木薯酒精发酵副产物的能源利用实验探究

黄正恒，柳 静，杨 红，刘士清，尹 芳，张无敌

（云南师范大学能源与环境科学学院（太阳能研究所），云南 昆明 650500）

以木薯为原料的酒精厂，每天会产生大量的酒精废醪液，它是一种高浓度、高悬浮物的有机废水，直接排放会对环境造成巨大的影响，每年会有7000万t酒精废水排放到江河湖泊。此类污水污染物浓度高，ρ（COD）在30000～50000 mg/L。很多酒精厂采用过滤沉淀初级处理法，有的采用一般的厌氧发酵法，如何经济有效的处理废水是值得人们研究的课题［1］。如果能将这部分废醪液加以利用，不仅能解决酒精厂废水排放问题，同时还能将这部分能源加以利用。利用沼气厌氧发酵处理技术，把这部分能源利用到酒精生产中将会大大降低酒精生产的能耗，为酒精厂节约成本。在保护环境的同时也能充分发挥沼气厌氧发酵技术的优势，把能源再利用，实现能量逐级利用。杨慧等学者运用能值分析理论对植物生物质能进行评价，以往主要采用经济分析和能量分析对系统进行评价［2］，将木薯燃料乙醇的各项能值指标与其他燃料（如化石燃料、生物柴油等）进行比较讨论，提高能源利用可持续发展系数。通过模仿自然生态系统，寻找环境、经济和社会综合效益最大化。木薯酒精发酵副产物能源问题受到了越来越多的学者关注。

本文以木薯为原料，经过酒精发酵后，将酒精废水进行固液分离，得到的废液用UASB反应器处理、废渣用CSTR反应器处理，回收得到两部分甲烷，并对甲烷替代煤气进行经济效益分析。

1 实验背景

近年来，传统木薯酒精产业面临严峻考验，当前迫切需要调整木薯酒精产业的结构，形成以木薯酒精发酵副产物多元化处理的产业，不断加快木薯酒精产业转型升级［3］。赵银红［4］学者提出了以木薯为原料的生物质能能源系统，主要产品为生物质液体燃料——乙醇，生物质气体燃料——沼气和热解气，把系统的生物质能转化成高效生物质液态和系统能源。雷宇等学者提出了以沼气工程为纽带，实现酒精厂日排放1200m3废醪液的能源回收与资源利用，建立饲料、肥料、食品和能源/燃料的4F循环经济模式［5］，实现了资源化利用，同时带动其他产业的发展。我国具有成熟的酒精发酵技术，用木薯发酵生产燃料酒精，可把木薯由低品质生物质能转化成高品质燃料能源［6］，伴随着木薯酒精产业的发展，会带来新的问题，发酵副产物如何处理，达到既能利用这部分有机排放物的能源，也能保护生态环境的目的。木薯酒糟纤维含量高、含水量大，经过机械方法进行固液分离，可去除游离水分，游离水分则可部分回用于原料拌料，其余部分经厌氧-好氧法处理后达标排放，或作为系统冷却水回用，厌氧消化过程产生的沼气既可直接用作锅炉燃料，亦可输送给附近居民作燃料或者供沼气发电机组发电。大多数木薯经过酒精发酵后，剩下的酒糟经过固液分离会直接输送到养殖场作为饲料，酒精糟液具有80～90℃高温的能源优势，在酒精生产过程中，先对酒精废液冷却降温再厌氧消化，大量的热能资源没有充分利用，台明清等学者［7］从能量平衡和动力学角度探讨了剩余污泥与酒精废液高温共厌氧消化的可行性，充分利用了酒精废液的热能资源，研究发现剩余污泥与酒精废液共厌氧消化效率增加，产气量也相应提高，沼渣是上好的有机肥，可还田用于木薯栽培，从而达到变废为宝、综合利用和良性循环的目的。酒精生产中最耗能的阶段是蒸煮和蒸馏，如果能将后续酒糟处理所得到的沼气能源运用于前期的酒精生产过程中，那么这部分能耗就能节省下来，实现能源自给自足。

