黃正恒，柳 靜，楊 紅，劉士清，尹 芳，張無敵

（云南師范大學能源與環(huán)境科學學院（太陽能研究所），云南 昆明 650500）

以木薯為原料的酒精廠，每天會產(chǎn)生大量的酒精廢醪液，它是一種高濃度、高懸浮物的有機廢水，直接排放會對環(huán)境造成巨大的影響，每年會有7000萬t酒精廢水排放到江河湖泊。此類污水污染物濃度高，ρ（COD）在30000～50000 mg/L。很多酒精廠采用過濾沉淀初級處理法，有的采用一般的厭氧發(fā)酵法，如何經(jīng)濟有效的處理廢水是值得人們研究的課題［1］。如果能將這部分廢醪液加以利用，不僅能解決酒精廠廢水排放問題，同時還能將這部分能源加以利用。利用沼氣厭氧發(fā)酵處理技術(shù)，把這部分能源利用到酒精生產(chǎn)中將會大大降低酒精生產(chǎn)的能耗，為酒精廠節(jié)約成本。在保護環(huán)境的同時也能充分發(fā)揮沼氣厭氧發(fā)酵技術(shù)的優(yōu)勢，把能源再利用，實現(xiàn)能量逐級利用。楊慧等學者運用能值分析理論對植物生物質(zhì)能進行評價，以往主要采用經(jīng)濟分析和能量分析對系統(tǒng)進行評價［2］，將木薯燃料乙醇的各項能值指標與其他燃料（如化石燃料、生物柴油等）進行比較討論，提高能源利用可持續(xù)發(fā)展系數(shù)。通過模仿自然生態(tài)系統(tǒng)，尋找環(huán)境、經(jīng)濟和社會綜合效益最大化。木薯酒精發(fā)酵副產(chǎn)物能源問題受到了越來越多的學者關(guān)注。

本文以木薯為原料，經(jīng)過酒精發(fā)酵后，將酒精廢水進行固液分離，得到的廢液用UASB反應器處理、廢渣用CSTR反應器處理，回收得到兩部分甲烷，并對甲烷替代煤氣進行經(jīng)濟效益分析。

1 實驗背景

近年來，傳統(tǒng)木薯酒精產(chǎn)業(yè)面臨嚴峻考驗，當前迫切需要調(diào)整木薯酒精產(chǎn)業(yè)的結(jié)構(gòu)，形成以木薯酒精發(fā)酵副產(chǎn)物多元化處理的產(chǎn)業(yè)，不斷加快木薯酒精產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級［3］。趙銀紅［4］學者提出了以木薯為原料的生物質(zhì)能能源系統(tǒng)，主要產(chǎn)品為生物質(zhì)液體燃料——乙醇，生物質(zhì)氣體燃料——沼氣和熱解氣，把系統(tǒng)的生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化成高效生物質(zhì)液態(tài)和系統(tǒng)能源。雷宇等學者提出了以沼氣工程為紐帶，實現(xiàn)酒精廠日排放1200m3廢醪液的能源回收與資源利用，建立飼料、肥料、食品和能源/燃料的4F循環(huán)經(jīng)濟模式［5］，實現(xiàn)了資源化利用，同時帶動其他產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。我國具有成熟的酒精發(fā)酵技術(shù)，用木薯發(fā)酵生產(chǎn)燃料酒精，可把木薯由低品質(zhì)生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化成高品質(zhì)燃料能源［6］，伴隨著木薯酒精產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，會帶來新的問題，發(fā)酵副產(chǎn)物如何處理，達到既能利用這部分有機排放物的能源，也能保護生態(tài)環(huán)境的目的。木薯酒糟纖維含量高、含水量大，經(jīng)過機械方法進行固液分離，可去除游離水分，游離水分則可部分回用于原料拌料，其余部分經(jīng)厭氧-好氧法處理后達標排放，或作為系統(tǒng)冷卻水回用，厭氧消化過程產(chǎn)生的沼氣既可直接用作鍋爐燃料，亦可輸送給附近居民作燃料或者供沼氣發(fā)電機組發(fā)電。大多數(shù)木薯經(jīng)過酒精發(fā)酵后，剩下的酒糟經(jīng)過固液分離會直接輸送到養(yǎng)殖場作為飼料，酒精糟液具有80～90℃高溫的能源優(yōu)勢，在酒精生產(chǎn)過程中，先對酒精廢液冷卻降溫再厭氧消化，大量的熱能資源沒有充分利用，臺明清等學者［7］從能量平衡和動力學角度探討了剩余污泥與酒精廢液高溫共厭氧消化的可行性，充分利用了酒精廢液的熱能資源，研究發(fā)現(xiàn)剩余污泥與酒精廢液共厭氧消化效率增加，產(chǎn)氣量也相應提高，沼渣是上好的有機肥，可還田用于木薯栽培，從而達到變廢為寶、綜合利用和良性循環(huán)的目的。酒精生產(chǎn)中最耗能的階段是蒸煮和蒸餾，如果能將后續(xù)酒糟處理所得到的沼氣能源運用于前期的酒精生產(chǎn)過程中，那么這部分能耗就能節(jié)省下來，實現(xiàn)能源自給自足。

