梁文華，王瑞達，劉敬，吳健，程輝彩，邊紅杰

(1.河北科技大學 生物科學與工程學院，石家莊 050018；2.河北省科學院生物研究所，石家莊 050081；3.北方工程設計研究院有限公司，石家莊 050011)

醬油在我國有2500多年的發(fā)展傳承歷史[1-2]，是居民生活中的日常消費品和調味品，醬油市場需求表現為數量大且逐年增長的特點。目前醬油的生產工藝包括澆淋法、低鹽固態(tài)發(fā)酵法和高鹽稀態(tài)發(fā)酵法[3]，但無論是哪種處理方法在生產過程中均會有副產物醬油廢渣的產生。據統(tǒng)計，2016 年我國醬油產量達1000萬噸[4-5]，位居世界首位，而且市場需求逐年增長。據報道，醬油生產過程中會產生大量的工業(yè)廢物醬油渣，每生產1 kg醬油會產生0.67 kg醬油渣[6]。由于自身含水率高(40%～70%)、雜質含量較多，未能及時處理的醬油渣容易滋生有害微生物而腐敗變質[7]，因此其不僅難以儲藏，而且長途運輸的難度較大。在當今清潔生產要求的社會環(huán)境下，醬油廠需要對這些廢棄產物進行及時、有效的處理以防止產生更嚴重的環(huán)境污染。例如在高鹽稀態(tài)發(fā)酵法生產中通過將部分醬油渣回填到初始配料，以減少部分醬油渣的排放。生產蛋白飼料，開發(fā)飼料添加劑、肥料，制作鹽磚[8-9]，提取食物纖維、油脂、異黃酮等高附加值產品以及制備生物材料[10-12]。

醬油的生產以營養(yǎng)豐富的大豆、小麥為主要原料[13]，副產物醬油渣中粗蛋白、粗脂肪和粗纖維分別為25%、9.7%和13.5%[14]，非常適合作厭氧發(fā)酵的原料。本研究采用厭氧發(fā)酵的方式進行處理，以期實現對醬油渣的無害化、資源化處置。通過對反應體系中各項參數進行監(jiān)測，進一步明確其發(fā)酵過程中相關理化指標的變化規(guī)律，同時對發(fā)酵體系中的產甲烷變化作動力學模型，旨在為醬油渣清潔、環(huán)保、無害化和資源化利用提供合理化思路，對醬油渣厭氧發(fā)酵的研究提供相應的數據支持。

1 材料與方法

1.1 材料

醬油渣：取自河北省石家莊市珍極醬油廠；種子液：取自石家莊市橋西污水處理廠的污泥，污泥在接種前首先在(35±2) ℃條件下用少量醬油渣進行馴化1個月，待馴化污泥中有機物基本消耗完，甲烷含量大于60%，沒有氣體產生時再進行接種。醬油渣原料和種子液的理化性質見表1。

表1 醬油渣原料和種子液的理化性質Table 1 The physicochemical properties of soy sauce residue raw material and seed liquid

1.2 試驗方法

本試驗為醬油渣厭氧發(fā)酵產甲烷動力學試驗。試驗設計原料有機負荷20 g VS/L的處理組和空白對照組(對照組僅加種子液，測定日產氣量和甲烷含量)，處理組和對照組各設置3個平行，發(fā)酵有效體積均為2.5 L，種子液添加量800 mL，醬油渣的加入量(鮮重)依次為158，0 g。定期測定產氣體積和組分含量以及發(fā)酵液的理化性質。各項指標測定方法如下：

沼氣體積：濕式流量計；CH4和H2S含量：Biogass 5000沼氣分析儀；氧化還原電位和pH：分別采用Ohaus Starter 3100氧化還原電位儀和E-201-C pH電極玻璃電極法測定；VFA和TIC：Nordmann聯(lián)合滴定法[15]；氨氮和SCOD：比色法[16]；TS和VS：稱重法[17]。

試驗裝置為總體積3 L的發(fā)酵罐，材質為有機玻璃，見圖1。

圖1 醬油渣厭氧發(fā)酵產沼氣裝置圖Fig.1 Biogas production device of anaerobic fermentation of soy sauce residues

2 結果與分析

2.1 醬油渣厭氧發(fā)酵過程中產氣速率和累積產氣量的變化

整個發(fā)酵試驗共進行30 d，3個接種物對照組僅在試驗啟動前2 d有少量氣體產生，總產氣量少于100 mL，甲烷含量小于10%，所以忽略不計。

圖2 醬油渣厭氧發(fā)酵過程中日產氣量的變化Fig.2 Changes in daily biogas production during the anaerobic fermentation of soy sauce residues

