酱油渣、牛粪与秸秆混合厌氧发酵产沼气的试验研究

李 凯，吴明阳，徐桂转

(河南农业大学机电工程学院，河南 郑州 450002)



酱油渣、牛粪与秸秆混合厌氧发酵产沼气的试验研究

李 凯，吴明阳，徐桂转

(河南农业大学机电工程学院，河南 郑州 450002)

由于酱油渣碳氮比较低，本研究利用牛粪和秸秆调节碳氮比，与酱油渣混合厌氧发酵以制取沼气。选取m(酱油渣)∶m(牛粪)∶m(秸秆)=3∶3∶4，考察了不同总固体(TS)条件下混合料液的发酵特性，测取了日产气量、pH值、甲烷含量等参数。结果表明，当总固体为10.65%时，产气效果最好，单位可挥发固体(VS)产气量为122.6 mL·g-1，平均甲烷含量达到61.07%，产气周期为36 d，pH值在发酵周期中先降低后升高，为甲烷正常发酵所需的pH值范围。

酱油渣；牛粪；秸秆；混合厌氧发酵；沼气

酱油是中国的传统调味品，已成为人们日常生活中的必需品。据统计，2013年中国酱油年产量已达757.95万t，有507.8万t的酱油渣产生[1]。在酿造酱油的生产过程中除了蛋白质被大量利用外，其他组分在酱油酿造过程中难于被分解利用，导致酱渣生成，其中粗蛋白质含量约为25%、粗脂肪约9.7%、粗纤维13.5%、灰分10.5%[2]。酱油渣的水分含量高，运输困难，难以保存，处理不当会造成环境污染。目前，研究者利用酱油渣制取有机肥料、提取实物纤维、异黄酮等抗氧化物质[3,4]，而酱油渣里含有的蛋白、纤维及大量的水分非常适宜被微生物利用进行厌氧发酵制取沼气，提供清洁的可再生能源，发酵后的沼液和沼渣也可以直接作为有机肥料，实现酱油渣的资源化利用。目前国内外对酱油渣厌氧发酵制取沼气的研究较少，而酱油渣中氮含量较高，其碳氮比较低，需要补充额外的碳源以调节酱油渣的碳氮比使其能够正常厌氧发酵。付彦凯等[5]对酱油渣和污泥混合发酵的产沼气潜力进行了研究。农作物秸秆具有较高的碳氮比，可以作为酱油渣厌氧发酵的补充碳源。而中国每年也有将近7亿t的废弃农作物秸秆[6]。因此，本研究将利用废弃的玉米秸秆作为补充碳源，与酱油渣、牛粪混合厌氧发酵制取沼气，考察酱油渣与秸秆和牛粪混合厌氧发酵的特性。为了使混合发酵原料具有合适的碳氮比，本研究设定混合料液中m(酱油渣)∶m(牛粪)∶m(秸秆)=3∶3∶4，此时混合料液的碳氮比可以达到厌氧发酵的最优碳氮比。试验中发酵温度取为中温35 ℃，考查发酵混合料液总固体(TS)含量对酱油渣、牛粪和秸秆混合料液厌氧发酵产沼气过程中的pH值、沼气产量和甲烷含量的影响，以得到混合料液厌氧发酵特性。

1 材料与方法

1.1 分析方法

酱油渣惠赠于广东珠海惠生能源技术发展公司；玉米秸秆采自河南农业大学科教园区，为玉米收获后田间废弃秸秆，在空气中自然风干；牛粪取自河南农业大学科教园区，处理后厌氧保存；接种液为实验室培养的牛粪厌氧发酵沼液，使用量为总发酵液的30%；试验试剂及药品：浓硫酸，过氧化氢(30%)，二氧化硅，重铬酸钾，硫酸亚铁，氢氧化钠，硼酸，甲基红，溴甲酚绿，邻啡啰啉，硫酸银，硫酸汞，硫酸亚铁铵，邻苯二甲酸氢钾，以上均为分析纯，试验所用试剂均购于郑州药剂公司。

1.2 试验方法

本试验采用单相厌氧发酵工艺，采用图1所示的厌氧反应装置进行试验。反应器的体积为200 mL，反应产生的甲烷和二氧化碳等气体通过导管排入集气瓶中。试验过程中的原料特性如表1所示。将各发酵原料按预先设定的配比装入反应装置中，放入设定值为35 ℃的恒温培养箱中，进行恒温厌氧发酵实试。发酵过程中，每天固定时间测量产气量、pH值、甲烷和二氧化碳含量。本试验采用3种总固体(TS)含量，每种TS含量采用3组平行试验，同时进行1组空白试验。试验中混合料液的质量及发酵液特性如表2所示。

1.3 分析方法

甲烷含量测试方法：使用气相色谱仪(Agilent 6820)， TCD检测器， Porapak N色谱柱，250 μL的气体定量气环，检测器温度：150 ℃，柱温：80 ℃，进气温度：60 ℃；TS、VS含量测定：称重法[7]；碳含量测定：重铬酸钾容量法，标准号：NY 525—2002；氮含量测定：凯氏定氮法，标准号：NY 525—2002[8]；pH值：精密pH试纸测定法；沼气产量测试：采用排水法[9]。

1.厌氧反应器; 2.阀门; 3.集气瓶; 4.集水瓶。1.Anaerobic reactor； 2.Valve; 3.Gas. collecting bottle; 4.Water collecting bottle.

