两种木薯乙醇发酵废醪渣产沼气试验分析

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　　摘要：以中国木薯和老挝木薯发酵产乙醇后剩余的干酒糟为原料，在（35±1） ℃条件下进行批量式沼气发酵试验，发酵料液的TS质量分数为4%。结果表明，中国木薯废醪渣和老挝木薯废醪渣的平均日产气量分别为158.2、149.3 mL/d。中国木薯醪渣的TS产气率和VS产气率分别为659、867 mL/g，老挝木薯醪渣的TS产气率和VS产气率分别为799、1 080 mL/g，沼气中的平均甲烷含量分别为50%和51%左右。
　　关键词：木薯（Manihot esculenta Crantz）醪渣;沼气发酵;产气潜力
　　中图分类号：S533;TS261.9         文献标识码：A
　　文章编号：0439-8114（2020）03-0122-04
　　DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.03.026
　　Experiment on fermentation of biogas by two kinds of cassava alcohol wastes
　　PHIMPHANH Vilaiya，WANG Chen，MA Wen-qin，ZHENG Xin，JIA Zheng-yan，
　　XIA Ying-chun，JI Jun-lin，YIN Fang，ZHANG Wu-di
　　（School of Energy and Environment Science，Solar Energy Research Institute，Yunnan Normal University，Kunming 650500，China）
　　Abstract： It uses the dried distiller's grains remaining after the fermentation of Chinese cassava and Lao cassava to produce alcohol. The batch biogas fermentation experiment is carried out under the condition of（35±1） ℃. The concentration is 4%. The experimental results show that the average daily gas production of Chinese cassava distiller's grains and Lao cassava distiller’s grains is 158.2，149.3 mL/d， respectively. The TS gas production rate and VS gas production rate of Chinese cassava distillers’ grains were 659，867 mL/g， respectively. The TS gas production rate and VS gas production rate of Laos cassava distiller’s grains are 799，1 080 mL/g， respectively. The average methane content in biogas was 50% and 51%， respectively.
　　Key words： cassava alcohol wastes; biogas fermentation; gas production potential
　　世界人口迅速增長导致能源需求大幅增加，不断增长的需求导致传统能源资源短缺。由于化石燃料对环境和其他方面的负面影响，寻找替代廉价、可再生和环境友好型能源的必要性显得十分重要。