由圖2可知，醬油渣厭氧發(fā)酵的第1 d有少量氣體產生(83.33 mL)，隨后進入產氣高峰期：第4～20 d的產氣速率均大于400 mL/d，其中第4 天和第16 天依次出現日產氣量的第1，2個峰值645.83，777.78 mL。反應進行到第16 天之后產氣速率迅速下降，第24 天體系的日產氣量僅為34 mL；繼續(xù)監(jiān)測至第30 天，在此期間系統(tǒng)產生沼氣22 mL。而對照組只在發(fā)酵反應的第1～2 d產生少量氣體，總體積小于100 mL，可以忽略不計。通過計算，第24 天的累積產氣量達到第30 天產氣量的99.8%，因此確定醬油渣厭氧發(fā)酵周期為24 d，發(fā)酵周期內體系累積產氣量為9905.09 mL，醬油渣產氣能力為198.10 mL/g。

醬油渣的產氣速率呈現出“M”形的變化規(guī)律，反應初期，底物中大分子化合物的利用以水解酸化為主，基質在水解微生物的作用下分解成產甲烷菌可利用的小分子底物，產氣速率的提高可以理解為反應過程中體系環(huán)境的改善。發(fā)酵過程中出現的兩個產氣高峰，是由醬油渣本身成分混雜，各種成分降解、利用的難易程度不同所造成的。第二個產氣峰的持續(xù)時間明顯大于第一個峰，累積產氣量相比更多，底物中的大多數基質在此階段被利用。

表2 醬油渣厭氧發(fā)酵累積產氣量變化Table 2 Changes in cumulative gas production during anaerobic fermentation of soy sauce residues

由表2可知，當反應進行到1/2周期時累積產氣量已達總產氣量的54.12%；反應進行到第18天共累積產氣9256.94 mL，達到總產氣量的93.46%。后期系統(tǒng)中可利用的有機物越來越少，難以維持甲烷菌生長代謝所需的營養(yǎng)需求，產氣隨之減少、停止[18-19]。

2.2 醬油渣厭氧發(fā)酵產沼氣過程中CH4和H2S含量變化

由圖3可知，反應體系前期的甲烷含量呈平穩(wěn)上升的趨勢，第1 天的CH4僅為10.56%，第6 天超過34.6%，16 d后的CH4含量達到60%。體系中沼氣的甲烷含量的上升持續(xù)期較長，可見前期厭氧微生物對系統(tǒng)環(huán)境需要較長的適應期。18 d后體系的甲烷濃度略有降低，直至反應結束時氣體中的甲烷含量仍不低于60%，產氣后期的甲烷含量隨著產氣速率的降低無明顯減少。

圖3 醬油渣厭氧發(fā)酵產沼氣過程中CH4和H2S含量的變化Fig.3 Changes in CH4 and H2S content during biogas production of soy sauce residues

H2S是反應基質在硫酸鹽還原菌作用下進一步代謝產生，初期沼氣中H2S的體積分數為12.33 mg/L，伴隨第一個產氣高峰的出現略有下降；在第二個產氣高峰期，反應體系的H2S含量與產氣速率的高低表現出較一致的同步性，10～24 d的H2S含量與日產氣量的變化趨勢均為先上升后降低，反應至第16 天出現最高值17 mg/L。初期的底物中含硫成分的水解、釋放使得體系中H2S濃度迅速升高，中后期的H2S體積分數的動態(tài)變化與產氣速率表現出較高的一致性，這可能與甲烷菌和硫酸鹽還原菌(SRB)近似的生長代謝環(huán)境存在較大關系[20]。反應體系醬油渣進一步的水解酸化，發(fā)酵液的理化性質逐漸適宜產甲烷菌的代謝，產甲烷代謝逐漸增強，同時產SRB的代謝活性隨之提高；當體系中的發(fā)酵條件逐漸不適宜產甲烷反應的進行，H2S的產生速率也變得越來越少。

