秸稈-酒糟混合液厭氧發酵產沼氣的初步研究

郭 婷，徐 帥，呂孝宇，于傲天，童志平，孟 濤

(西南交通大學生命科學與工程學院，四川成都610031)

秸稈-酒糟混合液厭氧發酵產沼氣的初步研究

郭 婷，徐 帥，呂孝宇，于傲天，童志平，孟 濤*

(西南交通大學生命科學與工程學院，四川成都610031)

研究了秸稈-酒糟液在不同秸稈質量濃度，不同溫度條件，添加劑吐溫-20存在下的沼氣厭氧發酵。酒糟液中的有機物質非常豐富，直接排放會造成環境污染。秸稈是農村糧食作物的廢料，焚燒處理會嚴重污染環境。而經過沼氣厭氧發酵后達到了保護環境和產生能源的雙重目的。實驗結果表明，秸稈-酒糟液厭氧發酵產沼氣的最佳條件是秸稈質量濃度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，蛋白質初始濃度為4.77mg·mL-1，發酵30d以后降為0.68mg·mL-1。

秸稈，酒糟液，沼氣，厭氧發酵，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

隨著工業的迅速發展及人們生活水平的日益提高，酒精的消耗量越來越大。我國年產工業酒精及食用酒精已超過一百萬噸，酒精行業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1t酒精，產生酒糟液10～15t左右。酒糟液當中，有機物含量豐富，各種雜質的總量占酒糟液重量5%～8%，其中 COD(化學需氧量)，BOD5(5日生化需氧量)及SS(懸浮物濃度)等主要水質指標常高達數萬ppm［2］。秸稈是農業糧食作物的廢棄物，直接焚燒對環境造成嚴重污染。怎樣處理酒糟液和秸稈是我國工農業生產面臨的一大難題。本研究主要通過對不同條件下秸稈-酒糟混合液厭氧發酵產沼氣的探索，為酒糟液和秸稈的處理以及能源化應用提供借鑒參考，達到環境保護和能源利用的雙重目的。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

發酵原料 酒糟液即黃水，四川全興酒廠;發酵種子液與污泥 取自四川全興酒廠污水處理系統中的厭氧池;秸稈 即農村糧食作物廢料，取自成都市犀浦鎮林灣村;苯酚 分析純，天津化學試劑廠;濃硫酸，葡萄糖 分析純，四川科龍試劑有限公司;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，天津市瑞金特化學品有限公司;其余試劑 均為國產分析純。

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

1.2 實驗方法

1.2.1 實驗裝置的設計 原料液在沼氣瓶(5L)中厭氧發酵，裝料量為4L，產生的沼氣從上方的導管進入盛水瓶(5L)。導管不能與液面接觸，必須高于液面。這樣當有氣體產生時，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，就可得出產生沼氣的體積(產氣有明顯的刺激性氣味，點燃以后呈淡藍色的火焰。CO2、H2S等易溶于水，因此盛水瓶中的氣體主要是甲烷CH4)。為了便于檢驗產生的氣體同時又保證沼氣瓶的厭氧環境，導管采用橡膠管、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，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 實驗裝置圖

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，倒上發酵接種物，鋪上保鮮膜，室溫下堆漚3d即可入池。

1.2.3 發酵過程中總糖變化規律的分析 用硫酸-苯酚法［3-4］。

1.2.4 發酵過程中蛋白濃度的變化分析 用考馬斯亮藍法［5-6］。

1.2.5 沼氣產量的測定 開始產生沼氣，起初幾天的產氣量小，每隔1d測量一次。測量時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，即產氣體積。產氣高峰時，每天測量兩次，直至產氣結束。