　　木薯（Manihot esculenta Crantz）属于直立灌木，原产自巴西，是世界三大薯类作物之一，全世界热带地区均有广泛栽培[1]。木薯是一种高淀粉农作物，是重要的工业淀粉原料之一，在中国南方地区有较大面积的种植[2]。木薯粉的主要成分为水分10.71%、碳水化合物74.1%、粗蛋白1.64%、粗脂肪0.86%、粗纤维4.55%、粗灰分3.85%，是潜在的富含淀粉的制酒原料。中国的乙醇年产量在2016年达到251万t[3]。大量的木薯醪渣随意丢弃不仅造成资源浪费，而且还会对环境造成污染。木薯醪渣营养成分丰富，经综合利用后，可提高经济效益，减轻环境污染，具有很大的发展潜力。
　　试验用木薯原料分别来自中国和老挝，先用传统双酶法，将木薯转化成乙醇;乙醇发酵完成后，得到的醪渣用批量发酵装置进行厌氧消化产甲烷试验，为木薯资源化利用、能源化回收提供参考。
　　1  材料与方法
　　1.1  材料
　　试验用原料分别是中国木薯和老挝木薯正常发酵产乙醇结束后的剩余酒糟渣[4]（以下简称醪渣）。经测定，中国木薯醪渣的TS为16%，VS为76%;老挝木薯醪渣的TS为14%，VS为74%。接种物是实验室（云南省农村能源工程重点实验室）长期驯化的混合厌氧活性污泥。经测定，接种物污泥的TS为9.8%，VS为65%，pH 7.0。
　　1.2  装置
　　采用实验室自制的批量式沼气发酵装置对原料进行厌氧消化试验，装置见图1。
　　1.3  方法
　　试验采用批量沼气发酵工艺恒温水浴（35±1） ℃。在同等条件下，试验组和对照组各设置3个重复，各组别发酵料液的有效体积均为400 mL，试验组总固体含量（TS）约4%，对照组不添加原料，加入120 g接种物后直接加水至400 mL。各组的配料情况见表1。 　　1.4  测定项目
　　总固体含量（TS）和挥发性固体含量（VS）[5]：样品在（105±5） ℃恒定温度下烘干至恒重后测定TS，然后将上述样品继续在（550±20） ℃马弗炉中灼烧至恒重，测得挥发性固体VS。
　　pH：采用pHS-3C型酸度计和精密pH试纸（测量范围5.5～9.0）测定接种物及各组料液pH。
　　产气量：用排水法收集沼气，每天记录产气量。
　　甲烷含量：采用福立GC9790 II 型气相色谱仪测定沼气中的甲烷含量，配有TDX-01不锈钢填充柱。
　　色谱条件为：柱箱温度120 ℃、TCD温度140 ℃、载气为纯氮气，流速为40 mL/min。
　　2  结果与分析
　　2.1  发酵前后料液的TS、VS及pH变化
　　发酵前后试验组和对照组的TS、VS及pH得测定结果见表2。从表2可以看出，发酵前后，试验组和对照组的TS和VS在发酵之后均不同程度地降低，说明在厌氧发酵过程中，原料被不同程度地分解利用。经计算可知，中国木薯试验组TS和VS降解率分别为8.33%、14.47%，老挝木薯试验组TS、VS降解率分别8.00%、14.29%，对照组TS和VS降解率分别为4.19%、6.32%，其中对照组几乎不产气，因此接种物对试验组产气量的影响极小，符合发酵过程中的产气规律。原料的TS、VS 降解率明显高于接种物的TS、VS降解率，说明试验组的微生物活性良好、沼气发酵过程中原料被充分降解。
　　2.2  日产气量
　　每天定时记录产气情况，得到净产气量变化曲线见图2。从图2可以看出，中国木薯废醪渣的沼气发酵试验持续30 d。 试验启动后第1天开始产气，但产生的气体不能被点燃，主要是因为产气中的甲烷含量低。在发酵的第4天出现了第一个产气高峰值，为314 mL，且气体可以被点燃，并呈现淡蓝色的火焰;发酵至第9天时，出现了一个产气低峰值，为52 mL;产气量从第10天逐渐增加到第16天，并在第16天达到第二个产气高峰值，为252 mL;产气量从第17天逐渐减少，直到第30天发酵结束。
　　老挝木薯废醪渣在启动后第1天开始产气，但产生的气不能被点燃，主要是因为产气中的甲烷含量低。在发酵的第3天，出现了第一个产气高峰值，为362 mL，且气体可以被点燃，并呈现浅蓝色的火焰;发酵至第9天时，出现了一个产气低峰值;在发酵的第10天、第15天和第16天达到高峰期，产气量分别为169、172、172 mL;产气量从第17天逐渐减少，直到第30天发酵结束。
　　2.3  甲烷含量
