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        酒糟廢棄物產(chǎn)沼氣性能研究及分析

        2020-07-04 02:55:48李芳
        現(xiàn)代鹽化工 2020年3期
        關(guān)鍵詞:厭氧發(fā)酵

        李芳

        摘 ? 要:以某酒廠3種酒糟樣品為基礎(chǔ),開展了不同階段酒糟厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的實驗。結(jié)果表明,一次釀酒后所得的原酒糟TS產(chǎn)氣潛力為300 mL/g,經(jīng)過再次提酒后的復槽酒糟TS產(chǎn)氣潛力為281 mL/g,酒糟制漿濾除稻殼后的TS產(chǎn)氣潛力為207 mL/g。

        關(guān)鍵詞:酒糟廢棄物;厭氧發(fā)酵;產(chǎn)沼氣

        酒糟,即釀酒后的谷物類殘渣,是米、麥、高粱等釀酒后剩余的殘渣。酒糟中含有豐富的蛋白質(zhì)、氨基酸、維生素等無機元素,且粗纖維質(zhì)量分數(shù)較高。品質(zhì)較好的酒糟能進行二次利用,即與秸稈飼料摻在一起喂養(yǎng)畜禽;或經(jīng)過發(fā)酵后生產(chǎn)出營養(yǎng)價值更高的飼料[1]。然而,一些稻殼類的酒糟往往會因為利用價值低而被丟棄。在大型釀酒廠,每年都會產(chǎn)生大量稻殼酒糟,如得不到及時處理,將造成嚴重的環(huán)境污染和資源浪費。通過厭氧發(fā)酵的方式來處理酒糟,使酒糟中殘留的有機物產(chǎn)生沼氣,可用于熱電聯(lián)產(chǎn)或提純生物燃氣,實現(xiàn)廢棄物的資源化利用。同時,發(fā)酵后的沼渣還可以作為有機肥還田[2]。

        本研究以貴州省仁懷市某大型醬香型白酒釀酒廠酒糟為原料,進行酒糟產(chǎn)沼氣的實驗室研究,為后續(xù)工程處理提供依據(jù)。

        1 ? ?樣品標記及物理特性描述

        1.1 ?樣品標記

        樣品1:仁懷市某大型釀酒廠現(xiàn)場酒糟窖內(nèi)陳酒糟樣品,標記為“原酒糟”。

        樣品2:復槽酒廠再提酒生產(chǎn)后的復槽酒糟,標記為“復槽酒糟”。

        樣品3:酒糟制漿后的漿液,標記為“酒糟漿液”(見圖1)。

        1.2 ?樣品物理特性描述

        接收樣品后,對各樣品的物理特性進行了描述并記錄,如表1所示。

        由表1可以看出各樣品含固率的差異。

        樣品2復槽酒糟含固率較樣品1原酒糟高出4%,原因在于,復槽酒糟中稻殼質(zhì)量分數(shù)高于原酒糟,而稻殼保水性能較差。

        復槽酒糟經(jīng)過再次提酒后,對酒糟內(nèi)的有機質(zhì)有一定消耗,使得酒糟內(nèi)有機質(zhì)負荷降低,底物質(zhì)量減小。從沉淀試驗中可以看到,復槽酒糟中稻殼沉降速率明顯變低,且有少量漂浮物。

        在表1中,樣品1的揮發(fā)率低于樣品2,這是由于樣品1原酒糟中檢測出有石塊等雜質(zhì),使得揮發(fā)率較低,與上述結(jié)論并不矛盾。

        2 ? ?樣品產(chǎn)氣潛力試驗及結(jié)論分析

        2.1 ?批式試驗裝置及運行方法

        對樣品1原酒糟、樣品2復槽酒糟以及樣品3酒糟漿液分別進行了批式產(chǎn)氣試驗,厭氧發(fā)酵用1 L厭氧瓶為反應(yīng)容器,每個樣品設(shè)置兩個平行試驗,樣品及接種沼液量如表2所示。

        以上樣品接種后pH為7~8,置于38 ℃恒溫水浴鍋內(nèi)進行中溫發(fā)酵,每日定時搖晃發(fā)酵瓶,使得底物均勻。

        2.2 ?測定參數(shù)及方法

        通過排水法每日測定發(fā)酵瓶內(nèi)產(chǎn)生的沼氣量,并通過氣相色譜儀分析沼氣成分。纖維素、半纖維素及木質(zhì)素通過范氏纖維素方法測定;總固體(Total Solid,TS)及揮發(fā)性固體(Volatile Solid,VS)采用標準方法測定(見圖3)。

