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以酒糟為原料的黑膜沼氣池發酵條件研究
時間 : 2019-04-29 瀏覽量 : 8

目前,世界上85%的能源是通過不可再生的礦  物資源獲得的,由于礦物資源的儲量有限以及人們  環保意識的增強,促使人們開始尋找新的替代資源  利用甜高粱秸稈加工非糧生物乙醇具有  不  與人爭糧、不與糧爭地、不與傳統行業爭利、不與其  他國家爭資源的優點,對于提升未來能源結構、確保  能源安全、持續改善人類生存環境具有重要的戰略  意義。但是利用甜高粱秸稈生產乙醇會產生大量的酒糟,這些酒糟若儲存不當或未及時利用,易霉變變質,不僅浪費了寶貴的資源,還會嚴重污染周圍環境6-7。

目前,我國能源資源短缺,人均天然氣資源占有量遠遠低于世界人均資源量。如果通過黑膜沼氣池沼氣發酵技術將甜高粱秸稈生產生物乙醇產生的酒糟轉化成可再生清潔能源一黑膜沼氣池沼氣,不但解決了大量酒糟無  法處理的難題,而且生成的黑膜沼氣池沼氣首先可直接用作戶  用燃氣或黑膜沼氣池沼氣發電,進一步提純后還可生產車用燃


料或注入天然氣管網;除此以外,發酵完成后產生的沼渣還可生產有機肥料,具有環境污染治理、可再生能源和土地改良等多方面的作用。本文旨在以甜高粱秸稈產乙醇后生成的酒糟為原料,主要考察溫度、TS濃度,pH值以及接種物添加量等條件對其黑膜沼氣池沼氣發酵的影響,從而實現酒糟的充分利用,為企業的相關生產提供一定的理論依據。


1材料與方法


1.1試驗材料


試驗用酒糟為以甜高粱秸稈為原料固態發酵產乙醇后剩下的醪渣,取自山東寶力生物質能源股份有限公司;試驗用接種物為以玉米秸稈為原料正常產氣的黑膜沼氣池沼氣罐中的沼液取自山東寶力生物質能源股份有限公司;試驗用調節pH值的堿液為1mol·L的NaOH溶液。各種原料性質如表1所示。


1.2試驗方法  


采用橡皮塞封口的2000mL的錐形瓶作為黑膜沼氣池沼氣  發酵裝置,1500mL集氣瓶和2500mL燒杯為集氣裝置。具體的裝置如圖所示:


1.2.1研究溫度對酒糟黑膜沼氣池沼氣發酵影響的試驗方法  


在3個2000mL錐形瓶中,都分別加入29  酒糟以及312mL接種物,補加自來水至1500mL  處,攪拌均勻,即酒糟的Ts質量占發酵液質量的百  分比為3.3%,接種物的Ts質量占發酵液質量的百  分比為1.5%,并在發酵前用1moL'的NaOH溶液將發酵液pH值調節到8.5左右,將3個發酵瓶分別放在常溫25℃,中溫38℃,高溫55℃下的搖床內進行黑膜沼氣池沼氣發酵對比實驗,每組實驗均做3組平行試驗,并用只加接種物與自來水的發酵液做空白實驗


1.2.2研究酒糟TS濃度對其黑膜沼氣池沼氣發酵影響的試驗方法


在6個2000mL錐形瓶中,分別加入227g,272g,299g,317g,363g,453g酒糟,然后都分別加入  312mL接種物,補加自來水至1500mL處,即酒糟的TS質量占發酵液質量的百分比分別為2.5%,3.0%,3.3%,3.5%,4.0%,5.0%,接種物的TS質量占發酵液質量的百分比為1.5%,并在發酵前用1molL的NaOH溶液將每個發酵瓶中的發酵液pH值調節到8.5左右,將發酵瓶放在高溫55℃下的搖床中進行黑膜沼氣池沼氣發酵對比實驗,每組實驗均做3組平行試驗,并用只加接種物與自來水的發酵液做空白實驗。