將酒精廢水分離后，得到的廢液廢渣分別進行厭氧消化處理產(chǎn)甲烷，回收的能源可用于替代燃煤，將會大大降低酒精蒸餾和蒸煮階段的能耗。

2 以木薯為原料的酒精發(fā)酵技術(shù)

2.1 實驗材料與方法

該實驗采用小試加中試相結(jié)合的方法進行酒精發(fā)酵實驗，小試裝置用來發(fā)酵，中試設(shè)備用來對酒精進行蒸餾。以木薯為原料，用粉碎機將新鮮木薯打碎成粉，過篩后稱取各稱取2 kg木薯粉分別放入一號罐和二號罐，用兩個10L發(fā)酵罐作為木薯酒精發(fā)酵的容器，按照水料比為4∶1的比例［8］，將原料與水混合加入發(fā)酵罐中，采用水浴的方法，將其升溫至80℃使其糊化，之后降溫至70℃加入液化酶（原料質(zhì)量的0.2%）使其液化，降溫至60℃加入糖化酶（原料質(zhì)量的0.2%）使其糖化，降溫至30℃時加入安琪酵母（原料質(zhì)量的0.5%），攪拌均勻后用紗布將容器口封住，放至恒溫30℃的水浴中，靜置發(fā)酵，發(fā)酵天數(shù)12 d，用燃料乙醇中試設(shè)備對其進行蒸餾，提取酒精。

2.2 實驗結(jié)果與分析

1）實驗結(jié)果。如表1所未。

表1 木薯酒精發(fā)酵后各項指標Table 1 Indexes of cassava alcohol fermentation

2）結(jié)果分析。

木薯酒精發(fā)酵前后，質(zhì)量發(fā)生變化，一號罐和二號罐實驗采用同樣的處理方式，發(fā)酵前質(zhì)量和發(fā)酵后質(zhì)量為木薯質(zhì)量、水的質(zhì)量和發(fā)酵罐質(zhì)量的總和，原因是在發(fā)酵過程中，酵母在不斷消耗原料中葡萄糖等有機物，在反應過程中產(chǎn)生了二氧化碳等氣體釋放到空氣中，還有少許的水分蒸發(fā)，在原料發(fā)酵過程中，也可觀察到發(fā)酵罐中不斷有氣泡產(chǎn)生。用酒精計測量得到酒精度，并通過計算得到原料出酒率。

發(fā)酵結(jié)束后，將殘留物進行固液分離，稱量得到廢液及廢渣的質(zhì)量，最終發(fā)酵結(jié)果如表1所示。取一號罐和二號罐參數(shù)的平均值可得，2kg木薯經(jīng)過發(fā)酵能產(chǎn)生1.36kg酒精廢渣，產(chǎn)生酒精廢液5.98L，酒精度為47.5%，出酒率為39.18%。