　　对照组的产气量较少，进行点火试验发现，所产出的沼气离开火源不能稳定燃烧，可以判定对照组中的甲烷含量没有超过50%，对试验组所产沼气的甲烷含量进行测定（图3）。由图3可以看出，在发酵过程中，两种醪渣的甲烷含量从发酵开始逐渐上升，并都在第6天达到了峰值（分别为68%、70%），所产出的气体能持续燃烧，呈现出蓝色火焰;从产甲烷含量变化趋势来看，两种废醪渣从发酵第6天以后，甲烷含量就出现逐渐下降的趋势，原因可能是因为在发酵体系中，初期醪渣营养成分较为丰富，随着各种有机质不断被水解、消耗，可供产甲烷的成分越来越少，甲烷产量逐渐下降。
　　2.4  累计产气量和累计产气速率
　　统计试验组每3 d的净产气量，对中国木薯和老挝木薯醪渣在整个发酵周期的产气情况进行分析。由表3可以看出，在整个发酵周期，试验前3天产气量较多，产气量分别为858、1 027 mL。在第1天至第18天产气量增加较快，累计产气量分别达到  3 549、3 235 mL，分别占总产气量的74.77%、72.20%。在第19天至第30天产气量少，分别僅占总产气量的 25.23%、27.80%。这主要是因为到了发酵后期，可被降解的有机物质含量逐渐减少，无法完全提供甲烷菌生长过程中所需的营养，导致其发酵后期的产气量比前期少。
　　对累计产气量占总产气量的占比进行计算得到中国木薯醪渣和老挝木薯醪渣的累计产气速率（图4）。由图4可以看出，发酵前12 d，老挝试验组的累计产气速率要高于中国试验组，而12 d以后，中国试验组的累计产气速率要高于老挝试验组。中国木薯醪渣和老挝木薯醪渣分别在第21天、第22天达到各自总产气量的80%以上，可以得出中国、老挝木薯醪渣厌氧消化产沼气分别主要集中在发酵前21 d、22 d。因此，两种原料在沼气工程中的水力滞留时间（HRT）可分别设计为21、22 d。
　　2.5  产气潜力分析
　　根据木薯醪渣的TS和VS及净产气量等数值，计算出原料产气率、TS和VS产气率，以此来表征两种原料的产气潜力，结果如表4所示。从表4可以看出，两种木薯醪渣的产沼气潜力相差不大，中国木薯醪渣的产沼气潜力略高于老挝木薯醪渣，两者产沼气潜力良好，是潜在的可利用资源。为更加客观地评价木薯渣的产气潜力，与其他不同种类发酵原料的产气潜力进行对比（表5），从表5可以看出，与秸秆类原料相比，木薯醪渣剩余的营养物质丰富，具有产沼气潜力优势。中国木薯醪渣的TS产气潜力高于红毛丹果皮、玫瑰秸秆和灯盏花残渣。另外，中国和老挝木薯醪渣的发酵周期短，说明它的产气速率较快，是一种产沼气潜力较好的发酵原料。
　　3  结论
　　沼气发酵试验在（35±1） ℃恒温条件下（TS发酵质量分数4%），中国木薯醪渣和老挝木薯醪渣厌氧发酵试验组日平均产气量分别为158.2、149.3 mL/d，中国木薯渣TS产气率和VS产气率分别为659、867 mL/g，老挝木薯醪渣的TS产气率和VS产气率分别为799、1 080 mL/g，中国木薯醪渣降解的TS和VS产气率分别为8.33%、14.47%，老挝木薯醪渣降解的TS和VS产气率分别为8.00%、14.29%，并且中国木薯醪渣和老挝木薯醪渣产甲烷含量平均在50%、51%左右，气体能够持续稳定燃烧。 　　木薯作为能源作物，是产乙醇再转化成燃料乙醇的较好资源，试验在乙醇发酵结束的基础上，将醪渣再次利用，进行厌氧消化产甲烷，为木薯资源化和能源化利用提供了试验基础，尤其是为今后老挝木薯产业链发展提供了参考。
　　参考文献：
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　　收稿日期：2019-05-09
　　基金项目：中国-老挝可再生能源联合实验室和2017年地方高校国家级大学生创新创业训练计划项目（201710681019）
　　作者简介：维莱雅（1989-），女，老挝万象人，在读硕士研究生，研究方向为农业生物环境与能源工程，（电话）15559837532（电子信箱）3525371864@qq.com;通信作者，尹  芳（1967-），女，云南石屏人，副教授，博士，主要从事生物质能与环境工程研究及教学工作，（电子信箱）yf6709@sina.com。
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