菌渣与麦秸厌氧消化产气潜能研究

杨 茜,荣 琨,张晨曦,刘广林,孟祥芳,许芳源

(滨州学院 生物与环境工程学院，山东 滨州 256600)

利用厌氧消化技术将生物质固废转化为沼气已成为提高生物质固废资源利用的有效途径[1-2]。该技术不仅能解决燃料短缺的问题，还实现了固废的无害化处理和能源化利用。目前，已报道的适合厌氧消化的底物有作物秸秆、城市污泥、动物粪便、藻类等[3-6]。

山东民强生物科技股份有限公司采用发酵法生产L-精氨酸，生产过程中会产生大量菌渣。菌渣含水率高(65.5%)，且带有一定粘性，呈块状，分散性差，酸味刺鼻，不易脱水。菌渣中含有大量未被利用的有机物和营养物质，如蛋白质、氨基酸、多糖及Fe，Ca，Zn，Mg等微量元素和维生素等，有些营养成分甚至高于原生培养料。由于企业忽视菌渣的潜在价值，对菌渣没有深入研究，采用常规板框压滤工艺脱水后，将其当作固体废弃物直接排放。但菌渣容易滋生有害微生物，危害生产环境并对环境造成新的污染。借助厌氧消化技术利用菌渣制取沼气，既能改善企业生产过程中大量菌渣不合理处理造成的资源浪费和环境污染，又能改善园区能源供应结构和卫生条件，提高菌渣的附加值。

根据现有文献的报道，针对菌渣厌氧消化产气性能的研究缺乏，且菌渣pH值偏低，不在微生物最适的pH值范围内。为了帮助企业处理废渣带来的环境问题，同时实现菌渣中资源的回收、再利用，并取得可观的副产品经济效益，本研究选择批式实验验证，选取麦秸与菌渣共发酵的形式，结合企业现有的设施工艺开展相关基础研究。

1 材料与方法

1.1 试验材料

菌渣取自山东民强生物股份有限公司生产车间，将大颗粒物质手动捡除，并于4℃冰箱暂时保存(48 h以内装瓶实验)。

整株小麦秸秆取自滨州市城郊某农田(1月)。先用去离子水洗掉泥沙等杂质，再置于40℃烘箱烘干至含水率≤5%，然后粉碎至2～3 cm，装密封袋室温保存备用，供后续试验使用。

厌氧污泥取自滨州市沾化县某养猪场现运行的沼气池，4℃条件下保存待用。接种物使用前于35℃装厌氧瓶预培养并脱气7 d，消除背景甲烷值[7]。菌渣、麦秸及接种物的特性如表1所示。

表1 菌渣、麦秸及接种物的性质

注：a为基于样品TS值；b为样品未检测。

1.2 试验装置及仪器

1.2.1 试验装置

试验所用厌氧消化装置是根据排水集气法原理制作而成，为实验室自行设计的可控型恒温厌氧消化装置，如图1所示。装置由1支200 mL血清瓶(发酵瓶)，1支1000 mL血清瓶(排水集气瓶)和1支1000 mL量筒(集水瓶)3部分构成，各装置间用硅胶管连接。正式产气前，将准备好的加热装置放置于恒温水浴锅中，每个设置3个重复。温度波动范围为±2℃。

图1 厌氧消化装置

1.2.2 仪器设备

电子天平(SQP，精度为0.001 g)，电热恒温鼓风干燥箱(上海一恒科学仪器有限公司)、马弗炉(FURNACE 1300℃)，元素分析仪(Elementar,Germany)，ZK-1 BS型真空干燥箱，pH计(上海雷磁)、血清瓶(200 mL，1 L)，量筒(1 L)等。

1.3 试验设计

200 mL血清瓶，150 mL有效体积。TS值设为5%。接种物体积45 mL。菌渣与麦秸按质量比分别设为1∶1，2∶1，3∶1，4∶1和5∶0(纯菌)，具体装料值见表2。氮吹扫5 min造成厌氧环境并密封，分别置于25℃，30℃和35℃中温条件进行厌氧消化，并逐日记录产气量。所有试验均设3个平行试验。只含接种物和水的装置作为空白组用以矫正产气结果。纯菌渣组作为对照组。数据采集从接种后的第2天开始。每天手动摇瓶2次，每次10 min。