将酒精废水分离后，得到的废液废渣分别进行厌氧消化处理产甲烷，回收的能源可用于替代燃煤，将会大大降低酒精蒸馏和蒸煮阶段的能耗。

2 以木薯为原料的酒精发酵技术

2.1 实验材料与方法

该实验采用小试加中试相结合的方法进行酒精发酵实验，小试装置用来发酵，中试设备用来对酒精进行蒸馏。以木薯为原料，用粉碎机将新鲜木薯打碎成粉，过筛后称取各称取2 kg木薯粉分别放入一号罐和二号罐，用两个10L发酵罐作为木薯酒精发酵的容器，按照水料比为4∶1的比例［8］，将原料与水混合加入发酵罐中，采用水浴的方法，将其升温至80℃使其糊化，之后降温至70℃加入液化酶（原料质量的0.2%）使其液化，降温至60℃加入糖化酶（原料质量的0.2%）使其糖化，降温至30℃时加入安琪酵母（原料质量的0.5%），搅拌均匀后用纱布将容器口封住，放至恒温30℃的水浴中，静置发酵，发酵天数12 d，用燃料乙醇中试设备对其进行蒸馏，提取酒精。

2.2 实验结果与分析

1）实验结果。如表1所未。

表1 木薯酒精发酵后各项指标Table 1 Indexes of cassava alcohol fermentation

2）结果分析。

木薯酒精发酵前后，质量发生变化，一号罐和二号罐实验采用同样的处理方式，发酵前质量和发酵后质量为木薯质量、水的质量和发酵罐质量的总和，原因是在发酵过程中，酵母在不断消耗原料中葡萄糖等有机物，在反应过程中产生了二氧化碳等气体释放到空气中，还有少许的水分蒸发，在原料发酵过程中，也可观察到发酵罐中不断有气泡产生。用酒精计测量得到酒精度，并通过计算得到原料出酒率。

发酵结束后，将残留物进行固液分离，称量得到废液及废渣的质量，最终发酵结果如表1所示。取一号罐和二号罐参数的平均值可得，2kg木薯经过发酵能产生1.36kg酒精废渣，产生酒精废液5.98L，酒精度为47.5%，出酒率为39.18%。

酒精生产过程中消耗的非可再生能源不仅用于生产酒精，还用于生产副产品，不同的生产工艺具有不同的副产品，其替代能耗的值也不同［9］。产生的酒精废水将用厌氧沼气工艺进行处理，使其产生沼气能源，一方面解决的酒精废水的排放问题，另一方面产生的新能源可以将其利用与酒精发酵过程中的原料蒸煮、发酵恒温、酒精蒸馏等耗能阶段，可以极大程度减少成本，提升酒精发酵整个环节的经济效益。

2.3 UASB厌氧反应器处理酒精废液

上流式厌氧污泥床（Up-flow Anaerobic Sludge Bed/Blanket），如图 1所示。

图1 UASB厌氧反应器示意图Figure 1 Schematic diagram of UASB anaerobic reactor

UASB反应器属于第二代厌氧反应器，反应器设置了三相分离器，该设计能有效阻挡污泥和其中的微生物不被液体冲出反应器，能有效地将液体、气体和固体分开。反应器底部污泥中的微生物会和废液进行反应，产生的气体会携带部分污泥到达反应器的上部，三相分离器的设计能使污泥触碰到阻挡板后在重力的作用下自然沉降，污泥的存在保证了反应器的运行效率和运行效果。连续的废水进入到反应器中，反应器中的微生物会不断适应环境，不断的利用和代谢废水中的有机物，污泥和微生物在多种因素的作用下会逐渐形成颗粒污泥，颗粒污泥的形成是反应器启动成功和稳定运行的关键因素之一［10］。

2.4 试验材料与方法

实验所用的废水来自于上一阶段木薯酒精发酵剩余物所分离出来的废液，COD质量浓度为29340 mg/L，pH值4.5，木薯酒精废液含有大量的有机物，可为厌氧沼气发酵过程提供一个良好的营养环境，反应器运行100 d左右，有效运行时间为80d。采取连续进水方式，用蠕动泵缓慢地将酒精废液抽入UASB反应器中，UASB采用恒温方式，在反应器外层包裹一层软管，软管另外一端连接恒温37℃的水源和一个抽水泵，这样就使得反应器处于一个恒温条件中，有利于微生物的生长和活动。

