以马铃薯渣为原料的沼气发酵预处理条件研究

王伟东，常艳艳，杨安逸，付博锐，晏磊，王彦杰，高亚梅

（黑龙江八一农垦大学生命科学技术学院，大庆 163319）

我国是马铃薯种植和消耗大国，马铃薯渣是马铃薯淀粉加工的主要副产品，每年马铃薯渣的产量可以达到百万吨以上[1]，若不能进行有效地回收利用，不仅造成了资源的浪费，而且会造成严重的环境污染[2]。对马铃薯渣进行综合利用开发，不仅能够减少环境污染，而且还能产生可以利用的能源。对马铃薯渣的再利用主要包括微生物发酵饲料[3-4]、提取膳食纤维[5]、生产新能源等。目前，对马铃薯渣的利用研究主要集中在新能源的制备上。

利用马铃薯渣为原料发酵产沼气，原料本身的碳氮比是影响沼气质量的影响因素之一，碳氮比过高或过低对厌氧发酵过程中微生物菌群的活性和生长十分不利[6]，原料的碳氮比一般低于30∶1[7]。发酵辅料也能影响产气量，李继红等[8]对土豆和玉米秸秆混合发酵进行了研究，结果发现，混合厌氧发酵比单一原料发酵的TS 产气量提高了31.4%。

预处理对沼气发酵有很大的影响，覃国栋等[9]对玉米秸秆进行预处理后厌氧发酵进行了研究，发现经过预处理的秸秆产气量要明显高于对照组。Ghosh[10]等还研究发现，经NaOH 预处理后，厌氧发酵产的沼气成分中甲烷的含量有明显的提高。闫志英[11]利用复合菌剂对玉米秸秆进行预处理后干发酵产沼气，研究证明：经过复合菌剂预处理后的秸秆发酵的产气量比对照组提高了29.54%。金中波等[12]等对水稻秸秆厌氧发酵制沼气进行了研究，结果表明：用厌氧发酵后的沼液作为接种物与原料的比例为1∶1 时，产气的效果最好。马铃薯渣单独为原料极易酸化过度，进而造成发酵失败，因此，以马铃薯渣为原料进行沼气发酵时原料的预处理非常重要。但是目前此方面的研究还非常薄弱。

试验以甲烷产量、pH 变化为指标，选取酸化时间、接种木质纤维素分解复合系和发酵辅料为预处理措施，探讨适合马铃薯渣沼气发酵原料的预处理条件。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验用马铃薯渣取自北大荒薯业集团，牛粪来自大庆 奶牛场，鸡粪取自大庆市龙凤区石化养鸡场。鸡粪、牛粪和马铃薯渣性质如表1 所示。

表1 鸡粪、牛粪和马铃薯渣性质Table 1 Characteristics of chicken manure，cow manure and potato residues

1.2 发酵装置

发酵总体系为700 mL，装入1 L 的蓝盖螺口瓶，密封。瓶塞上设有集气孔和取样孔，采用1 L 的铝箔集气袋集气。

1.3 碳氮比对沼气发酵的影响

采用马铃薯渣作为发酵原料，原料初始碳氮比为41∶1，用尿素调节原料碳氮比，分别加入尿素0.949 4、0.756 2、0.628 4、0.537 5 g，将碳氮比分别调节为20∶1、25∶1、30∶1、35∶1。发酵初始pH 值为7，初始TS 为3%，接种量为10%，在35 ℃下120 rpm 振荡培养。每天测定发酵体系中pH 值的变化，以产气量为检测指标，并测定其甲烷含量。

1.4 马铃薯渣预处理条件优化

根据以上试验结果调节碳氮比，发酵初始pH值为7，初始TS 为3%，接种量为10%，在35 ℃下120 rpm 振荡培养，进行厌氧发酵。每处理三次重复，每天测定发酵体系中pH、产气量，并测定甲烷含量。下同。

1.4.1 酸化时间对预处理效果的影响

设定酸化时间为1、2、3、4 d，在酸化阶段，发酵瓶开口放置。

1.4.2 接种木质纤维素分解复合菌系对预处理效果的影响

采用本实验室构建的木质纤维素分解复合菌系BYND-8[13]作为接种剂。以此复合菌系为接菌剂，在发酵进行前，分别接种3%、5%、8%、10%对马铃薯渣进行预处理。