1.2.3研究接種量對酒糟黑膜沼氣池沼氣發酵影響的試驗方法

在5個2000mL錐形瓶中,分別加入104mL,208mL,312ml,416mL,520mL接種物,然后都分  別加入299g酒糟,補加自來水至1500mL處,即接種物的TS質量占發酵液質量的百分比分別為0.5%,1.0%,1.5%,2.0%,2.5%,酒糟的TS質量


占發酵液質量的百分比為3.3%,并在  mol·L的NaOH溶液將每個錐形瓶中的  值調節到8.5左右,將發酵瓶放在高溫  床中進行黑膜沼氣池沼氣發酵對比實驗,每組實驗  行試驗,并用只加接種物與自來水的發酵實驗。  124研究叫值對糖氣發酵影響的  在2個200m錐形瓶中,都加人  以及312mL接種物,補加自來水至150d是  酒糟的TS質量占發酵液質量的百分比為33  種物的TS質量占發酵液質量的百分比為  個在發酵前用1mol·L的NaOH溶液將發酵液  值調節到8.5左右,另  不對發酵液的  行調節,都放在高溫55℃下的搖床中進行溜  對比實驗每組實驗均做3組平行試驗,并用  種物與自來水的發酵液做空白實驗。


1.3測定方法


日產氣量與累計產氣量通過排水集氣法并空白試驗數據之后得到;每日的氣體成分通過色譜(GC10)測量;干物質(TS)含量與揮發性體(VS)含量采用烘干法測定;總碳含量采用重  鉀法測定:總氮含量采用凱氏定氮法進到  素含量采用范式纖維素方法進行測定;產氣周  達到累計產氣量95%的天數計算;pH值用精密減酸度計進行測定。


2結果與討論


2.1溫度對酒糟黑膜沼氣池沼氣發酵的影響


圖2和圖3分別為3種溫度下酒槽的日產中  圖與累計產氣量圖。由試驗結果可知,在3種  下酒糟均在發酵第1天就進入產氣階段,這可能  由于酒糟在發酵產乙醇的過程中,已經經歷了  發酵過程,在這個過程中酒糟的纖維素、半纖維素  及木質素之間的包裹作用得到初步分解,殘留  的糖類、酸類、醇類等易降解成分和小分子物質  且酒糟的CN為24,處在最佳產氣CN的范  內9。在高溫下,酒糟產氣在第9天達到最大峰  為3710mLd,產氣周期為32天;在中溫下,酒產氣在第19天達到最大峰值為1760mL·d周期為39天;在常溫下,酒糟產氣在第26天達到  大峰值為1300mL·d-1,產氣周期為42天。由此見,酒糟的產氣峰值出現時間以及產氣周期隨著  度的升高而縮短。這是由于高溫能夠促進木質纖


素的降解,所以導致酒糟厭氧分解和發酵速度  快0)。由日產氣量圖可知,隨著發酵時間的推移,在3種發酵溫度下日產氣量均出現多個小高峰,這是由于酒糟中含有乙醇、氨基酸、蛋白質等成分,而這些成分在發酵過程中水解、酸化和產氣的時間  不同,且具有階段性,故出現較多個產氣高峰。


由累計產氣量數據可知,在高溫下,酒糟產氣的累計產氣量為25200mL,原料產氣率高達509ml·gTs;在中溫下,酒糟產氣的累計產氣量為21400mL,原料產氣率為432mL·gTs;在常溫下,酒糟產氣的累計產氣量為19160mL,原料產氣率為387mL·g-1Ts。由此可見,隨著溫度的升高,酒糟的累計產氣量以及原料產氣率都增加。這是由于溫度  越高,纖維素降解越充分,微生物可利用的原料就會  越多,黑膜沼氣池沼氣產量就越多。所以實驗確定酒糟產氣  的最佳溫度為高溫55℃。實驗之所以選擇在高溫  條件下對酒糟進行黑膜沼氣池沼氣發酵實驗,是由于酒糟前期  固態發酵產乙醇時在蒸餾后溫度較高,帶有一定的  熱量,如果酒糟從蒸餾塔出來后直接進行黑膜沼氣池沼氣發酵,  就可以利用這部分熱量從而節省能耗。  