表1 原料特性参数Table 1 Raw material characteristics

表2 发酵物料配比及特性参数Table 2 Reactants of fermentation and properties of soy sauce residue

2 结果与分析

2.1 混合料液发酵周期pH值的变化

混合料液在厌氧发酵过程中的pH值的变化如图2所示。在发酵初期每组试验中的pH值均呈现快速下降的趋势，4个试验组均在第3天时达到最低值5.5，呈现酸化状态，并且从第4天到第7天均保持酸化状态。但从第8天开始，所有试验组的pH值逐步开始出现回升趋势，A组的pH值率先在第11天时达到7.5，随后在7～7.5之间波动，厌氧发酵顺利进行；其余3组的pH值在第19天后逐步升到7，随后在7左右波动，达到厌氧发酵顺利进行所需要的pH值范围。因此，本研究中所有试验组的pH值均在厌氧发酵正常进行的范围内，所有混合料液的厌氧发酵均能顺利进行。

图2 混合料液发酵周期pH值的变化Fig.2 The change of pH value of the liquid mixture in fermentation Period

2.2 混合料液发酵周期日产气量的变化

混合料液在厌氧发酵过程中的日产气量的变化如图3所示。在厌氧发酵试验过程中， C组在第1天的产气量为39 mL，说明有明显的生化反应，可能原因是发酵料液中有溶解氧，加快了有机物的分解。从第2天开始，发酵物的有机酸开始积累，料液呈现酸化状态。在经历最初酸化阶段不产气后，A组率先恢复产气，并在第17天、第25天、第30天、第35天达到4个产气高峰，产气量分别为170、228、266、148 mL。B组从第11天开始恢复产气，之后稳步上升，总共出现了6个产气高峰，分别在第21天、第25天、第27天、第29天、第32天、第38天，试验组产气量分别为156、170、240、172、89、40 mL，之后产气量逐步下降。C组从第7天恢复产气，产气量缓慢上升，随后出现了4个产气高峰，分别在第23天、第27天、第29天、第32天，产气量分别为165、113、152、154 mL，随后产气量逐渐下降，整个发酵过程在40d全部结束。由图3还可以看出，在混合料液的厌氧发酵过程中，出现的产气峰值较多，说明该厌氧发酵系统较为稳定，有多次恢复产气的适合条件。

2.3 混合料液发酵周期产气中甲烷含量的变化

混合料液发酵过程中甲烷含量的变化如图4所示。B组和C组的甲烷含量变化趋势呈现一致性，均是先降低后升高。B组甲烷含量在第25天时达到最大值，最大含量为69.54%，随后开始出现大幅下降；C组甲烷含量在第29天时达到最大值，最大含量为68.73%，随后呈现小幅下降。A组在开始阶段不产气，随着厌氧发酵反应的进行，甲烷含量从第6天开始上升，呈现平稳增长趋势，并在第18天达到最大值，最大甲烷含量为69.23%。

图3 混合料液发酵周期日产气量的变化Fig.3 In the liquid mixture fermentation period nissan volume changes

图4 混合料液发酵周期甲烷含量的变化

2.4 混合料液发酵周期总产气量的变化

混合料液在厌氧发酵过程中的累计产气量的变化如图5所示。从D组的试验结果可以发现，沼液单独发酵时已经不具备产气能量；A组、B组和C组的累计产气量增长较快，最终累计产气量分别为2 157、2 142、2 005 mL。前23 d的累计产气量分别占总产气量的54.61%、35.71%、39.75%，前36 d的累计产气量分别占总产气量的99.53%、95.66%、94.11%，由此可见，3个试验组的发酵效果较好、3个试验组的发酵周期均可以取为36 d。

图5 混合料液厌氧发酵的累计产气量变化Fig.5 Changes in cumulative gas production during anaerobic fermentation of liquid mixture