        2.3 ?各樣品批式試驗結(jié)果及討論

        2.3.1 ?各樣品日產(chǎn)沼氣量分析

        如圖4所示,各樣品日產(chǎn)氣呈現(xiàn)一定的變化規(guī)律。

        其中樣品1原酒糟在接種后的第2天出現(xiàn)產(chǎn)氣高峰,隨后產(chǎn)氣停滯,呈現(xiàn)非常劇烈的酸化,經(jīng)過2次pH調(diào)整(NaOH溶液調(diào)整)后,才進入?yún)捬醢l(fā)酵產(chǎn)CH4階段。在產(chǎn)CH4階段,產(chǎn)氣量逐漸上升,在調(diào)整pH后的第8天達到高峰,當日TS最高產(chǎn)氣率為35 mL/g,隨后下降。

        樣品2復槽酒糟在接種后的第2天同樣表現(xiàn)出酸化過程,經(jīng)過1次pH調(diào)整后,進入正常的厭氧發(fā)酵階段,在第6天達到產(chǎn)氣高峰,TS產(chǎn)氣為40 mL/g,隨后產(chǎn)氣下降,在第11天又出現(xiàn)一個產(chǎn)氣小高峰,隨后逐漸降低直至基本結(jié)束。

        樣品3酒糟漿液在接種后的第2天同樣出現(xiàn)明顯的酸化,經(jīng)過1次pH調(diào)整后,進入正常的厭氧發(fā)酵階段,在第5天出現(xiàn)產(chǎn)氣高峰,TS產(chǎn)氣為23 mL/g,隨后逐漸降低直至產(chǎn)氣結(jié)束。

        從圖4中還可以看到,酒糟及漿液樣品消化啟動非??欤⑶页尸F(xiàn)出非常明顯的酸化和產(chǎn)氣過程。其原因很可能是酒糟中粗纖維的質(zhì)量濃度較低,蛋白質(zhì)、氨基酸、醇類等易降解物質(zhì)質(zhì)量濃度高,這些物質(zhì)極易酸化,發(fā)酵初期底物水解,產(chǎn)生大量的可溶性有機物,產(chǎn)酸菌將水解產(chǎn)物轉(zhuǎn)變?yōu)閾]發(fā)性脂肪酸[3],當發(fā)酵瓶內(nèi)不具備足夠的緩沖能力時,即發(fā)生劇烈的水解過程,產(chǎn)甲烷菌將受到一定程度的抑制,如圖4中的樣品1所示。由于批式試驗裝置體積較小,在保證一定的發(fā)酵濃度下,難以獲得足夠的緩沖空間,酸化過程明顯,并會對后續(xù)產(chǎn)氣造成一定的影響。但在實際應(yīng)用中,由于發(fā)酵罐體積通常達到幾千立方米,在連續(xù)進料過程中,底物進入發(fā)酵罐被稀釋數(shù)百倍以上,具有足夠的緩沖空間,因此,極少會發(fā)生明顯的酸化過程,其產(chǎn)氣也更穩(wěn)定。

        樣品2復槽酒糟,為二次提酒后剩余的酒糟殘料;樣品3漿液,在酒糟制漿后過濾掉了稻殼等固體殘渣。其有效VS低于原酒糟,因此,酸化過程沒有樣品1劇烈,在經(jīng)過pH調(diào)節(jié)后,產(chǎn)甲烷菌活性沒有受到太大抑制,能迅速地將揮發(fā)性脂肪酸轉(zhuǎn)化為CH4和CO2,所以產(chǎn)氣量得以迅速上升。

        2.3.2 ?各樣品累計產(chǎn)沼氣量分析

        各樣品累計產(chǎn)氣量曲線如圖5所示。計算得出樣品1—3累計TS產(chǎn)氣率分別為:300 mL/g、281 mL/g以及207 mL/g。試驗發(fā)酵周期為20天,實際有效發(fā)酵周期為16天。厭氧發(fā)酵時間反映了物料消化的速率,也是用以指導實際生產(chǎn)中停留時間指標的重要數(shù)據(jù),一般地,在批式試驗中,當產(chǎn)氣持續(xù)下降、CH4質(zhì)量分數(shù)低于40%時,即認為厭氧發(fā)酵停止。