1.4.3 发酵辅料比例对预处理效果的影响

以马铃薯渣作为发酵原料，以牛粪和鸡粪作为发酵辅料，分别添加10%、20%、30%、40%的牛粪和10%、20%、30%、40%鸡粪进行混合发酵，调节最佳碳氮比进行发酵。

1.4.4 正交试验

根据以上各单因素的试验结果，采用正交组合进行试验，研究各因素对沼气发酵的影响，用产甲烷量作为衡量指标，因素水平表如表2。因为试验是3因素3 水平的试验，选取L9（33）即可满足要求，根据正交表L9（33）安排试验。选择鸡粪作为辅料。

表2 因素水平表Table 2 Different level of factors

1.5 发酵指标的测定方法

利用排水法测定产气量，自发酵开始后每24 h采用排水集气法测定其总产气量，利用Geotech 公司生产的GA2000 便携式沼气分析仪测定分析甲烷含量，两者相乘为日甲烷产量；采用梅特勒-托利多pH计FE20 测定每天发酵液的pH 值。

2 结果与分析

2.1 碳氮比对沼气发酵的影响

在整个发酵过程中，如图1 所示，4 个处理组产气量均高于对照组（原料原始碳氮比进行发酵）。其中，碳氮比为25∶1 处理明显高于其他处理，总产气量达到2 874 mL。其次碳氮比为20∶1 处理产气量也相对较高，达到2 551 mL，碳氮比为30∶1 和35∶1 处理的产气量较为相似，分别为1 440 mL 和1 360 mL。略高于对照组。

图1 碳氮比对沼气发酵的影响Fig.1 Effects of C/N ratio on biogas production

从甲烷产量上看，如图1 所示，4 组处理的甲烷产量均高于对照组，对照组几乎无甲烷产生。碳氮比为25∶1 处理产甲烷量最高，为831 mL；其次是碳氮比为20∶1 处理，为612 mL；碳氮比为30∶1 和35∶1 处理产生的气体大都是二氧化碳。

从pH 变化上看，如图2 所示，整个发酵周期为7 d，所有处理的pH 值由发酵起始的7.0 开始下降，对照组一直呈下降趋势，碳氮比为30∶1 处理和35∶1处理分别在第5 d 和第4 d 下降到6.0 以下，碳氮比为20∶1 和25∶1 处理的pH 值一直在6.0～6.5 之间，pH 为6.0～7.0 的范围内可以产气。

图2 碳氮比对pH 的影响Fig.2 Effects of C/N ratio on pH

2.2 马铃薯渣预处理条件优化

2.2.1 酸化时间对沼气产量、甲烷含量及pH 值的影响

从总产气量上看，如图3 所示，酸化时间为1 d和2 d 的处理产气效果均好于对照组（不酸化发酵），其中，酸化时间为2 d 的处理产气量最高，达到4 018 mL，酸化时间为3 d 的处理低于对照组，而酸化时间为4 d 的处理产气效果最不理想，仅为724 mL。

从产甲烷量上看，如图3 所示，酸化时间为2 d的处理均高于其他处理，达到1 155 mL。酸化时间为1 d 和3 d 的处理的产甲烷量与对照组差异不大，分别为861、546 和760 mL。而酸化时间为4 d 的处理产甲烷量最低，仅为21 mL。

从pH 变化可以看出，如图4，酸化时间为4 d 的处理的pH 一直呈下降趋势，没能恢复到产甲烷的正常范围内，其他各处理的pH 都维持在6.0 以上，无明显差异。

图3 酸化时间比对沼气发酵的影响Fig.3 Effects of acidification time on biogas production

图4 酸化时间对pH 的影响Fig.4 Effects of acidification time on pH

2.2.2 不同木质纤维素分解复合系接种量对沼气产量、甲烷含量及pH 值的影响

添加木质纤维素分解复合菌系后，如图5，各处理产气量均高于对照组（不接种复合菌系发酵）。其中产气效果最好为添加5%处理，产气总量为4 011 mL，添加8%和10%处理产气量基本接近，无明显差别，分别为3 878 mL 和3 918 mL。添加3%处理稍低于其他3 个添加处理，为3 267 mL。