2.5 不同条件下混合料液产气特性分析

本研究对不同TS含量下酱油渣、秸秆和牛粪混合料液产气特性进行了计算，结果如表3所示。由表3可知，当TS为10.65%时，混合料液产气效果最好，总的产气量、单位TS产气量、单位VS产气量均最高，总产气量为2 142 mL，单位TS产气量为129.8 mL·g-1，单位VS产气量为122.6 mL·g-1，此时沼气中的平均甲烷含量达到61.07%。本研究采用的酱油渣、秸秆的用量基本相当，且秸秆在发酵过程中没有经过任何预处理，只是粉碎成5 cm左右的粒度，但发酵过程中pH值始终在合适的范围内，并没有出现酸化导致发酵失败的情况，而秸秆与牛粪混合发酵时在TS含量大于6%时会发生酸化[10]。本试验结果说明酱油渣为秸秆提供了合适的氮源，而秸秆也为酱油渣提供了补充的碳源，两者的混合有利于厌氧发酵的顺利进行。从表3还可以看出，当混合料液的TS含量增大到17.17%时，厌氧发酵可以顺利进行，单位TS产气量下降到75.3 mL·g-1，但其平均甲烷含量增大到65.58%；进一步提高TS含量，发现单位TS产气量没有变化，但气体中平均甲烷含量下降到60.68%。

表3 不同条件下混合料液产气特性Table 3 Gas characteristics of liquid mixture data under different conditions

3 结论

本研究选取m(酱油渣)∶m(牛粪)∶m(秸秆)=3∶3∶4，混合料液的碳氮比为20～25，对酱油渣、玉米秸秆与牛粪混合厌氧发酵进行厌氧发酵试验，选取混合料液的TS含量分别为10.65%、17.17%和23.66%。研究结果表明，在3种TS含量下，混合料液的pH值始终在正常厌氧发酵的范围内，厌氧发酵能够顺利进行。当混合料液的TS含量为10.65%时，厌氧发酵得到最高的产气量，具有较高的平均甲烷含量。此时混合料液的总产气量达到了2 142 mL，单位TS产气量达到了129.8 mL·g-1，单位VS产气量达到122.6 mL·g-1，平均甲烷含量达到61.07%，此时的发酵周期为36 d。本研究结果说明，秸秆可以作为酱油渣厌氧发酵时有效的补充碳源，而且不用经过预处理即可在较高的TS含量下正常厌氧发酵，这将为酱油渣的能源化利用提供一种新的有效途径。

[1] 卜春文．利用生物技术开发酱油渣的试验[J].饲料研究，2001(9)：27-28．

[2] 杨兆艳．pH示差法测定桑葚红色素中花青素含量的研究[J].食品科技，2007(4)：201-203．

[3] 张维民．利用有机废弃物制造生物发酵活性有机肥料的生产方法及其装置[P].中国：CN03102255．3，2003-06-25.

[4] 何隽婷，梁 勇，梁 斯，等.酱油渣中大豆异黄酮的动态逆流提取及分离纯化研究[J].华南师范大学学报：自然科学版，2010，31(4)：80-86．

[5] 付彦凯，冷云伟，李 浩，等.酱油渣沼气发酵潜力研究[J].中国酿造，2010(12)：142-144．

[6] 陈小华，朱洪光．农作物秸秆产沼气研究进展与展望[J]．农业工程学报,2007，23(3)：279-283．

[7] 陈芮芮．餐厨垃圾与牛粪半干式混合厌氧发酵试验研究[D]．郑州：河南农业大学，2014．

[8] 付彦凯，冷云伟，李 浩，等.酱油渣沼气发酵潜力研究[J]．中国酿造，2010(12):142-14．

[9] 国家环境保护总局.水和废水监测分析方法[M].北京：中国环境科学出版社，2002．

[10]徐桂转，范帅尧，刘杰博，等.汽爆预处理青玉米秸秆厌氧发酵特性[J]．农业工程学报，2012，28(13)：205-210．

(责任编辑：蒋国良)

Study on biogas production from mixed anaerobic fermentation of soy sauce residue, cow dung and straw

LI Kai，WU Mingyang， XU Guizhuan

(Mechanical and Electrical Engineering College of Henan Agricultural University,Zhengzhou 450002， China)

Because of the low carbon and nitrogen ratio of soy sauce residue, cow dung and straw were used to adjust the C/N ratio and were used in anaerobic fermentation with soy sauce residue for biogas production. The mass ratio of sauce residue: cow manure: straw was 3∶3∶4 to get the approriate C/N ratio. The fermentation characteristics of different TS contents were examined. The daily gas productivity, pH value, methane content were tested. It was found that the best results were obtained when the TS content was 10.65%, and the best biogas productivity was 122.6 mL ·g-1, and the mean methane content in fementation cycle was 61.07%. The anaerobic fermentation cycle was 36 days. The pH value was low at first and then increased to an approriate value which was suitalbe for anaerobic fermentation and biogas production.

soy sauce residue; cow dung; straw; mixed anaerobic fermentation; biogas

1000-2340(2015)01-0079-04

2014-07-12

农业部“948”项目(2011-S15)；国家自然科学基金项目(21176227)

李 凯(1990-)，男，河南洛阳人，硕士研究生，从事可再生能源利用和转换技术方面的研究。

徐桂转(1972-)，女，山西侯马人，副教授，博士。

S216

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