2.3 醬油渣厭氧發(fā)酵過程中VFA和TIC變化

VFA是沼氣發(fā)酵過程中有機質進一步分解的產物，被認為是產甲烷微生物主要利用的前體物，且對系統(tǒng)中的pH具有重要影響。VFA初始值僅為340 mg/L，具體見圖4。隨著物料的進一步水解酸化，體系初期的揮發(fā)酸濃度快速升高，反應進行至第8 天，發(fā)酵液的濃度達到最大值865.56 mg/L；VFA含量出現最高值后隨之快速下降，其中在8～10 d最為明顯，由855.56 mg/L降低至395.33 mg/L；10～24 d發(fā)酵液的VFA下降速率減緩，整體呈波動降低變化趨勢，且隨著時間的推移波幅逐漸減小并趨于平穩(wěn)，反應結束時VFA水平維持在140 mg/L。分析其原因：反應初期以水解酸化為主，大分子底物快速被水解酸化，而且甲烷菌的數量還未大量繁殖，在此環(huán)境下的揮發(fā)酸成分得到積累；中后期甲烷化速度增加，基質快速被利用，產氣速率加快，揮發(fā)酸的消耗速率越來越大，發(fā)酵液中有限的可利用有機質致使VFA的溶出量逐漸減少，體系中的揮發(fā)酸水平隨之降低。

圖4 醬油渣厭氧發(fā)酵過程中VFA和TIC含量的變化Fig.4 Changes in VFA and TIC content during anaerobic fermentation of soy sauce residues

碳酸氫鹽堿度(TIC)對維持體系中的酸堿平衡，提高系統(tǒng)緩沖能力和穩(wěn)定性起重要作用。由圖4可知，體系中的TIC初始含量為600 mg/L，反應進行到第6 天下降至最低值375 mg/L；之后反應體系的TIC含量呈階梯式上升：6～8 d、10～12 d、14～16 d依次維持在400，600，800 mg/L的水平左右；發(fā)酵過程中的堿度總體呈上升趨勢，反應末期第20～24 d略有降低，發(fā)酵過程中TIC含量整體小于1000 mg/L。通過對比發(fā)酵體系中VFA和TIC的變化趨勢可以發(fā)現，兩者呈負相關。反應初期TIC水平逐步降低，水解酸化階段的堿度隨著揮發(fā)酸含量的增加呈現降低的趨勢；TIC水平在0～6 d降低了1/2，但后期隨之上升，pH也恢復至適宜發(fā)酵的范圍。

2.4 醬油渣厭氧發(fā)酵過程中氨氮和SCOD的變化

由圖5可知，發(fā)酵啟動時料液SCOD濃度為633.25 mg/L，在反應體系有機物分解、釋放的過程中，體系的SCOD含量逐步上升。隨著體系中有機質分解速率的加快，第8 天達到最大值1233.25 mg/L；8～24 d的整體水平在小幅度波動中逐漸降低，發(fā)酵末期底物中可利用的有機質含量越來越少，導致有機物溶出速率越來越低，反應結束時SCOD含量為667.5 mg/L，與初始啟動水平相比無明顯的升高和降低。

圖5 醬油渣厭氧發(fā)酵過程中氨氮和SCOD的變化Fig.5 Changes in ammonia nitrogen and SCOD during anaerobic fermentation of soy sauce residues

0～10 d時，氨氮處于快速上升階段，中后期的濃度水平基本保持在200 mg/L。與SCOD同時期的對比中，發(fā)現兩者的變化趨勢呈現出相對一致的同步性，具體體現在0～10 d、10～18 d、20～24 d 3個階段。第一個階段氨氮的升高歸因于初期水解微生物的生長代謝，原料中的蛋白質氨基酸類分子快速分解；隨著體系中微生物的繁殖和代謝活動的增強，對氨氮的需求逐漸增多，反應過程中有機物進一步消耗，系統(tǒng)的反應速率逐漸降低進而影響氨氮水平；第三個階段氨氮含量的上升可能是溫度的波動加速了氨氮的溶出。前期的微生物代謝活性對菌渣中的氨氮溶出速率影響較大；發(fā)酵反應進行到中后期，體系中氨氮的分解和生成速率達到平衡，在發(fā)酵液中的含量也相對平穩(wěn)。

2.5 醬油渣厭氧發(fā)酵過程中pH和氧化還原電位的變化

初始pH 6.94符合甲烷菌的最適生長范圍，因此未對發(fā)酵液的pH進行調節(jié)。醬油渣厭氧發(fā)酵過程中的pH降低變化較明顯的0～6 d，由于發(fā)酵液初期水解酸化的原因略有降低，但最低值仍不低于5.7；第14～24 d整體水平處于6.5附近。醬油渣的前期pH出現小幅度降低，此時圖2中同時期的產氣速率正處于第一個產氣高峰期，初期pH的降低未造成對厭氧發(fā)酵的產氣抑制，未構成反應體系的酸化。反應過程的后1/2周期，發(fā)酵液的pH穩(wěn)定維持在6.5附近，相對初始值略有降低。