添加木质纤维素分解复合系后，如图5，在甲烷产量方面，均高于对照组，但各组处理之间无明显差距。

从pH 变化来看，如图6，各处理的pH 一直保持在6.1～6.5 之间，较为稳定，维持在产甲烷的正常pH值范围内，各处理影响不明显。

2.2.3 发酵辅料对沼气产量、甲烷含量及pH 值的影响

从产气量上看，添加鸡粪组，如图7-a，10%处理与对照基本相同，分别为1 145 mL 和1 130 mL。其他各处理均高于对照组（不添加辅料发酵），添加40%鸡粪处理为鸡粪组最佳添加比例，总产气量为3 928 mL。添加牛粪各处理产气量均高于对照组，如图7-b，添加40%牛粪处理为牛粪组最佳添加比例，总产气量达到2 199 mL。

图5 纤维素复合菌系接种量对沼气发酵的影响Fig.5 Effects of inocuLum size of lignocellulolytic microbiaL consortium on biogas production

图6 纤维素复合菌系接种量对pH 的影响Fig.6 Effects of inoculum size of lignocellulolytic microbial consortium on pH

从甲烷产量上看，两组对照均没有甲烷产生，添加鸡粪组10%处理中也没有甲烷产生，其他处理均能产生甲烷。可能是因为接种的菌群是由牛粪沼气发酵体系驯化产生，而且随着驯化的不断进行牛粪比例逐渐减小，也能产生甲烷，菌群比较适应带有牛粪比例的发酵体系；另外，牛粪本身含有一定的产甲烷菌，牛粪也起到了接菌剂的作用。

从pH 变化上看，如图8，对照组和添加10%鸡粪处理的pH 一直呈下降趋势，分别在第三天和第四天下降到6.0 以下，无甲烷产生。其余各处理pH 一直保持在6.0～6.6 之间，较为稳定。

2.2.4 正交试验

对酸化时间、添加木质纤维素分解复合菌系和发酵辅料进行单因素三水平正交试验，各因素极差R 越大，说明该因素对甲烷产量的影响越明显。通过对预处理工艺的直观分析可知：在三个因素中，添加木质纤维素分解复合菌系的R 值高于其他两个因素。

图7 发酵辅料对沼气发酵的影响Fig.7 Effects of auxiliary materials on biogas production

图8 发酵辅料对pH 的影响（J：鸡粪；N：牛粪）Fig.8 Effects of auxiliary materials on pH（J：chicken manure；N：cattLe manure）

通过方差分析，三个试验因素均未达到显著水平，经过对各因素的F 值和平方和比较发现，添加木质纤维素分解复合菌系影响最大，其次是酸化时间，添加发酵辅料的影响最小。

3 结论

通过对碳氮比的试验可以看出，25∶1 的产甲烷量要明显好于20∶1 和30∶1 的处理。当碳氮比为35∶1时，则不能产生甲烷。

表3 预处理工艺直观分析Table 3 Intuitive analysis of pretreatment techonolgy

表4 预处理工艺方差分析Table 4 Variance analysis of pretreatment technology

以酸化时间为研究对象的研究结果表明，酸化时间为2 d 时，发酵产气的效果最好。以添加木质纤维素分解复合菌系为研究对象的研究结果表明，添加量为5%和8%的效果好于其他添加量，但从性价比角度考虑，5%的添加量为最佳条件。以添加发酵辅料为研究对象，当鸡粪的添加量为40%时产气效果最好，甲烷产量高。

以马铃薯渣为原料的沼气发酵预处理工艺的优化，通过正交试验结果结合直观分析与各因素效应曲线表明，酸化时间为2 d 处理的产气效果最佳，木质纤维素分解复合菌系为5%的添加量时最佳，发酵辅料为40%和50%时差异不大，采用40%；通过方差分析显示各组无显著影响，添加木质纤维素分解复合菌系影响较大，其他两个因素基本无影响。所以，采用添加木质纤维素分解复合菌系为5%、酸化时间为2 d、发酵辅料40%鸡粪为最佳发酵条件。

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