醬油渣中溫厭氧發酵產甲烷性能及動力學

梁文華，王瑞達，劉敬，吳健，程輝彩，邊紅杰

(1.河北科技大學 生物科學與工程學院，石家莊 050018；2.河北省科學院生物研究所，石家莊 050081；3.北方工程設計研究院有限公司，石家莊 050011)

醬油在我國有2500多年的發展傳承歷史[1-2]，是居民生活中的日常消費品和調味品，醬油市場需求表現為數量大且逐年增長的特點。目前醬油的生產工藝包括澆淋法、低鹽固態發酵法和高鹽稀態發酵法[3]，但無論是哪種處理方法在生產過程中均會有副產物醬油廢渣的產生。據統計，2016 年我國醬油產量達1000萬噸[4-5]，位居世界首位，而且市場需求逐年增長。據報道，醬油生產過程中會產生大量的工業廢物醬油渣，每生產1 kg醬油會產生0.67 kg醬油渣[6]。由于自身含水率高(40%～70%)、雜質含量較多，未能及時處理的醬油渣容易滋生有害微生物而腐敗變質[7]，因此其不僅難以儲藏，而且長途運輸的難度較大。在當今清潔生產要求的社會環境下，醬油廠需要對這些廢棄產物進行及時、有效的處理以防止產生更嚴重的環境污染。例如在高鹽稀態發酵法生產中通過將部分醬油渣回填到初始配料，以減少部分醬油渣的排放。生產蛋白飼料，開發飼料添加劑、肥料，制作鹽磚[8-9]，提取食物纖維、油脂、異黃酮等高附加值產品以及制備生物材料[10-12]。

醬油的生產以營養豐富的大豆、小麥為主要原料[13]，副產物醬油渣中粗蛋白、粗脂肪和粗纖維分別為25%、9.7%和13.5%[14]，非常適合作厭氧發酵的原料。本研究采用厭氧發酵的方式進行處理，以期實現對醬油渣的無害化、資源化處置。通過對反應體系中各項參數進行監測，進一步明確其發酵過程中相關理化指標的變化規律，同時對發酵體系中的產甲烷變化作動力學模型，旨在為醬油渣清潔、環保、無害化和資源化利用提供合理化思路，對醬油渣厭氧發酵的研究提供相應的數據支持。

1 材料與方法

1.1 材料

醬油渣：取自河北省石家莊市珍極醬油廠；種子液：取自石家莊市橋西污水處理廠的污泥，污泥在接種前首先在(35±2) ℃條件下用少量醬油渣進行馴化1個月，待馴化污泥中有機物基本消耗完，甲烷含量大于60%，沒有氣體產生時再進行接種。醬油渣原料和種子液的理化性質見表1。

表1 醬油渣原料和種子液的理化性質Table 1 The physicochemical properties of soy sauce residue raw material and seed liquid

1.2 試驗方法

本試驗為醬油渣厭氧發酵產甲烷動力學試驗。試驗設計原料有機負荷20 g VS/L的處理組和空白對照組(對照組僅加種子液，測定日產氣量和甲烷含量)，處理組和對照組各設置3個平行，發酵有效體積均為2.5 L，種子液添加量800 mL，醬油渣的加入量(鮮重)依次為158，0 g。定期測定產氣體積和組分含量以及發酵液的理化性質。各項指標測定方法如下：

沼氣體積：濕式流量計；CH4和H2S含量：Biogass 5000沼氣分析儀；氧化還原電位和pH：分別采用Ohaus Starter 3100氧化還原電位儀和E-201-C pH電極玻璃電極法測定；VFA和TIC：Nordmann聯合滴定法[15]；氨氮和SCOD：比色法[16]；TS和VS：稱重法[17]。

試驗裝置為總體積3 L的發酵罐，材質為有機玻璃，見圖1。

圖1 醬油渣厭氧發酵產沼氣裝置圖Fig.1 Biogas production device of anaerobic fermentation of soy sauce residues

2 結果與分析

2.1 醬油渣厭氧發酵過程中產氣速率和累積產氣量的變化

整個發酵試驗共進行30 d，3個接種物對照組僅在試驗啟動前2 d有少量氣體產生，總產氣量少于100 mL，甲烷含量小于10%，所以忽略不計。

圖2 醬油渣厭氧發酵過程中日產氣量的變化Fig.2 Changes in daily biogas production during the anaerobic fermentation of soy sauce residues