酒精生產(chǎn)過程中消耗的非可再生能源不僅用于生產(chǎn)酒精，還用于生產(chǎn)副產(chǎn)品，不同的生產(chǎn)工藝具有不同的副產(chǎn)品，其替代能耗的值也不同［9］。產(chǎn)生的酒精廢水將用厭氧沼氣工藝進行處理，使其產(chǎn)生沼氣能源，一方面解決的酒精廢水的排放問題，另一方面產(chǎn)生的新能源可以將其利用與酒精發(fā)酵過程中的原料蒸煮、發(fā)酵恒溫、酒精蒸餾等耗能階段，可以極大程度減少成本，提升酒精發(fā)酵整個環(huán)節(jié)的經(jīng)濟效益。

2.3 UASB厭氧反應器處理酒精廢液

上流式厭氧污泥床（Up-flow Anaerobic Sludge Bed/Blanket），如圖 1所示。

圖1 UASB厭氧反應器示意圖Figure 1 Schematic diagram of UASB anaerobic reactor

UASB反應器屬于第二代厭氧反應器，反應器設(shè)置了三相分離器，該設(shè)計能有效阻擋污泥和其中的微生物不被液體沖出反應器，能有效地將液體、氣體和固體分開。反應器底部污泥中的微生物會和廢液進行反應，產(chǎn)生的氣體會攜帶部分污泥到達反應器的上部，三相分離器的設(shè)計能使污泥觸碰到阻擋板后在重力的作用下自然沉降，污泥的存在保證了反應器的運行效率和運行效果。連續(xù)的廢水進入到反應器中，反應器中的微生物會不斷適應環(huán)境，不斷的利用和代謝廢水中的有機物，污泥和微生物在多種因素的作用下會逐漸形成顆粒污泥，顆粒污泥的形成是反應器啟動成功和穩(wěn)定運行的關(guān)鍵因素之一［10］。

2.4 試驗材料與方法

實驗所用的廢水來自于上一階段木薯酒精發(fā)酵剩余物所分離出來的廢液，COD質(zhì)量濃度為29340 mg/L，pH值4.5，木薯酒精廢液含有大量的有機物，可為厭氧沼氣發(fā)酵過程提供一個良好的營養(yǎng)環(huán)境，反應器運行100 d左右，有效運行時間為80d。采取連續(xù)進水方式，用蠕動泵緩慢地將酒精廢液抽入UASB反應器中，UASB采用恒溫方式，在反應器外層包裹一層軟管，軟管另外一端連接恒溫37℃的水源和一個抽水泵，這樣就使得反應器處于一個恒溫條件中，有利于微生物的生長和活動。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 實驗結(jié)果

實驗結(jié)果見圖2～圖4。

圖2 UASB反應器日產(chǎn)氣量和甲烷含量Figure 2 Daily gas output and methane content of UASB reactor

圖3 UASB反應器進出水pHFigure 3 pH of inlet and outlet water in UASB reactor

圖4 UASB反應器進出水CODFigure 4 COD in and out of UASB reactor

3.2 結(jié)果分析

從圖2～圖4中看出，反應器日產(chǎn)氣量和甲烷含量的變化情況，甲烷含量和日產(chǎn)氣量隨著時間和進水COD濃度的提升逐漸提高。整個實驗過程中采用固定的 HRT（HRT＝3.4d）。不斷提高進水COD濃度，微生物在適宜的環(huán)境中不斷生長，持續(xù)代謝和利用有機廢水中的營養(yǎng)物質(zhì)，前期通過加入碳酸氫鈉調(diào)節(jié)木薯pH值，當反應器中的微生物逐漸適應環(huán)境后，減少人為調(diào)控pH的環(huán)節(jié)，反應器逐漸運行穩(wěn)定，甲烷含量不斷提高。運行到60d的時候甲烷含量已經(jīng)達到70%以上，而后因為進水COD濃度提升過快，反應器中微生物沒有足夠的適應時間，導致甲烷含量稍有下降。隨后逐漸恢復穩(wěn)定，甲烷平均含量均穩(wěn)定在65%左右，COD去除率平均值達到95.18%，處理效果較好。

3.3 能源轉(zhuǎn)化效率

根據(jù)實驗結(jié)果，可計算出UASB反應器運行過程中累計產(chǎn)氣量為183.5L，平均甲烷質(zhì)量分數(shù)為60.08%，甲烷的熱值為35.88MJ/m3，煤氣的熱值為 16.72 MJ/m3