        2.3.3 ?各樣品產(chǎn)甲烷質(zhì)量分數(shù)分析

        由圖6可以看出,3個樣品度過酸化階段后,在產(chǎn)CH4初期階段,CH4質(zhì)量分數(shù)有一個明顯的上升期,最高峰CH4質(zhì)量分數(shù)為60%~67%,達到高峰后開始緩慢下降,直至低于40%,發(fā)酵周期結(jié)束。

        2.3.4 ?批式試驗小結(jié)

        (1)酒糟營養(yǎng)豐富,具有較好的產(chǎn)沼氣潛力。在不同階段及不同的處理條件下,酒糟產(chǎn)氣的能力也有所不同。樣品1原酒糟TS產(chǎn)氣率為300 mL/g,樣品2復槽酒糟TS產(chǎn)氣率為281 mL/g,漿液TS產(chǎn)氣率為207 mL/g。

        (2)由于樣品1在厭氧初期出現(xiàn)了劇烈酸化,可能引起較為嚴重的抑制作用,推測實際產(chǎn)氣能力應(yīng)高于本次試驗值。

        (3)上述試驗基本論證了3種樣品的產(chǎn)氣能力排序,即原酒糟>復槽酒糟>酒糟漿液。其中,酒糟經(jīng)制漿并濾除稻殼后,產(chǎn)氣能力下降約26%。推測其原因,在濾除稻殼的過程中,一些附著或包裹在稻殼上的有機物也被濾除,影響了產(chǎn)氣能力。

        (4)酒糟原料的發(fā)酵周期較短,約為16天,消化速率較快,可以作為實際運行中停留時間確定的依據(jù)。

        2.4 ?酒糟中稻殼對產(chǎn)氣能力的影響分析

        上述結(jié)論中提到,保留稻殼的酒糟,其產(chǎn)氣能力較制漿除稻殼后高出約26%,那么稻殼是否有產(chǎn)氣貢獻?稻殼的主要成分為粗纖維和木質(zhì)素,為了論證纖維素及木質(zhì)素的降解情況,對復槽酒糟以及發(fā)酵后的沼渣進行了半纖維素、纖維素以及木質(zhì)素的分析,并進行了掃描電鏡拍攝(見圖7)。

        從表3中看到,發(fā)酵前,半纖維素降解率為25%,主要來源于酒糟中游離的可降解纖維,而纖維素和木質(zhì)素的降解率分別為-17%和-19%,表明在半纖維素降解的同時,纖維素和木質(zhì)素并沒有產(chǎn)生同步的降解效果,造成分析數(shù)據(jù)升高、降解率為負值。

        同時,對比圖7的掃描電鏡圖片發(fā)現(xiàn),其結(jié)構(gòu)組織在發(fā)酵前后并沒有發(fā)生變化。綜上,論證了酒糟中稻殼幾乎不參與厭氧發(fā)酵過程,也證明了制漿后產(chǎn)氣能力下降是由于濾除稻殼的同時濾除了其他可降解有機物質(zhì)。

        3 ? ?結(jié)語

        (1)在酒廠采樣的3種樣品中,產(chǎn)沼氣能力排序為:原酒糟>復槽酒糟>酒糟漿液。

        (2)酒糟中含有豐富的易降解物質(zhì),是良好的產(chǎn)沼氣原料,但在厭氧發(fā)酵初期極易酸化,為了避免批式裝置緩沖不足造成的產(chǎn)CH4抑制影響,需要進一步驗證連續(xù)進出料中的試驗結(jié)論,進一步驗證產(chǎn)氣潛力。

        (3)酒糟中的稻殼無法參與厭氧消化,稻殼不貢獻產(chǎn)氣能力。但是,制漿在濾除稻殼的同時,也會將有效產(chǎn)氣物質(zhì)濾除,從而使?jié){液產(chǎn)氣能力降低。

        [參考文獻]

        [1]周 凱,徐 慧,劉建軍.酒糟生產(chǎn)負荷益生菌飼料[J].山東食品發(fā)酵,2014(175):3-6.

        [2]王太濤.酒糟沼氣發(fā)酵的基礎(chǔ)研究[J].中國沼氣,2017,35(1):60-62.

        [3]李才輝,馮曉西,烏錫康.MAP法處理氨氮廢水的最佳條件研究[J].上海環(huán)境科學,2003,22(6):389-392.

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