1.2.6 pH的控制 在產氣過程中，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 結果與討論

2.1 發酵工藝條件

2.1.1 秸稈濃度對沼氣產量的影響 實驗結果見表1和表2，在溫度30℃發酵，秸稈質量濃度從5%～10%，隨著濃度的增大，其總產氣量也隨之增大。但是，如果濃度進一步增大，增大到10%～15%時，總產氣量增加反而不明顯，甚至減少。結合濃度和溫度兩個因素來考慮對產氣量的影響。高濃度在30℃的條件下，產氣量比較低濃度高一倍，但在10℃的條件下，高濃度的產氣量反而低于低濃度。由于高濃度在較低溫度條件下，常易引起有機酸積累，從而影響產氣量。因此，高濃度發酵不適于發酵溫度較低的沼氣池。各類型的沼氣發酵有一定的有機物負荷能力，超過極限值就會出現超負荷現象，此時，產酸速度超過由酸產生氣體的反應速度，常會造成有機酸的積累，使產氣機制受到抑制，發酵不能繼續進行。因此，處理時首先不能超負荷［8］。

表1 秸稈濃度(w/w)對沼氣產量的影響(30℃)

表2 秸稈濃度(w/w)對沼氣產量的影響(10℃)

2.1.2 溫度條件對沼氣產量的影響 沼氣發酵可在較為廣泛的溫度范圍內進行，在4～65℃范圍內都能產氣?？刂平斩捥砑恿繛榘l酵液質量的10%，考察不同溫度下沼氣產量的變化。實驗結果顯示沼氣產氣量與溫度關系密切，在實驗范圍內(5～35℃)，隨著溫度的升高，產氣量有著明顯的增高。對比3個溫度范圍(5～15℃，15～25℃，25～35℃)下，最高日產氣量分別為1000，1800，3400mL;總產氣量之比為1∶2.5∶4。

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

圖2 沼氣產量統計

2.1.3 添加劑和有害物質對沼氣產量的影響 選取秸稈濃度10%，溫度25～30℃，改變吐溫-20添加量，觀察沼氣生產情況。由表3可見，在沼氣發酵過程中添加少量的有益的化學物質，有助于促進沼氣發酵、提高產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，增強原料和菌種的接觸;添加量為10%時，其產氣量與未添加吐溫-20相比提高了40%，秸稈產氣率高達139L·kg-1。但是添加量過高(20ppm)，又會使菌種生長受到抑制，產氣量降低。

表3 吐溫-20添加量對沼氣產量的影響

2.1.4 菌落與厭氧環境對沼氣產量的影響 酒糟廢液厭氧發酵是由400多種微生物共同作用的結果，大致可以分為三大類，發酵性細菌、產酸菌、甲烷菌。發酵菌多為兼性厭氧菌，能夠將淀粉、纖維素、脂肪、蛋白質等大分子物質降解為短鏈的小分子物質、活單體物質，同時消耗掉氧氣，解除氧對甲烷菌的毒害。產生的小分子物質只有在產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。通過對產氣規律的分析，要使甲烷不斷的生產，必須保證各種類群微生物的比例，保證底物的協調供應。產甲烷菌是極端厭氧菌，在空氣中它的半衰期僅為4min，所以氧氣的毒害應當引起注意［10］。

2.2 發酵液成分變化

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

在產氣量較低的發酵初期，總糖含量較高，發酵液內的微生物(主要是產甲烷菌)數量和活性都還不是很高，分解有機物也很有限。從第8d(產氣量較大時)開始用苯酚-硫酸法測量發酵液的總糖含量。從圖3中可以看出，進入產氣高峰期后，總糖含量迅速降低，沼氣的產量在15d左右達到最高值，多糖消耗最高值出現在14～15d(最大消耗率為53mg·mL-1·d-1)，此時發酵液內的微生物活性和數量都達到最高水平。當產氣進入末期，總糖含量變化較小，說明此時沼氣瓶內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，可以反映出產甲烷菌在沼氣厭氧發酵生產過程中的生長周期和活性變化。

圖3 沼氣產量與總糖濃度對比

2.2.2 蛋白質含量對沼氣產量的影響 蛋白質為沼氣發酵微生物的生長繁殖、新陳代謝提供氮源。但是蛋白質必須被發酵性細菌產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甲烷菌吸收利用。在發酵過程的產酸階段，不產甲烷微生物菌群之中基質分解菌所分泌的胞外酶正是從事這樣的工作，將蛋白質水解成肽和氨基酸。