3 实验结果与分析

3.1 实验结果

实验结果见图2～图4。

图2 UASB反应器日产气量和甲烷含量Figure 2 Daily gas output and methane content of UASB reactor

图3 UASB反应器进出水pHFigure 3 pH of inlet and outlet water in UASB reactor

图4 UASB反应器进出水CODFigure 4 COD in and out of UASB reactor

3.2 结果分析

从图2～图4中看出，反应器日产气量和甲烷含量的变化情况，甲烷含量和日产气量随着时间和进水COD浓度的提升逐渐提高。整个实验过程中采用固定的 HRT（HRT＝3.4d）。不断提高进水COD浓度，微生物在适宜的环境中不断生长，持续代谢和利用有机废水中的营养物质，前期通过加入碳酸氢钠调节木薯pH值，当反应器中的微生物逐渐适应环境后，减少人为调控pH的环节，反应器逐渐运行稳定，甲烷含量不断提高。运行到60d的时候甲烷含量已经达到70%以上，而后因为进水COD浓度提升过快，反应器中微生物没有足够的适应时间，导致甲烷含量稍有下降。随后逐渐恢复稳定，甲烷平均含量均稳定在65%左右，COD去除率平均值达到95.18%，处理效果较好。

3.3 能源转化效率

根据实验结果，可计算出UASB反应器运行过程中累计产气量为183.5L，平均甲烷质量分数为60.08%，甲烷的热值为35.88MJ/m3，煤气的热值为 16.72 MJ/m3

甲烷的量＝累计产气量*平均甲烷质量分数

＝183.5×60.08%

≈110.25（L）

甲烷燃烧所释放的热值为＝甲烷的量×甲烷的热值

＝110.25×103×35.88

＝3955.77（kJ）

可替代的化石能源＝甲烷燃烧所释放的热值/煤气的热值

＝3955.77/（16.72×103）

＝236.6（L）

计算结果显示，UASB反应器运行了100天处理酒精废水，得到甲烷110.25L，可替代236.6L煤气，这是处理11.96L酒精废液所得结果，因为用的是同一批次酒精废液，所以酒精废液的理化性质几乎相同。经过计算可得，2kg木薯经过酒精发酵后产生的5.98L酒精废液经过UASB反应器处理后可得到甲烷55.13L，能替代118.3L煤气。说明木薯酒精废水中含有大量的可利用的有机物，经过一定的实验处理可以将其转化为可供利用的沼气能源，而所得到的这部分沼气的量也非常可观，接近两倍煤气的量，因此木薯酒精废水的再利用具有重要意义。

4 CSTR厌氧反应器处理酒精废渣

4.1 实验材料与方法

4.1.1 实验材料

木薯酒精发酵剩余物中的固体部分，简称木薯酒精废渣，原料的TS为26.61%，VS为97.58%，这部分物质含有丰富的有机物，可作为沼气厌氧消化的原料。本实验采用CSTR连续搅拌釜反应器，容积为7L，加入已经驯化好的接种物2.8L，称取木薯渣300g，采用批量进料方式，CSTR外部有一层保温层，实验在恒温37℃的条件下运行。

CSTR发酵参数，见表2。

表2 原料用量及产气潜力Table 2 Raw material consumption and gas potential

4.1.2 实验结果与分析

实验结果见图5。

图5 CSTR日产气量和甲烷含量Figure 5 Daily gas output and methane content of CSTR

4.2 结果分析

该实验是在恒温37℃的条件下进行的，木薯酒精废渣的厌氧消化时间是34 d，在启动第9 d时日产气量达到峰值，且当天的甲烷含量也处在阶段性较高的一个含量，随后甲烷含量先升后降，逐步稳定在55%左右，直至发酵结束。原料的TS产气率为 593.26 mL/g，VS产气率为607.96 mL/g。