2.2酒糟TS濃度對其黑膜沼氣池沼氣發酵的影響  


圖4和圖5分別為不同酒糟TS濃度下的日產  氣量圖以及累計產氣量圖。由結果可知,酒糟TS  濃度從2.5%到3.3%時,發酵液均在發酵第1天就


進入產氣階段,當酒糟Ts濃度在2.5%時,發酵液  產氣速率在第13天達到最大峰值為1300mL,d-  累計產氣量為16750mL,原料產氣率為47 mL-g TS;  當酒糟TS濃度在3.0%時,發酵液產氣速率在第11  天達到最大峰值為1900mL·d-,累計產氣量為  1940mL,原料產氣率為443 mLg"TS;當酒糟TS  濃度在3.3%時,發酵液產氣速率在第9天達到最  大峰值為3710mLd-1,累計產氣量為25200mL,原  料產氣率為509mL·gTs。由此可見,當酒糟TS  濃度從2.5%到3.3%時,隨著TS濃度的增加,酒糟  的產氣速率峰值出現時間稍微縮短,產氣速率峰值累計產氣量以及原料產氣率逐漸增加。這是由于當酒糟TS濃度過低時,單位容積內含有的有機物的

所以在一定范圍  糟TS濃度的升高,累計產氣量等會增加10

酒糟TS濃度從3.3%到5%時,發酵液進入產時,發酵液產氣在第9天達到最大峰值為360mLd1,累計產氣量為25430mL,原料產氣率為4mL' TS;當酒糟Ts濃度為4%時,發酵液產氣在第16天達到第1個最大峰值為1030mL·d1,累計  產氣量為26810mL,原料產氣率為447mL·gTS;  當酒糟TS濃度為5%時,發酵液產氣在第21天達到第1個最大峰值為1500mL·d,累計產氣量為26640m,原料產氣率為35mL·g1Ts。由此可  見,當酒糟TS濃度高于3.3%時,隨著TS濃度的增  加酒糟的產氣高峰出現時間逐漸增長,累計產氣量  增加變得緩慢,原料產氣率逐漸降低。這是由于當  酒糟TS濃度過高時,產酸速度超過產甲烷速度,容  易引起有機酸的積累,抑制產甲烷菌的活性,從而影響產氣量。  綜上所述,酒糟在高溫下黑膜沼氣池沼氣發酵的最佳Ts  濃度定為3.3%,比秸稈等黑膜沼氣池沼氣發酵的最佳TS濃度  要低16-1。這可能是由于酒糟在前期發酵產乙醇  時會有一部分酶、酵母等物質進入酒糟,增加了酒糟  中易降解成分的含量,所以最終酒糟的相對有效Ts含量較高


圖6和圖7分別為不同接種物添加量下酒的  日產氣量圖、累計產氣量圖。由結果可知,當接種物  添加量為0.5%時,酒糟產氣速率在第21天達到最  大峰值為1010mLd-),累計產氣量為200mL;當  接種物添加量為1.0%時,酒糟產氣速率在第16天  達到最大峰值為2070mL·d-1,累計產氣量為22370  ml;當接種物添加量為1.5%時,酒糟產氣速率在第  9天達到最大峰值為3710mL·d-1,累計產氣量為  25200mL。由此可見,當接種物添加量從0.5%提  高到1.5%時,隨著接種物添加量的增加,酒糟的產  氣速率峰值出現時間逐漸縮短,累計產氣量逐漸增  加。這是由于當接種物的接種量比較少時,發酵瓶  中的甲烷菌含量相對較少,需要一個產甲烷菌種的  富集過程,所以隨著接種量的增加產氣速率峰值出  現時間逐漸縮短;這時酒糟的累計產氣量主要由產  甲烷菌的數量決定,所以隨著接種量的增加累計產氣量逐漸增加6,9

當接種物添加量從1.5%提高到2.5%時,酒糟  產氣速率都在第9天左右達到最大峰值,分別為3710mLd1,330mLd-1,3340mL·d-,累計產氣量分別為25200mL,25430mL,25570mL。由此可見,當接種物添加量超過1.5%時,酒糟的產氣速率峰值出現時間不再提前,累計產氣量以及產氣峰值的增加也變得緩慢。這是由于,當接種物的接種量到達一定值時,發酵瓶中的甲烷菌含量相對足夠,不再需要產甲烷菌種的富集過程,所以產氣速率峰值出現的時間基本相同。此時,酒糟的累計產氣量主  要由酒糟中的有機質總量決定而不是甲烷菌的數量決定,所以隨著接種量的增加,累計產氣量以及產氣峰值的增加都變得十分緩慢

