周冠男，陳 琳，鄭 濤，2，周政忠，袁浩然，2*

（1.常州大學城鄉(xiāng)礦山研究院，江蘇 常州 213100；2.中國科學院廣州能源研究所，廣州 510640）

醋糟（Vinegar，V）是制醋過程中的副產(chǎn)物，其主要成分為木質纖維素類物質，同時含有大量未降解的淀粉、蛋白質、粗纖維和非蛋白氮等組分，干物料中主要含有纖維素（20%～35%）、半纖維素（15%～25%）、木質素（15%～25%）、粗蛋白（6%～14%）、粗脂肪（2%～10%）及灰分（4%～10%）等成分，具有較高的利用價值[1-3]。山西省作為食醋大省，年產(chǎn)醋糟量在300萬t左右[4]，江蘇鎮(zhèn)江的醋糟年產(chǎn)量在260萬t左右[5]。傳統(tǒng)的醋糟處理方式大多是直接填埋處理，但是醋糟酸度大、腐爛慢等特性易對環(huán)境造成嚴重污染[5]，同時也造成營養(yǎng)物質的極大浪費。近年來越來越多的學者開始探尋更加高效的利用醋糟的方法[6-9]。厭氧發(fā)酵可通過微生物的代謝，將廢棄物轉化為CH4和H2等能源性物質，實現(xiàn)資源的高效化利用[10]。如劉瑞光等[11]發(fā)現(xiàn)醋糟在厭氧發(fā)酵產(chǎn)H2時，最大H2含量可達70%；Li等[12]發(fā)現(xiàn)使用醋糟厭氧發(fā)酵產(chǎn)CH4時，產(chǎn)CH4速率最高可達581.88 mL·L-1；Ran等[13]通過水熱預處理的方法，發(fā)現(xiàn)160℃處理后的醋糟CH4產(chǎn)量最高，為102.5 mL·kg-1。大量研究顯示醋糟可以通過厭氧發(fā)酵的方式，實現(xiàn)資源化利用[14-15]，但其中多采用單一原料進行厭氧發(fā)酵。

由于醋糟屬于高纖維原料，作為單一原料厭氧發(fā)酵時，體系啟動慢且極易酸化，而作為沼氣發(fā)酵主要原料的畜禽糞便，豬糞及雞糞均具有較高厭氧發(fā)酵的潛力，同時由于其較高的氮含量，具有較強的緩沖性能[16-20]。因此通過混合發(fā)酵的方式以促進物料之間的協(xié)同作用提高厭氧消化效率，同時提高醋糟的厭氧消化利用效率。Macias-Corral M等[21]發(fā)現(xiàn)牛糞與棉花混合發(fā)酵后總固體含量（TS）去除率顯著高于單一物料（9%和16%）；周莎等[22]發(fā)現(xiàn)雞糞與小麥秸稈混合比例為5∶5時單位CH4產(chǎn)氣量達90.56 mL·g-1VS；賈志莉等[23]通過醋糟與醬糟混合發(fā)酵，累積CH4產(chǎn)量相較于理論值最高可以提升16%。

截至目前，以醋糟與畜禽糞便為原料的混合發(fā)酵研究較少，因此本研究分別以豬糞和雞糞與醋糟為原料，進行中溫批式混合厭氧發(fā)酵，測定各試驗組產(chǎn)氣特性及發(fā)酵體系的穩(wěn)定性等，確定不同混合原料的最佳物料配比，以期為醋糟混合厭氧發(fā)酵提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗原料

1.1.1 發(fā)酵原料

試驗所需醋糟取自江蘇省某醋業(yè)加工企業(yè)，貯存于4℃冰箱冷藏；雞糞和豬糞分別取自常州市某現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園，去除其中石塊、羽毛等雜物后貯存于4℃冰箱冷藏。

1.1.2 接種物

接種物采用豬糞、自來水以及厭氧發(fā)酵罐的沼液（用于醋糟發(fā)酵）調配而成，TS為2%左右，在進行約1個月的發(fā)酵之后開始馴化工作。厭氧污泥馴化過程中，前期通過每日添加醋糟進行馴化。起始發(fā)酵罐的總添加量為20 g·d-1，馴化時間為82 d，醋糟最終添加量為60 g·d-1。接種物各項指標見表1。