甲烷的量＝累計產(chǎn)氣量*平均甲烷質(zhì)量分數(shù)

＝183.5×60.08%

≈110.25（L）

甲烷燃燒所釋放的熱值為＝甲烷的量×甲烷的熱值

＝110.25×103×35.88

＝3955.77（kJ）

可替代的化石能源＝甲烷燃燒所釋放的熱值/煤氣的熱值

＝3955.77/（16.72×103）

＝236.6（L）

計算結(jié)果顯示，UASB反應器運行了100天處理酒精廢水，得到甲烷110.25L，可替代236.6L煤氣，這是處理11.96L酒精廢液所得結(jié)果，因為用的是同一批次酒精廢液，所以酒精廢液的理化性質(zhì)幾乎相同。經(jīng)過計算可得，2kg木薯經(jīng)過酒精發(fā)酵后產(chǎn)生的5.98L酒精廢液經(jīng)過UASB反應器處理后可得到甲烷55.13L，能替代118.3L煤氣。說明木薯酒精廢水中含有大量的可利用的有機物，經(jīng)過一定的實驗處理可以將其轉(zhuǎn)化為可供利用的沼氣能源，而所得到的這部分沼氣的量也非?？捎^，接近兩倍煤氣的量，因此木薯酒精廢水的再利用具有重要意義。

4 CSTR厭氧反應器處理酒精廢渣

4.1 實驗材料與方法

4.1.1 實驗材料

木薯酒精發(fā)酵剩余物中的固體部分，簡稱木薯酒精廢渣，原料的TS為26.61%，VS為97.58%，這部分物質(zhì)含有豐富的有機物，可作為沼氣厭氧消化的原料。本實驗采用CSTR連續(xù)攪拌釜反應器，容積為7L，加入已經(jīng)馴化好的接種物2.8L，稱取木薯渣300g，采用批量進料方式，CSTR外部有一層保溫層，實驗在恒溫37℃的條件下運行。

CSTR發(fā)酵參數(shù)，見表2。

表2 原料用量及產(chǎn)氣潛力Table 2 Raw material consumption and gas potential

4.1.2 實驗結(jié)果與分析

實驗結(jié)果見圖5。

圖5 CSTR日產(chǎn)氣量和甲烷含量Figure 5 Daily gas output and methane content of CSTR

4.2 結(jié)果分析

該實驗是在恒溫37℃的條件下進行的，木薯酒精廢渣的厭氧消化時間是34 d，在啟動第9 d時日產(chǎn)氣量達到峰值，且當天的甲烷含量也處在階段性較高的一個含量，隨后甲烷含量先升后降，逐步穩(wěn)定在55%左右，直至發(fā)酵結(jié)束。原料的TS產(chǎn)氣率為 593.26 mL/g，VS產(chǎn)氣率為607.96 mL/g。

4.3 能源轉(zhuǎn)化計算

根據(jù)實驗結(jié)果，可計算出CSTR反應器運行過程中累計產(chǎn)氣量為47.36L，平均甲烷質(zhì)量分數(shù)為54.19%，甲烷的熱值為35.88MJ/m3，煤氣的熱值為 16.72 MJ/m3

甲烷的量＝累計產(chǎn)氣量×平均甲烷質(zhì)量分數(shù)

＝47.36×54.19%

≈25.66（L）

甲烷燃燒所釋放的熱值為＝甲烷的量×甲烷的熱值

＝25.66×103×35.88

≈920.68（kJ）

可替代的化石能源＝甲烷燃燒所釋放的熱值/煤氣的熱值

＝920.68/（16.72×103）

＝55.06（L）

計算可得，CSTR厭氧反應器處理300g木薯酒精廢渣得到25.66L甲烷，可替代55.06L煤氣，經(jīng)過計算可得，2kg木薯經(jīng)過酒精發(fā)酵后產(chǎn)生的1.36kg木薯渣可產(chǎn)生116.33L甲烷，可替代249.42L煤氣，木薯酒精廢渣還有剩余的可利用的有機物，經(jīng)過一定的處理可以轉(zhuǎn)變成可供利用的沼氣能源，改變了以往酒精木薯廢渣直接用于飼料的單一利用模式，其經(jīng)濟性和綜合利用價值有待進一步研究。