由圖2可知，醬油渣厭氧發酵的第1 d有少量氣體產生(83.33 mL)，隨后進入產氣高峰期：第4～20 d的產氣速率均大于400 mL/d，其中第4 天和第16 天依次出現日產氣量的第1，2個峰值645.83，777.78 mL。反應進行到第16 天之后產氣速率迅速下降，第24 天體系的日產氣量僅為34 mL；繼續監測至第30 天，在此期間系統產生沼氣22 mL。而對照組只在發酵反應的第1～2 d產生少量氣體，總體積小于100 mL，可以忽略不計。通過計算，第24 天的累積產氣量達到第30 天產氣量的99.8%，因此確定醬油渣厭氧發酵周期為24 d，發酵周期內體系累積產氣量為9905.09 mL，醬油渣產氣能力為198.10 mL/g。

醬油渣的產氣速率呈現出“M”形的變化規律，反應初期，底物中大分子化合物的利用以水解酸化為主，基質在水解微生物的作用下分解成產甲烷菌可利用的小分子底物，產氣速率的提高可以理解為反應過程中體系環境的改善。發酵過程中出現的兩個產氣高峰，是由醬油渣本身成分混雜，各種成分降解、利用的難易程度不同所造成的。第二個產氣峰的持續時間明顯大于第一個峰，累積產氣量相比更多，底物中的大多數基質在此階段被利用。

表2 醬油渣厭氧發酵累積產氣量變化Table 2 Changes in cumulative gas production during anaerobic fermentation of soy sauce residues

由表2可知，當反應進行到1/2周期時累積產氣量已達總產氣量的54.12%；反應進行到第18天共累積產氣9256.94 mL，達到總產氣量的93.46%。后期系統中可利用的有機物越來越少，難以維持甲烷菌生長代謝所需的營養需求，產氣隨之減少、停止[18-19]。

2.2 醬油渣厭氧發酵產沼氣過程中CH4和H2S含量變化

由圖3可知，反應體系前期的甲烷含量呈平穩上升的趨勢，第1 天的CH4僅為10.56%，第6 天超過34.6%，16 d后的CH4含量達到60%。體系中沼氣的甲烷含量的上升持續期較長，可見前期厭氧微生物對系統環境需要較長的適應期。18 d后體系的甲烷濃度略有降低，直至反應結束時氣體中的甲烷含量仍不低于60%，產氣后期的甲烷含量隨著產氣速率的降低無明顯減少。

圖3 醬油渣厭氧發酵產沼氣過程中CH4和H2S含量的變化Fig.3 Changes in CH4 and H2S content during biogas production of soy sauce residues

H2S是反應基質在硫酸鹽還原菌作用下進一步代謝產生，初期沼氣中H2S的體積分數為12.33 mg/L，伴隨第一個產氣高峰的出現略有下降；在第二個產氣高峰期，反應體系的H2S含量與產氣速率的高低表現出較一致的同步性，10～24 d的H2S含量與日產氣量的變化趨勢均為先上升后降低，反應至第16 天出現最高值17 mg/L。初期的底物中含硫成分的水解、釋放使得體系中H2S濃度迅速升高，中后期的H2S體積分數的動態變化與產氣速率表現出較高的一致性，這可能與甲烷菌和硫酸鹽還原菌(SRB)近似的生長代謝環境存在較大關系[20]。反應體系醬油渣進一步的水解酸化，發酵液的理化性質逐漸適宜產甲烷菌的代謝，產甲烷代謝逐漸增強，同時產SRB的代謝活性隨之提高；當體系中的發酵條件逐漸不適宜產甲烷反應的進行，H2S的產生速率也變得越來越少。