表1 接種物物理化學性質Table 1 The physical and chemical properties of the inoculants

1.2 試驗方法

發(fā)酵原料為豬糞、雞糞和醋糟，其物理化學性質如表2所示。根據(jù)物料的C/N，本試驗基于揮發(fā)性固體（Volatile solid，VS）設置5個試驗組，各比例設置1組重復，試驗設計參數(shù)如表3所示，豬糞組的接種量設定為70%，雞糞組為80%。其中較高的接種量不僅可以維持系統(tǒng)較強的緩沖性能，降低試驗中揮發(fā)性脂肪酸的積累[24-25]，也可以縮短微生物生長的延滯期，快速啟動試驗。試驗啟動后，每日使用排水集氣法測定產(chǎn)氣量，同時定時測量排水量以及氣體成分。每隔6 d取沼液樣測定VFAs、TAN濃度等。

1.3 試驗裝置

試驗所用發(fā)酵瓶體積為1.2 L，有效體積為1 L，試驗在水浴鍋中進行，溫度為37±1℃，裝置如圖1所示。

表2 物料基礎特性Table 2 Characterization of raw materials

表3 試驗設計參數(shù)Table 3 Experimental design parameters

圖1 批式試驗裝置圖Figure 1 Schematic diagram of the batch experiment

1.4 檢測方法

TS、VS采用差值法測定[26]；纖維素、半纖維素和木質素采用范式法測定[27]；C/N通過采用Vario EL cube元素分析儀測定；CH4和CO2含量采用氣相色譜測定:載氣為N2，柱箱和檢測器溫度為100℃，共運行5 min；VFAs采用氣相色譜測定:載氣為N2，程序升溫設定為80℃停留2 min，以15℃·min-1的速度升溫至250℃，共運行15.6 min；TAN采用納氏試劑法測定（HJ 535—2009）；pH使用梅特勒FE20-K PLUS酸度計測定。

1.5 數(shù)據(jù)處理

累積甲烷產(chǎn)量采用Modified Gomperts對數(shù)據(jù)進行擬合[28]，見公式（1）。

式中:M（t）為t時每克VS物料的產(chǎn)甲烷量，mL·g-1VS；Ps為每克VS物料的最大產(chǎn)甲烷量，mL·g-1VS；Rs為每克VS物料最大產(chǎn)甲烷速率，mL·g-1VS·d-1；λ為延滯期，d。

為了更好地表現(xiàn)混合發(fā)酵的協(xié)同效果，將試驗數(shù)據(jù)進行以下處理:將純醋糟組和純糞便組的累積產(chǎn)甲烷量，按照3個混合物料組中兩種物料的VS配比，計算出混合物料組的累積產(chǎn)甲烷量，該值記為理論累積產(chǎn)甲烷量m′；各混合物料組的試驗所得累積產(chǎn)甲烷量記為實際產(chǎn)甲烷量m。協(xié)同增益產(chǎn)氣率ω（%）的計算公式為:

2 結果與討論

2.1 醋糟與豬糞混合厭氧發(fā)酵

2.1.1 產(chǎn)甲烷速率及甲烷含量的變化規(guī)律

如圖2a所示，各試驗組均能在較短時間內開始產(chǎn)氣，其中P1在第5 d達到產(chǎn)氣高峰為35 mL·g-1VS·d-1，P2、P3、P4、P5均在第2 d達到最高產(chǎn)氣率，依次為32、39、46、50 mL·g-1VS·d-1。接種物中的微生物經(jīng)過醋糟的長時間馴化，在消化利用發(fā)酵原料的時候，會優(yōu)先選擇醋糟，因此有醋糟占比的試驗組啟動相對較快；而豬糞在直腸消化過程中，經(jīng)過了大腸桿菌、沙門氏菌和乳酸桿菌等菌群的消化作用，可被產(chǎn)酸菌直接利用的營養(yǎng)物質較少，大部分營養(yǎng)物質需要經(jīng)過水解過程，將大分子轉化成小分子[29]，所以產(chǎn)氣速度較慢。