4.3 能源转化计算

根据实验结果，可计算出CSTR反应器运行过程中累计产气量为47.36L，平均甲烷质量分数为54.19%，甲烷的热值为35.88MJ/m3，煤气的热值为 16.72 MJ/m3

甲烷的量＝累计产气量×平均甲烷质量分数

＝47.36×54.19%

≈25.66（L）

甲烷燃烧所释放的热值为＝甲烷的量×甲烷的热值

＝25.66×103×35.88

≈920.68（kJ）

可替代的化石能源＝甲烷燃烧所释放的热值/煤气的热值

＝920.68/（16.72×103）

＝55.06（L）

计算可得，CSTR厌氧反应器处理300g木薯酒精废渣得到25.66L甲烷，可替代55.06L煤气，经过计算可得，2kg木薯经过酒精发酵后产生的1.36kg木薯渣可产生116.33L甲烷，可替代249.42L煤气，木薯酒精废渣还有剩余的可利用的有机物，经过一定的处理可以转变成可供利用的沼气能源，改变了以往酒精木薯废渣直接用于饲料的单一利用模式，其经济性和综合利用价值有待进一步研究。

5 经济分析

2kg木薯经过酒精发酵后产生的5.98L酒精废液经过UASB处理后能替代118.3L煤气；产生的1.36kg木薯渣经过CSTR处理后可替代249.42L煤气。以年产1万t木薯燃料乙醇的酒精厂为例［11］，每天可产生3×105L废水，1.7t废渣，根据本实验研究结果进行换算，酒精厂每天产生的废液可替代5.93×106L煤气，每天产生的废渣可替代3.12×105L煤气，废液和废渣处理后共产生6.24×106L煤气，以昆明在2019年9月份的煤气价格1.600元/m3进行计算，酒厂每天处理废液废渣所能节省的煤气费用为6.24×103m3×1.6元/m3＝9984元。计算结果是以本文实验结果为基础进行换算，实际生产过程中会存在一定误差，本文研究内容可为实际工程中处理酒精发酵副产物提供参考，这部分酒精发酵副产物处理后应用于酒精制备过程的蒸煮和蒸馏阶段，会大大降低木薯酒精的生产成本，为企业提高利润。

6 结论

本文研究了木薯经过酒精发酵后剩余的可利用、可转化成沼气的能源，2kg木薯经过酒精发酵后产生的副产物为酒精废水，酒精废水经过固液分离后得到5.98L酒精废液，1.36kg酒精废渣，5.98L酒精废液经过UASB反应器处理后可得到55.13L甲烷，能替代118.3L煤气；1.36kg木薯渣经过CSTR反应器处理后可得到116.33L甲烷，可替代249.42L煤气，并进行了经济分析，采用UASB结合CSTR处理木薯酒精副产物能提高酒精厂的利润，节省能耗。酒精废液中用于沼气发酵后的剩余物又可以用于还田，作为化肥替代物，既能合理的处理废弃物，又能减少化肥的使用。构建以沼气能源为纽带的循环经济产业模式，是未来可持续发展的重要模式与现代能源的发展方向，从源头治理来改善环境污染，促进以沼气为核心的相关产业呈现科技现代化、资源高效化、产品优质化的发展趋势［12］。随着能源转化效率高的乙醇生产技术的开发，木薯燃料乙醇的生命周期综合利用率将随之提高，同时考虑到其净能源产出的可在生性，木薯燃料乙醇更充分地利用太阳能资源，是一种潜力巨大的绿色燃料［13］、绿色能源。在我国粮食安全刚好保证的情况下，坚持发展非粮能源作物是我国生物质能源的必由之路，实现木薯能源作物的可持续发展的道路［14］。各级政府政策和激励措施正在推动生物燃料行业的发展，但生物燃料的未来发展最终应该能够凭借自身的优势对能源市场产生影响［15］，实现自给自足的能源利用模式木薯酒精废液和废渣经过试验处理后，得到的沼气能源可替代相应量的煤气，解决化石能源面临问题的同时，达到综合木薯资源的综合利用和良性循环，木薯作为能源作物来利用的研究越来越得到重视，未来的产业发展将结合综合经济效益分析做更详细的探究。