表2 不同条件下的装料值

1.4 分析与计算方法

1.4.1 分析方法

总固体(TS)采用(105±5℃)干燥法；挥发性固体(VS)采用550℃～600℃灼烧法[8-9]；C，N，H元素含量，采用元素分析仪检测；产气量，采用实验室自制的厌氧消化系统(见图1)，排水法收集；pH值，采用pH计测量。

1.4.2 计算方法

含水率计算：

容积产气率(VLR)计算：

原料产气率计算：

2 结果与分析

2.1 日产气量

不同条件下菌渣与麦秸混合厌氧消化的日产气结果如图2～图4所示。由图2～图4的结果可知，所有组均出现了两个产气高峰；相同消化温度下，不同物料的混合比例对日产气结果的影响有所不同；不同温度对日产气高峰有不同程度的影响。在25℃时(见图2)，两个产气高峰的出现时间在4～11 d；在30℃时(见图3)，两个产气高峰的出现时间在4～17 d，且第2个产气高峰的出现时间有所推迟；在35℃时(见图4)，两个产气高峰的出现时间较图3没有变化，均在4～17 d陆续出现，但第2个产气高峰较图3峰值有所降低。对比相同温度条件下不同底物混合比的产气结果，发现随着菌渣添加量的增加，第2个日产气高峰值出现不同程度的降低及滞后现象。

出现上述现象的原因，分析认为与消化底物的组成及消化温度有关。厌氧消化过程刚启动时，菌渣相对于麦秸易于被降解、利用，加之消化初期为厌氧消化的产酸阶段，pH值偏低，会抑制消化过程，最终导致初始产气量较低。随着产气过程的进行，不同的厌氧消化温度对微生物的活性有不同程度的影响。根据文献报道，中温(20℃～40℃)[1]阶段是厌氧消化最适宜的温度。微生物的活性相对较高。在水解酸化菌的作用下，麦秸中的纤维素、半纤维素以及未降解的部分菌渣作为微生物的底物继续被降解利用，但相比于产气初期，随着底物的消耗，第2个产气高峰与第1个相比均有所下降。与纯菌渣组相比，由于菌渣的存在，底物中有机酸含量的升高会不同程度的抑制产气过程，导致第2个产气高峰出现差异，并对最终的产气结果有所影响。

综合试验结果，不同温度下菌渣与麦秸的质量比为1∶1时产气效果最好，其次是2∶1，3∶1，4∶1和5∶1。试验结果表明在一定消化温度下，麦秸的添加在一定程度上能提高菌渣的产气效果，并有效抑制酸化问题造成的产气量偏低及产气高峰滞后的问题。

图2 25℃条件下的日产气结果

图3 30℃条件下的日产气结果

图4 35℃条件下的日产气结果

2.2 累计产气量

不同条件下菌渣与麦秸混合厌氧消化的累积产气结果如图5～图7所示。由各图的结果可知，添加菌渣后的4组产气均呈现上升趋势，且累积产气量均高于纯菌渣组；随着消化温度的升高，各组累积产气量也有不同程度的提高；不同消化温度和物料的混合比例对累积产气的结果均有影响。

不同消化温度条件下，以1∶1组为例，30℃时，1∶1组比对照组的累积产气量提高了77.91%；35℃和25℃时1∶1组的累积产气量较对照组分别提高了75.23%和54.89%，以30℃时共发酵产气效果最好；相同发酵温度的不同混合比例，以30℃为例，1∶1组最好，随着菌渣含量的增加，产气呈现递减的趋势。

综合不同条件下的产气结果，发现不同温度下菌渣与麦秸的质量比在1∶1时产气效果最好，其次是2∶1，3∶1，4∶1和5∶1。试验结果表明在一定消化温度条件下，麦秸的添加在一定程度上能提高菌渣的产气量。