隨后，各組產(chǎn)甲烷速率出現(xiàn)下降趨勢，其中P1為持續(xù)下降，到第19 d，下降至1.5 mL·g-1VS·d-1左右，直到產(chǎn)氣結束。由于豬糞中營養(yǎng)物質較為單一，在厭氧發(fā)酵過程進入產(chǎn)氣階段后，其消化速度較快，因此會出現(xiàn)不斷下降的趨勢。P2、P3、P4、P5的差異出現(xiàn)在第2 d到第7 d；其中P2從第2 d到第7 d下降幅度較小，從32 mL·g-1VS·d-1下降到28 mL·g-1VS·d-1，P3、P4、P5的產(chǎn)氣速率下降到第5 d左右出現(xiàn)回升，到第7 d達到最高，分別為26、24、24 mL·g-1VS·d-1。醋糟中含有大量的木質纖維類物質等（總量75.7%±0.2%），這部分營養(yǎng)物質在厭氧消化過程中需要一段時間的軟化、釋放等過程[30-31]，所以在醋糟占比較高的組分（P3、P4和P5）會出現(xiàn)產(chǎn)氣速率的回升，這與秸稈類等含有較高木質纖維類物質的發(fā)酵現(xiàn)象相似[32-33]；P2豬糞占比較高，在下降過程中，由于豬糞完成了營養(yǎng)物質由大分子向小分子的轉化過程，所以下降幅度較小。之后P2、P3、P4和P5保持2 d的大幅下降到10 mL·g-1VS·d-1，然后開始緩慢下降，第19 d下降至1.5 mL·g-1VS·d-1左右，直到產(chǎn)氣結束。原料混合對產(chǎn)氣速率的影響主要出現(xiàn)在第2～7 d，第2 d的產(chǎn)氣峰值隨醋糟的占比增加而提高，下降過程中受豬糞厭氧消化速度較醋糟慢的影響，產(chǎn)氣速率下降相對較慢。

各組甲烷含量如圖2b所示，P2、P3、P4、P5在第2 d甲烷含量就達到57%左右并保持穩(wěn)定，P1則在第5 d增加至55%以上。從第7 d開始，各組甲烷含量出現(xiàn)下降，保持在54%左右，直到第12 d又出現(xiàn)上升，之后各組的甲烷含量保持在57%左右直到試驗結束。試驗過程中第7 d各組甲烷含量出現(xiàn)明顯下降是由于在厭氧發(fā)酵初期，有機物在產(chǎn)酸型細菌的作用下轉化為乙酸（150～600 mg·L-1）、丙酸（3500～5200 mg·L-1）等揮發(fā)性脂肪酸，其不斷積累使得體系中產(chǎn)甲烷型細菌的活性受到一定程度的抑制，其中丙酸濃度超過1000 mg·L-1就會對產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生較為明顯的抑制[34]。

隨著體系中厭氧發(fā)酵的不斷運行，VFAs不斷地被產(chǎn)甲烷菌消耗利用，因此整個發(fā)酵系統(tǒng)的VFAs含量下降，同時甲烷含量恢復至57%±1%，直到試驗結束。試驗穩(wěn)定階段各組甲烷含量并沒有較為明顯的差距，說明混合發(fā)酵對于甲烷含量并無明顯影響。

2.1.2 累積產(chǎn)甲烷量及其協(xié)同增益產(chǎn)氣率

圖2 醋糟與豬糞混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷速率及甲烷含量隨時間的變化Figure 2 The variation of methane production rate and the methane content over time with co-digestion of vinegar residue and pig manure

通過Modified Gomperts模型擬合醋糟與豬糞混合厭氧發(fā)酵累積產(chǎn)甲烷量，結果如圖3a所示，模擬參數(shù)如表4所示。各組R2在0.994～0.996之間，表明Modified Gomperts模型可較好地反映醋糟與豬糞混合發(fā)酵產(chǎn)甲烷的過程。其中，T80（達到最高累積產(chǎn)氣量80%所需時間）隨著豬糞占比的增加而延長，λ的變化趨勢與T80相似。由于豬糞厭氧發(fā)酵過程中，需要將大分子轉化為小分子，所需要的時間相對較長，啟動時間也相對較長，所以T80和λ隨豬糞占比的增加而延長，由于各組接種量較大且接種物經(jīng)過較長時間的馴化等原因，其厭氧發(fā)酵均啟動較快，延滯期λ均小于1 d。

Ps和Rs隨著豬糞占比的提高而增大，當醋糟與豬糞配比為3∶1時，Ps和Rs出現(xiàn)最高值分別為276.56 mL·g-1VS和30.30 mL·g-1VS·d-1，相較于P1和P5分別提高了0.9%、13.6%和4.1%、5.9%，表明醋糟與豬糞混合后進行厭氧發(fā)酵，產(chǎn)甲烷潛力隨豬糞占比的提高而增加。各試驗組的結果差距較小，這可能與試驗所用原料的量較少有關。