圖6 醬油渣厭氧發(fā)酵過程中pH的變化Fig.6 Changes in pH values during anaerobic fermentation of soy sauce residues

圖7 醬油渣厭氧發(fā)酵過程中氧化還原電位的變化Fig.7 Changes in redox potential during anaerobic fermentation of soy sauce residues

厭氧發(fā)酵過程中氧化還原電位在反應啟動第0～2 d由-159 mV快速下降至-261 mV；其中第2～10 d的氧化還原電位處于-300～-250 mV的范圍，存在一定波動幅度；發(fā)酵10 d之后的氧化還原電位基本穩(wěn)定，維持在-250 mV附近。初期體系中的有機質在微生物作用下快速降解，密閉環(huán)境下殘存的氧氣被消耗殆盡，導致最初反應體系的氧化還原電位快速降低，之后隨著厭氧發(fā)酵系統(tǒng)氧化還原反應趨于平衡，氧化還原電位也趨于一致。

2.6 醬油渣厭氧發(fā)酵前后TS和VS的去除率

醬油渣厭氧發(fā)酵起始與結束時TS、VS含量依次為2.79%、2.24%和1.96%、1.49%。TS和VS去除率分別為42.36%、50.70%。醬油渣在中溫厭氧發(fā)酵處理方式下的有機物含量可得到較高的去除率。

2.7 醬油渣厭氧發(fā)酵產甲烷動力學模型比較

將試驗過程中的累積產甲烷量數據代入到Origin 2017 Pro軟件的一級動力學模型和Gompertz模型，見圖8和圖9。其中，模型一中的Z為反應時間在x時刻的累積甲烷產量，mL；D為反應結束時的累積甲烷產量，mL；E為反應速率常數。模型二中的Y為反應時間在x時刻的累積甲烷產量，mL；A為反應結束時的累積甲烷產量，mL；B為最大產甲烷速率，mL/d；C為延滯期，d；e為常數，擬合參數見表3。

圖8 醬油渣累積產甲烷量一級動力學模型擬合曲線Fig.8 Fitting curve of first-order kinetic model of cumulative methane production of soy sauce residues

圖9 醬油渣累積產甲烷量修正后Gompertz模型的擬合曲線Fig.9 Fitting curve of Gompertz model after correction of cumulative methane production of soy sauce residues

表3 醬油渣累積產甲烷量一級動力學模型和修正后Gompertz模型的擬合參數Table 3 Fitting parameters of the first-order kinetic model of cumulative methane production of soy sauce residues and the modified Gompertz model

由圖8、圖9和表3可知，一級動力學方程擬合醬油渣BMP產甲烷數據的擬合效果中，R2=0.945，該模型顯示對醬油渣厭氧發(fā)酵產甲烷特性存在較高的相關性，而擬合累積產氣量5913.75 mL與實際產氣量相差了1343.93 mL存在一定的偏差。采用修正后的Gompertz模型擬合BMP產甲烷的試驗結果中，R2>0.98，置信度高于一級動力學模型；擬合累積產氣量與實際值相差16.45%，與一級動力學的擬合偏差值29.41%更接近真實值。同時擬合延滯期5.68 d和最大產甲烷速率351.78 mL與反應過程中的實際值均比較相符。因此，采用修正后的Gompertz模型相較一級動力學模型更能準確模擬醬油渣中溫批式厭氧發(fā)酵過程中的產甲烷動態(tài)變化。

3 結論

醬油渣在有機負荷20 g VS/L中溫(35±2) ℃進行厭氧發(fā)酵，厭氧反應歷經24 d共產生沼氣9905.09 mL，產氣能力198.10 mL/g。CH4含量在反應周期內均勻上升，第16 天在氣體中濃度首次達到61%；H2S的體積分數在產氣中的占比較低，最高僅為17 mg/L。

采用厭氧發(fā)酵方式對醬油渣處理的過程中，反應體系有機物含量得到較高的去除效果，反應前后體系的TS和VS依次降低了42.36%、50.70%。

采用Origin 2017 Pro的一級動力學模型和Gompertz模型對醬油渣厭氧發(fā)酵的產甲烷數據進行擬合，發(fā)現Gompertz模型對數據擬合的效果更好，相關系數R2>0.98，體現了模型對反應體系實時甲烷產量變化的高度相關性，對醬油渣厭氧發(fā)酵產甲烷的實際應用具有一定的理論支持。