容积产气率和气体浓度的变化趋势。

从图5可知，实验初期，厌氧菌主要代谢发酵液中易降解的有机质快速繁殖生长，引起CO2浓度较高，CH4浓度较低;在稳定的甲烷化阶段，甲烷菌活力增强亦使甲烷化产气阶段产气速率提高，水解发酵菌和产氢产乙酸菌降解有机物产生的挥发性有机酸被产甲烷菌快速利用产生甲烷，产气量增加;随着实验的推进，CH4浓度逐渐升高，慢慢趋于稳定，沼液的不断回流使氨氮累积，甲烷略有降低，最高达58.9%，CO2浓度先降后升，平均为32.9%。

2.5 厌氧发酵过程中物料的利用率

木薯酒糟渣经液化、糖化和发酵产生乙醇后，淀粉被利用，剩余含量很低，主要成分为纤维素、半纤维素和木质素。木薯酒糟渣目前主要制作成酒糟蛋白饲料，可为更好地实现其资源化和能源化利用、进行厌氧发酵产沼气开辟新利用的方式。表1为实验过程中物料的利用情况。

从表1可知：三大组分降解率半纤维素>纤维素>木质素，纤维素平均利用率为63.07%，半纤维素平均利用率为76.57%，木质素平均利用率为42.00%，VS转化率平均为63.42%。这可能是木薯经90℃高温蒸煮液化，60℃糖化和126℃蒸馏，其结构变得相对疏松，结晶度有所降低，大分子物质更易被微生物降解转化成糖类、脂类和氨基酸等，进而经水解酸化菌和产氢产乙酸菌代谢生成挥发性脂肪酸，再被产甲烷菌利用。

3 结论

①燃料乙醇副产物木薯酒糟渣富含粗纤维和粗蛋白等有机物，在厌氧菌的作用可降解为还原糖和葡萄糖，进而被产甲烷菌代谢产甲烷。利用木薯糟厌氧发酵产沼气，可为沼气生产开辟新的物料，并实现其资源化、能源化和无害化利用。

②产气量与进料负荷密切相关。增加进料负荷，日产气量逐渐增大，TS日产气率先升高而后逐渐降低并趋于稳定。进料负荷为1.88gVS/（L·d）时，TS日产气率最高为0.46L/（gTS·d）;进料负荷提升至2.35gVS/（L·d）时，TS日產气率最高为0.32L/（gTS·d）;进料负荷为2.85gVS/（L·d）时，TS日产气率稳定在0.34L/（gTS·d）。容积产气率先降后升，最后基本稳定，最高为1.167m3/（m3·d）。甲烷浓度高达58.9%。

③厌氧消化过程中，pH值基本在7.40，VFA约1 250mg/L，氨氮基本维持在2 300～2 500mg/L，之后随着沼液的长时间回流，氨氮浓度继续增加，最高达3 470mg/L。

④糟渣三大组分降解率半纤维素>纤维素大于木质素，纤维素平均利用率为63.07%，半纤维素平均利用率为76.57%，木质素平均利用率为42.00%，VS转化率平均63.42%。

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