如圖3b所示，3個試驗組的協(xié)同增益產(chǎn)氣率在第1～2 d達到最高，其中P2、P3、P4最高協(xié)同增益產(chǎn)氣率分別為67.97%、52.88%和8.33%；之后隨著試驗的進行出現(xiàn)明顯下降趨勢；試驗進行到第8 d時，各組協(xié)同增益產(chǎn)氣率逐漸趨于平穩(wěn)，且均保持在一個相對穩(wěn)定的范圍，P2、P3、P4分別在7.1%～9.2%、5.2%～5.8%及3.0%～3.5%的范圍內，平均值分別為7.71%、5.43%及3.19%。各試驗組協(xié)同增益產(chǎn)氣率均為正值，說明混合發(fā)酵可以使原料得到更加充分的利用；同時P2＞P3＞P4，混合厭氧發(fā)酵原料之間的協(xié)同性大小隨豬糞占比的增加而提高，尤其當醋糟與豬糞配比為1∶3時，混合發(fā)酵協(xié)同性最佳。

表4 醋糟與豬糞混合發(fā)酵累積產(chǎn)甲烷量Modified Gomperts模擬參數(shù)Table 4 The Modified Gomperts modeling parameters for the co-digestion of vinegar and pig manure

2.2 醋糟與雞糞混合厭氧發(fā)酵

2.2.1 產(chǎn)甲烷速率及甲烷含量的變化規(guī)律

如圖4a所示，各組試驗均能在短時間內開始產(chǎn)氣，并在第3～4 d達到產(chǎn)氣高峰，隨后出現(xiàn)緩慢下降的趨勢。各組在下降過程中出現(xiàn)了2種情況:C1、C2、C3和C4在第7 d下降到14 mL·g-1VS·d-1左右后進入了短時間的穩(wěn)定階段，隨后從第11 d開始再次下降，下降時間點隨著雞糞占比的提高而延后；C5下降到第5 d，產(chǎn)氣速率開始出現(xiàn)回升，第8 d到最高為21 mL·g-1VS·d-1，隨后開始下降。各組再次出現(xiàn)下降趨勢之后，到第18 d產(chǎn)氣速率均下降至2 mL·g-1VS·d-1，直至試驗結束。

圖3 醋糟與豬糞混合發(fā)酵累積產(chǎn)甲烷量及協(xié)同增益產(chǎn)氣率Figure 3 The cumulative methane production and the synergistic gain in methane production rate by co-digestion of vinegar residue and pig manure

醋糟與雞糞混合后對產(chǎn)氣速率的影響主要表現(xiàn)在最高產(chǎn)氣速率和從第8 d之后出現(xiàn)的產(chǎn)氣速率下降的時間點上。產(chǎn)氣峰值隨雞糞占比的增加而提高（C1＞C2＞C3＞C4＞C5），分別為 39、37、33、31、29 mL·g-1VS·d-1。這是由于雞糞中含有大量可直接被微生物利用的碳水化合物和蛋白質等，厭氧發(fā)酵啟動較快。第8 d之后出現(xiàn)的產(chǎn)氣速率下降時間點隨雞糞占比的增加而延后現(xiàn)象，是由于雞糞在厭氧發(fā)酵過程中蛋白質等物質大多轉化成了NH+4-N[35]，含雞糞的試驗組氨氮含量由初始的1000±80 mg·L-1升高到2200±300 mg·L-1，對產(chǎn)甲烷菌的厭氧消化作用產(chǎn)生負面影響[36]。

圖4 醋糟與雞糞混合發(fā)酵產(chǎn)甲烷速率及甲烷含量隨時間的變化Figure 4 The variation of methane production rate and the methane content over time with co-digestion of vinegar residue and chicken manure

如圖4b所示，各組的甲烷含量在3～5 d內達到57%～62%，并保持相對穩(wěn)定。從第10 d開始，各組甲烷含量出現(xiàn)明顯的差異，其中C1、C2、C3和C4甲烷含量出現(xiàn)小幅提高，到第13 d升至65%左右，隨后C1和C2保持在65%～67%之間，直到產(chǎn)氣結束，C3和C4出現(xiàn)下降，至第25 d左右，下降至約55%，之后甲烷含量保持在55%～60%之間，直到產(chǎn)氣結束；C5甲烷含量從第9 d開始下降，到第15 d下降到55%左右，之后保持在55%～58%之間，直到產(chǎn)氣結束。

