酒糟沼氣發酵的基礎探究

王太濤， 趙 龍， 張 盼， 袁慧松， 楊 凱， 張 赟

(1.勝利油田勝利動力機械集團有限公司， 山東 東營 257000； 2.東北農業大學資源與環境學院， 黑龍江 哈爾濱 150000； 3.上海城投污水處理有限公司， 上海 201201)

酒糟沼氣發酵的基礎探究

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械集團有限公司， 山東 東營 257000； 2.東北農業大學資源與環境學院， 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%的酒糟批式厭氧發酵產沼氣的研究。結果表明：酒糟極易酸化形成大量揮發性脂肪酸(VFAs)，是良好的沼氣發生原料。發酵27 d(發酵基本結束)時， TS為6%，8%的酒糟TS產氣率分別為402.08 mL·g-1,387.81 mL·g-1，VS產氣率分別為441.84 mL·g-1, 426.16 mL·g-1。TS為6%，8%酒糟的最佳發酵周期分別為14 d，15 d。

酒糟； 厭氧發酵； 沼氣； 產氣率

2015年以來，釀酒行業整體步入恢復性增長軌道，由于行業發展繼續被牢固控制在正常的市場環境下，整個行業前三季度銷售增長走勢一直保持低緩，但是白酒行業產銷保持穩步增長，利潤不僅恢復到同比增長的節奏，而且達到了與銷售增速基本同步，表明目前的白酒行業利潤空間相對穩定，行業整體利潤縮水頹勢得到有效遏制[1]。而每生產1 t白酒，約產生10 t酒糟[2]，酒糟中含有豐富的蛋白質、氨基酸、維生素以及磷、鉀等無機元素成分，且酒糟中粗纖維含量較高，是纖維素類廢物的典型代表[3]。雖然酒糟營養比較豐富，但是其酸度高，易腐敗變質，若不及時處理，容易嚴重污染環境[4]。因此如何處理這些酒糟成為人們研究的熱點。通過酒糟厭氧發酵產沼氣不僅可以解決酒糟污染環境的問題，產生的沼氣還可以用來發電，實現了二次能源的轉化，并且還能夠產生額外的經濟效益，經發酵后的沼液、沼渣還可以用作農田肥料。筆者試驗以酒糟為原料，在自制的小型厭氧反應器中發酵，研究酒糟產沼氣的性能，為大中型酒糟沼氣工程的設計運行提供基礎數據供以參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

發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實驗室所培養的發酵后料液(見表1)。

表1 原料和接種物的TS，VS及C/N (%)

1.2 試驗設備及運行方法

試驗用2.5 L白小口瓶作為厭氧反應器主體，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碳酸鈉調節pH值至7.3，并且用沼氣曝氣10分鐘，以保證發酵罐內的厭氧狀態。然后加裝帶有導氣管的橡膠塞進行密封，導氣管通過硅膠軟管連接集氣袋，將發酵瓶置于水浴中。發酵溫度為38℃±1℃，每天搖晃8次，一次2分鐘，轉速為60 r·min-1。另外取一些酒糟用水調配TS至6%和8%，然后分別測試其揮發性脂肪酸(VFAs)的含量。收集在集氣袋的沼氣用注射器測量其氣體體積。試驗設備見表2。

表2 試驗測試設備

2 結果與討論

2.1 TS 6%，8%酒糟日產沼氣量分析

從圖1可以看出2種酒糟厭氧消化啟動很快，產氣量上升很快，在達到最大產氣峰值后，產氣量下降。之后產氣量最高峰在第7天，日產氣量分別可達45 mL·g-1，38.8 mL·g-1(以TS計)。在第10天還會出現一個產氣小高峰，這可能是酒糟中纖維素類物質得以降解，產甲烷菌利用其降解產物(VFAs)產生沼氣，隨后產氣量又逐漸減小，在第12天出現第3次高峰，這可能是酒糟中少部分木質素類物質得到降解[5]。然后產氣量逐漸降低至基本結束。經測定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，氨基酸，醇類等易降解物質含量大，這些物質極易酸化,(與檢測出的VFAs數據相吻合)，發酵初期底物水解，產生大量可溶性有機物，產酸菌將水解產物轉變為揮發性脂肪酸[6]，另外用碳酸鈉調節了酒糟pH值，碳酸鈉對pH值也具有緩沖作用，使得產甲烷菌活性沒有受到pH值的抑制，產甲烷菌將揮發性脂肪酸轉化為甲烷、二氧化碳，所以產氣量得以迅速上升。

圖1 厭氧發酵過程中日產沼氣量的變化曲線

2.2 TS 6%，8%酒糟累計產氣量分析

酒糟厭氧發酵持續27 d，累積產氣量如圖2所示。TS 6%，TS 8%酒糟TS產氣率分別為402.08 mL·g-1,387.81 mL·g-1，TS 6%酒糟，TS8%酒糟VS產氣率分別為441.84 mL·g-1, 426.16 mL·g-1。厭氧消化發酵時間的長短意味著在相同時間內消化處理廢棄物的數量，直接反應了厭氧消化效率，在實際生產過程中具有重要的生態和經濟效益。可以對大中型沼氣工程物料停留時間的設計提供重要參考，一般實際生產中，以產氣量達到總產氣量的90%以上即可認為發酵基本完成，為一個周期[7]。由此可以得出TS 6%，TS 8%酒糟發酵周期分別為14 d，15 d。

圖2 厭氧發酵過程中累積產氣量

2.3 甲烷濃度在發酵過程中的變化情況

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

圖3 厭氧發酵過程中甲烷濃度變化

3 小結

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

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

速啟動發酵。

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

[2] 施安輝.國內白酒工業固體酒糟環保生態化利用的現狀及前景[J].中國釀造, 2006,3(156):4-7.

[3] 龐 欽,章克昌.以酒糟為基質的乳酸生產菌的選育及發酵的研究[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].上海環境科學,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酵研究[J]. 環境工程學報, 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酵的產氣量、發酵時間及最優溫度[J].應用生態學報，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- )山東濟陽人，本科，工程師，主要從事沼氣發酵方面的技術工作，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