2.3 醬油渣厭氧發酵過程中VFA和TIC變化

VFA是沼氣發酵過程中有機質進一步分解的產物，被認為是產甲烷微生物主要利用的前體物，且對系統中的pH具有重要影響。VFA初始值僅為340 mg/L，具體見圖4。隨著物料的進一步水解酸化，體系初期的揮發酸濃度快速升高，反應進行至第8 天，發酵液的濃度達到最大值865.56 mg/L；VFA含量出現最高值后隨之快速下降，其中在8～10 d最為明顯，由855.56 mg/L降低至395.33 mg/L；10～24 d發酵液的VFA下降速率減緩，整體呈波動降低變化趨勢，且隨著時間的推移波幅逐漸減小并趨于平穩，反應結束時VFA水平維持在140 mg/L。分析其原因：反應初期以水解酸化為主，大分子底物快速被水解酸化，而且甲烷菌的數量還未大量繁殖，在此環境下的揮發酸成分得到積累；中后期甲烷化速度增加，基質快速被利用，產氣速率加快，揮發酸的消耗速率越來越大，發酵液中有限的可利用有機質致使VFA的溶出量逐漸減少，體系中的揮發酸水平隨之降低。

圖4 醬油渣厭氧發酵過程中VFA和TIC含量的變化Fig.4 Changes in VFA and TIC content during anaerobic fermentation of soy sauce residues

碳酸氫鹽堿度(TIC)對維持體系中的酸堿平衡，提高系統緩沖能力和穩定性起重要作用。由圖4可知，體系中的TIC初始含量為600 mg/L，反應進行到第6 天下降至最低值375 mg/L；之后反應體系的TIC含量呈階梯式上升：6～8 d、10～12 d、14～16 d依次維持在400，600，800 mg/L的水平左右；發酵過程中的堿度總體呈上升趨勢，反應末期第20～24 d略有降低，發酵過程中TIC含量整體小于1000 mg/L。通過對比發酵體系中VFA和TIC的變化趨勢可以發現，兩者呈負相關。反應初期TIC水平逐步降低，水解酸化階段的堿度隨著揮發酸含量的增加呈現降低的趨勢；TIC水平在0～6 d降低了1/2，但后期隨之上升，pH也恢復至適宜發酵的范圍。

2.4 醬油渣厭氧發酵過程中氨氮和SCOD的變化

由圖5可知，發酵啟動時料液SCOD濃度為633.25 mg/L，在反應體系有機物分解、釋放的過程中，體系的SCOD含量逐步上升。隨著體系中有機質分解速率的加快，第8 天達到最大值1233.25 mg/L；8～24 d的整體水平在小幅度波動中逐漸降低，發酵末期底物中可利用的有機質含量越來越少，導致有機物溶出速率越來越低，反應結束時SCOD含量為667.5 mg/L，與初始啟動水平相比無明顯的升高和降低。

圖5 醬油渣厭氧發酵過程中氨氮和SCOD的變化Fig.5 Changes in ammonia nitrogen and SCOD during anaerobic fermentation of soy sauce residues

0～10 d時，氨氮處于快速上升階段，中后期的濃度水平基本保持在200 mg/L。與SCOD同時期的對比中，發現兩者的變化趨勢呈現出相對一致的同步性，具體體現在0～10 d、10～18 d、20～24 d 3個階段。第一個階段氨氮的升高歸因于初期水解微生物的生長代謝，原料中的蛋白質氨基酸類分子快速分解；隨著體系中微生物的繁殖和代謝活動的增強，對氨氮的需求逐漸增多，反應過程中有機物進一步消耗，系統的反應速率逐漸降低進而影響氨氮水平；第三個階段氨氮含量的上升可能是溫度的波動加速了氨氮的溶出。前期的微生物代謝活性對菌渣中的氨氮溶出速率影響較大；發酵反應進行到中后期，體系中氨氮的分解和生成速率達到平衡，在發酵液中的含量也相對平穩。

2.5 醬油渣厭氧發酵過程中pH和氧化還原電位的變化

初始pH 6.94符合甲烷菌的最適生長范圍，因此未對發酵液的pH進行調節。醬油渣厭氧發酵過程中的pH降低變化較明顯的0～6 d，由于發酵液初期水解酸化的原因略有降低，但最低值仍不低于5.7；第14～24 d整體水平處于6.5附近。醬油渣的前期pH出現小幅度降低，此時圖2中同時期的產氣速率正處于第一個產氣高峰期，初期pH的降低未造成對厭氧發酵的產氣抑制，未構成反應體系的酸化。反應過程的后1/2周期，發酵液的pH穩定維持在6.5附近，相對初始值略有降低。