在厭氧發(fā)酵過程中由于產(chǎn)酸過程會生成大量的揮發(fā)性脂肪酸，pH下降，產(chǎn)甲烷菌受到pH變化的影響，甲烷含量出現(xiàn)下降（這一點在醋糟與豬糞混合厭氧發(fā)酵試驗中也體現(xiàn)）。醋糟與雞糞混合厭氧發(fā)酵第10 d 各組乙酸含量在 5000～7000 mg·L-1，丙酸在2000～3000 mg·L-1，C1、C2、C3和C4的發(fā)酵原料中含有一定占比的雞糞，在厭氧發(fā)酵過程中由于蛋白質等物質轉化為NH+4-N，對pH的變化有一定的緩沖能力，因此pH維持在7.2±0.25，體系維持在產(chǎn)甲烷菌適宜pH（6.5～7.8）的范圍之內[37]。由各組數(shù)據(jù)可以看出揮發(fā)性脂肪酸對甲烷含量的影響隨著雞糞占比的提高而減小。

2.2.2 累積產(chǎn)甲烷量及其協(xié)同增益產(chǎn)氣率

通過Modified Gomperts模型擬合醋糟與雞糞混合厭氧發(fā)酵累積產(chǎn)甲烷量結果如圖5a所示，模擬參數(shù)如表5所示，各組R2在0.995～0.996，表明模擬結果可較好反映醋糟與雞糞的混合厭氧發(fā)酵過程。在混合厭氧發(fā)酵過程中由于物料配比的改變，T80一般會呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性（隨一種物料的配比遞增或者遞減）[39-41]，但本研究中T80并未表現(xiàn)出一定的規(guī)律性，這可能是在醋糟與雞糞混合厭氧發(fā)酵的不同階段中，由于揮發(fā)性脂肪酸和氨氮等抑制因素的存在，對產(chǎn)甲烷菌的生物活性造成不同程度的抑制，使產(chǎn)氣階段出現(xiàn)不同程度的延后現(xiàn)象。

圖5 混合發(fā)酵協(xié)同增益產(chǎn)氣率Figure 5 The cumulative methane production and the synergistic gain in methane production rate by co-digestion of vinegar residue and chicken manure

Ps和Rs大小依次為 C1＞C2＞C3＞C4＞C5，其中 C1的Ps和Rs分別為317.32 mL·g-1VS和23.76 mL·g-1VS·d-1，分別較 C2、C3、C4和 C5提高了4.11%、12.14%，24.75%、34.71%，2.59%、6.11%，17.16%、23.43%。由于雞糞中含有大量的蛋白質、碳水化合物等營養(yǎng)物質[38]；而醋糟的木質纖維類物質含量較高，可用于厭氧發(fā)酵的物質相對較少，因此在厭氧發(fā)酵過程中經(jīng)過產(chǎn)甲烷菌的消化作用，雞糞會產(chǎn)生更多的甲烷氣體。

3個試驗組的協(xié)同增益產(chǎn)氣率如圖5b所示，在試驗前16 d波動較大，其中C2的平均增長率為4.6%，C3為-0.7%，C4為-14.1%。之后各組進入相對穩(wěn)定階段，C2、C3、C4增長率分別處于2.2%～3.3%、-0.4%～3.2%、-4.2%～-0.9%之間，平均值依次為2.8%、1.9%、-1.5%。3個試驗組的協(xié)同增益產(chǎn)氣率隨醋糟占比的增加而提高，表明醋糟與雞糞混合厭氧發(fā)酵的協(xié)同性隨醋糟含量的增加而提高。但是由于雞糞具有較好的發(fā)酵效果（其產(chǎn)甲烷潛力為同組最高），在與醋糟共發(fā)酵過程中，物料間的協(xié)同性相對并不高。

表5 醋糟與雞糞混合厭氧發(fā)酵Modified Gomperts模擬參數(shù)Table 5 The Modified Gomperts modeling parameters for the co-digestion of vinegar and chicken manure

3 結論與建議

（1）醋糟與豬糞混合厭氧發(fā)酵配比為1∶3時，協(xié)同增益產(chǎn)氣率以及產(chǎn)甲烷潛力均為各組最高，分別為7.71%和286.51 mL·g-1VS。采用醋糟與豬糞進行厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣，建議配比為1∶3，且TS含量建議控制在15%以下，防止系統(tǒng)黏稠度過高，影響發(fā)酵效果。

（2）醋糟與雞糞混合厭氧發(fā)酵配比為1∶3時，協(xié)同增益產(chǎn)氣率以及產(chǎn)甲烷潛力均為各組最高，分別為2.8%和312.57 mL·g-1VS。采用雞糞進行厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣，建議在較低負荷下進行，防止氨氮濃度過高，使發(fā)酵體系崩潰。若要進行較高負荷，建議添加適量C含量較高的物料，以調節(jié)發(fā)酵體系的C/N。