5 經(jīng)濟分析

2kg木薯經(jīng)過酒精發(fā)酵后產(chǎn)生的5.98L酒精廢液經(jīng)過UASB處理后能替代118.3L煤氣；產(chǎn)生的1.36kg木薯渣經(jīng)過CSTR處理后可替代249.42L煤氣。以年產(chǎn)1萬t木薯燃料乙醇的酒精廠為例［11］，每天可產(chǎn)生3×105L廢水，1.7t廢渣，根據(jù)本實驗研究結(jié)果進行換算，酒精廠每天產(chǎn)生的廢液可替代5.93×106L煤氣，每天產(chǎn)生的廢渣可替代3.12×105L煤氣，廢液和廢渣處理后共產(chǎn)生6.24×106L煤氣，以昆明在2019年9月份的煤氣價格1.600元/m3進行計算，酒廠每天處理廢液廢渣所能節(jié)省的煤氣費用為6.24×103m3×1.6元/m3＝9984元。計算結(jié)果是以本文實驗結(jié)果為基礎(chǔ)進行換算，實際生產(chǎn)過程中會存在一定誤差，本文研究內(nèi)容可為實際工程中處理酒精發(fā)酵副產(chǎn)物提供參考，這部分酒精發(fā)酵副產(chǎn)物處理后應用于酒精制備過程的蒸煮和蒸餾階段，會大大降低木薯酒精的生產(chǎn)成本，為企業(yè)提高利潤。

6 結(jié)論

本文研究了木薯經(jīng)過酒精發(fā)酵后剩余的可利用、可轉(zhuǎn)化成沼氣的能源，2kg木薯經(jīng)過酒精發(fā)酵后產(chǎn)生的副產(chǎn)物為酒精廢水，酒精廢水經(jīng)過固液分離后得到5.98L酒精廢液，1.36kg酒精廢渣，5.98L酒精廢液經(jīng)過UASB反應器處理后可得到55.13L甲烷，能替代118.3L煤氣；1.36kg木薯渣經(jīng)過CSTR反應器處理后可得到116.33L甲烷，可替代249.42L煤氣，并進行了經(jīng)濟分析，采用UASB結(jié)合CSTR處理木薯酒精副產(chǎn)物能提高酒精廠的利潤，節(jié)省能耗。酒精廢液中用于沼氣發(fā)酵后的剩余物又可以用于還田，作為化肥替代物，既能合理的處理廢棄物，又能減少化肥的使用。構(gòu)建以沼氣能源為紐帶的循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)模式，是未來可持續(xù)發(fā)展的重要模式與現(xiàn)代能源的發(fā)展方向，從源頭治理來改善環(huán)境污染，促進以沼氣為核心的相關(guān)產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)科技現(xiàn)代化、資源高效化、產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)化的發(fā)展趨勢［12］。隨著能源轉(zhuǎn)化效率高的乙醇生產(chǎn)技術(shù)的開發(fā)，木薯燃料乙醇的生命周期綜合利用率將隨之提高，同時考慮到其凈能源產(chǎn)出的可在生性，木薯燃料乙醇更充分地利用太陽能資源，是一種潛力巨大的綠色燃料［13］、綠色能源。在我國糧食安全剛好保證的情況下，堅持發(fā)展非糧能源作物是我國生物質(zhì)能源的必由之路，實現(xiàn)木薯能源作物的可持續(xù)發(fā)展的道路［14］。各級政府政策和激勵措施正在推動生物燃料行業(yè)的發(fā)展，但生物燃料的未來發(fā)展最終應該能夠憑借自身的優(yōu)勢對能源市場產(chǎn)生影響［15］，實現(xiàn)自給自足的能源利用模式木薯酒精廢液和廢渣經(jīng)過試驗處理后，得到的沼氣能源可替代相應量的煤氣，解決化石能源面臨問題的同時，達到綜合木薯資源的綜合利用和良性循環(huán)，木薯作為能源作物來利用的研究越來越得到重視，未來的產(chǎn)業(yè)發(fā)展將結(jié)合綜合經(jīng)濟效益分析做更詳細的探究。