圖6 醬油渣厭氧發酵過程中pH的變化Fig.6 Changes in pH values during anaerobic fermentation of soy sauce residues

圖7 醬油渣厭氧發酵過程中氧化還原電位的變化Fig.7 Changes in redox potential during anaerobic fermentation of soy sauce residues

厭氧發酵過程中氧化還原電位在反應啟動第0～2 d由-159 mV快速下降至-261 mV；其中第2～10 d的氧化還原電位處于-300～-250 mV的范圍，存在一定波動幅度；發酵10 d之后的氧化還原電位基本穩定，維持在-250 mV附近。初期體系中的有機質在微生物作用下快速降解，密閉環境下殘存的氧氣被消耗殆盡，導致最初反應體系的氧化還原電位快速降低，之后隨著厭氧發酵系統氧化還原反應趨于平衡，氧化還原電位也趨于一致。

2.6 醬油渣厭氧發酵前后TS和VS的去除率

醬油渣厭氧發酵起始與結束時TS、VS含量依次為2.79%、2.24%和1.96%、1.49%。TS和VS去除率分別為42.36%、50.70%。醬油渣在中溫厭氧發酵處理方式下的有機物含量可得到較高的去除率。

2.7 醬油渣厭氧發酵產甲烷動力學模型比較

將試驗過程中的累積產甲烷量數據代入到Origin 2017 Pro軟件的一級動力學模型和Gompertz模型，見圖8和圖9。其中，模型一中的Z為反應時間在x時刻的累積甲烷產量，mL；D為反應結束時的累積甲烷產量，mL；E為反應速率常數。模型二中的Y為反應時間在x時刻的累積甲烷產量，mL；A為反應結束時的累積甲烷產量，mL；B為最大產甲烷速率，mL/d；C為延滯期，d；e為常數，擬合參數見表3。

圖8 醬油渣累積產甲烷量一級動力學模型擬合曲線Fig.8 Fitting curve of first-order kinetic model of cumulative methane production of soy sauce residues

圖9 醬油渣累積產甲烷量修正后Gompertz模型的擬合曲線Fig.9 Fitting curve of Gompertz model after correction of cumulative methane production of soy sauce residues

表3 醬油渣累積產甲烷量一級動力學模型和修正后Gompertz模型的擬合參數Table 3 Fitting parameters of the first-order kinetic model of cumulative methane production of soy sauce residues and the modified Gompertz model

由圖8、圖9和表3可知，一級動力學方程擬合醬油渣BMP產甲烷數據的擬合效果中，R2=0.945，該模型顯示對醬油渣厭氧發酵產甲烷特性存在較高的相關性，而擬合累積產氣量5913.75 mL與實際產氣量相差了1343.93 mL存在一定的偏差。采用修正后的Gompertz模型擬合BMP產甲烷的試驗結果中，R2>0.98，置信度高于一級動力學模型；擬合累積產氣量與實際值相差16.45%，與一級動力學的擬合偏差值29.41%更接近真實值。同時擬合延滯期5.68 d和最大產甲烷速率351.78 mL與反應過程中的實際值均比較相符。因此，采用修正后的Gompertz模型相較一級動力學模型更能準確模擬醬油渣中溫批式厭氧發酵過程中的產甲烷動態變化。

3 結論

醬油渣在有機負荷20 g VS/L中溫(35±2) ℃進行厭氧發酵，厭氧反應歷經24 d共產生沼氣9905.09 mL，產氣能力198.10 mL/g。CH4含量在反應周期內均勻上升，第16 天在氣體中濃度首次達到61%；H2S的體積分數在產氣中的占比較低，最高僅為17 mg/L。

采用厭氧發酵方式對醬油渣處理的過程中，反應體系有機物含量得到較高的去除效果，反應前后體系的TS和VS依次降低了42.36%、50.70%。

采用Origin 2017 Pro的一級動力學模型和Gompertz模型對醬油渣厭氧發酵的產甲烷數據進行擬合，發現Gompertz模型對數據擬合的效果更好，相關系數R2>0.98，體現了模型對反應體系實時甲烷產量變化的高度相關性，對醬油渣厭氧發酵產甲烷的實際應用具有一定的理論支持。