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

表4 蛋白質含量對比

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

利用沼氣發酵來進行污水處理，就是利用沼氣發酵相互聯系的菌群關系降解有機物，產生沼氣。產甲烷菌是生物鏈的最后一級［10］。

2.2.3 關于沼氣生產停滯的原因探討 在持續產氣一段時間后，沼氣的生產停止。起初認為是發酵液的營養成分如糖類、蛋白質等已被沼氣發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pH至7.0，結果并未重新產氣。經觀察發現，原料酒糟液顏色發生了明顯變化。開始時呈黃色，而此時顏色發黑且有惡臭。酒糟液在一個月的時間里已經變質，其中的有機物等發生了變化，不再適用于沼氣發酵。

3 結論

現在90%以上的能源是靠礦物燃料提供的，這些燃料在自然界儲量有限，且不能再生［11］。而人類對能源的需求卻不斷增加，如不及早采取措施，能源枯竭將會成為現實。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%計算每立方熱值為2150kJ相當于1.45m3煤氣或0.69m3天然氣的熱值。以適當方法除去雜質提高甲烷純度，純粹的1m3甲烷火焰的溫度可達2000℃，熱值35822kJ，接近1kg石油的熱值。所以推廣沼氣發酵，是開發生物能源，解決能源危機問題的一個重要途徑。

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

研究結果證明利用秸稈-酒糟液進行沼氣發酵是比較容易實現的。其原料酒糟液來自釀酒工業的廢液，秸稈來自農業糧食作物的廢料;溫度，常溫即可;pH，略偏酸性;秸稈添加量10%(w/w);可適當添加10ppm的吐溫-20做促進劑;保證發酵環境嚴格厭氧?？偟膩砜矗@些條件在目前我國的技術水平下容易滿足，而且成本低廉。與農村用人畜糞便制沼氣不同，這里瞄準的是工業廢棄物的利用，對環境保護的意義更加重大。而我國的大型釀酒企業每年產生的酒糟液的數量相當可觀，并且便于集中處理。因此利用秸稈-酒糟液發酵制沼氣的前景樂觀。

［1］劉瓊，張躍廷.釀酒副產物黃水的綜合利用［J］.釀酒，2001(4):39.

［2］李政一，周定，侯文華.酒糟資源化研究［J］.環境科學學報，2000，20(9):145-146.

［3］賈薇，唐慶九.硫酸苯酚法測定云芝多糖含量的效果［J］.河南農業科學，1998(8):24.

［4］李建武，余瑞元，袁明秀，等.生物化學實驗原理和方法［M］.北京:北京大學出版社，2003:168-170.

［5］汪家政，范明.蛋白質技術手冊［M］.北京:科學出版社，2002:42-46.

［6］張龍翔，張庭芳，李令媛.生化實驗方法和技術［M］.第二版.北京:高等教育出版社，1997:163-165.

［7］孫進杰，趙麗蘭.沼氣正常發酵的工藝條件［J］.農村能源，2000，92(4):20-21.

［8］帥興鋒，王翔.家用沼氣池穩定產氣的技術要點［J］.甘肅農村科技，2003(2):29-30.

［9］周大石.沼氣發酵原理與甲烷細菌的特性［J］.環境科技，1990，13(6):83-87.

［10］單麗偉，馮貴穎，范三紅，等.產甲烷菌研究進展［J］.微生物學雜志，2003，23(6):42-46.

［11］李興杰 .沼氣發酵［J］.生物學通報，1999，34:16-17.

［12］韓祥兵，鄭英豪，劉景華，等.酒糟廢液“厭氧-好氧”綜合治理應用［J］.釀酒科技，1998(1):71.

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。

西南交通大學青年教師科研起步項目(2009Q050);國家大學生創新計劃項目(081061319)。