綜上所述,酒糟在高溫下黑膜沼氣池沼氣發酵的最佳接種  物添加量定為1.5%,此時,在節省接種物的條件  下,酒糟的產氣速率峰值出現時間以及累計產氣量  都達到最佳狀態。試驗之所以選擇新鮮沼液作為接  種物,而不選擇豬糞、牛糞等作為接種物是由于試驗


采取的沼液是以玉米秸稈經過生物預處理后進行  氣發酵得到的,化學污染成分及重金屬含量低,在實  際生產中會對后續的污水處理環節有利。  2.4pH值對酒糟黑膜沼氣池沼氣發酵的影響  圖8和圖9分別為兩組對比試驗下酒糟的  產氣量圖、累計產氣量圖。由結果可知,如果不對發  酵液的pH值進行調節,發酵液的pH值在發酵第3  天就由第1天的702迅速降到4.5左右,一直到發  酵的第15天pH值都維持在4.5左右,在這一階段  對應的日產量平均值只為200mL左右,其產氣速率  在第16天才達到最大峰值為1220mL·d-,累計產  氣量為24930m,產氣周期為51天。這是由于在


發酵產乙醇時,酒糟經歷了初步發酵過程,所以酒糟  在黑膜沼氣池沼氣發酵初期,快速水解產生大量的有機酸同  時產生大量的可溶性有機物,不產甲烷菌利用其產  生的大量有機酸,同時產生的CO2也部分溶于水使發酵系統的pH值下降產生酸化現象。


如果在酒糟發酵前用1mol·L-的NaOH溶液  將發酵液PH值調節到8.5左右,由結果可知,發酵  液迅速進入正常產氣階段,酸化階段只維持了3天  左右,其產氣速率在第9天就達到最大峰值為3710  mL·d2,累計產氣量為25200mL,產氣周期為32  天。這是由于當產酸菌將酒糟中的有機物轉化為有  機酸后,在酒糟發酵前加入的堿性物質電離出的  OH就會中和一部分酸使發酵液快速進入產甲烷階段


結論


(1)以酒糟為原料黑膜沼氣池沼氣發酵省去了原料預處理過程,并且其中糖類、醇類、有機酸等易降解成分和小分子物質含量高,酒糟中碳氮比在25左右,是黑膜沼氣池沼氣發酵的最佳碳氮比,不用加入尿素等含氮物質進行調節,不但降低了成本,而且發酵啟動速度快。


(2)酒糟從蒸餾塔出來之后具有一定的熱量,  采用高溫黑膜沼氣池沼氣發酵方式能夠充分利用酒糟的這部分熱量,節約能耗的同時提高了產黑膜沼氣池沼氣量并縮短了產氣周期


(3)酒糟中含有一部分酶、酵母等物質,這都增加了酒糟的有效發酵產氣成分,所以酒糟在高溫下  黑膜沼氣池沼氣發酵的最佳TS濃度為3.3%,比秸稈等黑膜沼氣池沼氣發酵的最佳TS濃度要低。  (4)酒糟在高溫下黑膜沼氣池沼氣發酵的最佳接種物的添  加量為1.5%,此時,酒糟的產氣速率峰值出現時間以及累計產氣量都達到最佳狀態。  (5)在酒糟發酵前對發酵液的pH值進行調節  可以使酒糟的酸化階段縮短,從而快速進入產甲烷階段。  (6)在高溫55℃,TS濃度3.3%,接種物添加量  1.5%,并在發酵前對發酵液pH值進行調節的條件

下,酒糟產氣速率在第9天達到最大峰值為3710  mL·d-1,產氣周期為32天,原料產氣率高達509


摘自《中國沼氣》2018第三期 于萌萌 呂志鳳 田開艷 丁清華 張元城


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