2.3 容积产气率

容积产气率，是评价厌氧消化系统运行情况的重要指标。根据杜静[10]的报道，相同反应体积条件下容积产气率(L·L-1d-1)越高，最终沼气产量越高。不同配比及温度条件下菌渣与麦秸的容积产气率结果如图8～图10所示。由图中结果可知，所有产气组的容积产气率变化趋势与日产气趋势相似；不同消化温度和物料的混合比例对容积产气率的结果均有一定程度的影响。

图5 25℃条件下的累积产气结果

图6 30℃条件下的累积产气结果

图7 35℃条件下的累积产气量

与对照组相比，添加麦秸后各组的产气值均有不同程度的提高，都是消化过程中出现两个产气高峰，然后进入低谷，随之出现次高峰和次低谷。两个产气高峰的出现时间与图2～图4出现的规律一致，没有变化。随着温度的提高，相同配比条件下的消化底物的容积产气率也有对应的提高。综合不同条件下的产气结果，1∶1组产气效果最好，其次是2∶1，3∶1，4∶1和5∶1组。

图8 25℃条件下的容积产气率

图9 30℃条件下的容积产气率

图10 35℃条件下的容积产气率

2.4 单位VS产气率

不同配比及温度条件下菌渣与麦秸的产气率情况如表3所示。由表中结果可知，不同消化温度和物料的混合比例对底物产气率的结果均有影响。相同的消化温度，随着菌渣质量的增加，单位VS产气率呈上升的趋势，其中纯菌渣组的单位有机质产气率最高；随着消化温度的提高，相同底物配比条件下的产气率不是一直提高，其中在30℃时的产气率最高。分析认为出现这种现象的原因与原料的组成及可生物降解利用性有关。菌渣的成分是蛋白质、氨基酸、多糖及Fe，Ca，Zn，Mg等微量元素和维生素，相比于麦秸的特殊结构及纤维素、半纤维素组分，菌渣更容易被微生物降解利用，单位产气率会高很多。说明菌渣作为消化底物，可以用于厌氧消化产沼气。

表3 不同条件下底物产气率 (mL·g-1VS·d-1)

2.5 消化时间

厌氧消化时间反应了消化底物的厌氧消化性能和消化效率，其长短表明相同厌氧消化时间内降解底物量的多少[12]。该试验中，不同配比及温度条件下菌渣与麦秸的消化时间如表4所列。以25℃的纯菌渣为例，前10 d和19 d的累积产气量分别约占总累积产气量的50%和90%；随着麦秸的添加及菌渣量的减少，4∶1，3∶1，2∶1和1∶1组达到累积产气量50%和90%所需的时间与对照组相比变化不大。随着消化温度的升高，添加麦秸的四组，其消化时间较纯菌渣组均有不同程度的提前。综合结果，不同温度下菌渣与麦秸的质量比为1∶1时产气效果较好，其次是3∶1，4∶1，2∶1和5∶1。消化时间的结果表明，麦秸的添加在一定程度上能有效提高菌渣的消化性能和产气效率，在工程上能有效减少菌渣的水力停留时间。

表4 不同产气条件对厌氧消化时间的影响

3 结论

(1)菌渣作为底物进行厌氧消化产沼是可行的。

(2)由于菌渣初始pH值较低，通过与麦秸进行共发酵，麦秸在一定程度上能缓解消化过程的酸化抑制作用，提高菌渣的产气量和产气效率，缩短产气时间。

(3)相同消化温度下，不同物料的混合比例对产气结果不同；不同温度对日产气高峰有不同程度的影响。

(4)综合各项产气结果，菌渣与麦秸比例为1∶1，消化温度为35℃为最佳产气条件。后续企业通过园区余热再利用进行加热，有望实现菌渣的中温发酵。

4 展望

虽然菌渣能作为底物用于厌氧消化产沼，但菌渣pH值较低且C/N(见表1)不在最适范围内，加之预实验中随着菌渣含固率的提高极易酸化导致产气失败。为提高消化系统的含固率和产气量，菌渣与其他原料的共发酵势在必行。后续工作中，针对菌渣的共发酵(不同发酵底物)、如何提高甲烷含量及半连续试验的研究会进一步展开，以期为企业的菌渣能源化处理提供理论参考依据。