酱油渣中温厌氧发酵产甲烷性能及动力学

梁文华，王瑞达，刘敬，吴健，程辉彩，边红杰

(1.河北科技大学 生物科学与工程学院，石家庄 050018；2.河北省科学院生物研究所，石家庄 050081；3.北方工程设计研究院有限公司，石家庄 050011)

酱油在我国有2500多年的发展传承历史[1-2]，是居民生活中的日常消费品和调味品，酱油市场需求表现为数量大且逐年增长的特点。目前酱油的生产工艺包括浇淋法、低盐固态发酵法和高盐稀态发酵法[3]，但无论是哪种处理方法在生产过程中均会有副产物酱油废渣的产生。据统计，2016 年我国酱油产量达1000万吨[4-5]，位居世界首位，而且市场需求逐年增长。据报道，酱油生产过程中会产生大量的工业废物酱油渣，每生产1 kg酱油会产生0.67 kg酱油渣[6]。由于自身含水率高(40%～70%)、杂质含量较多，未能及时处理的酱油渣容易滋生有害微生物而腐败变质[7]，因此其不仅难以储藏，而且长途运输的难度较大。在当今清洁生产要求的社会环境下，酱油厂需要对这些废弃产物进行及时、有效的处理以防止产生更严重的环境污染。例如在高盐稀态发酵法生产中通过将部分酱油渣回填到初始配料，以减少部分酱油渣的排放。生产蛋白饲料，开发饲料添加剂、肥料，制作盐砖[8-9]，提取食物纤维、油脂、异黄酮等高附加值产品以及制备生物材料[10-12]。

酱油的生产以营养丰富的大豆、小麦为主要原料[13]，副产物酱油渣中粗蛋白、粗脂肪和粗纤维分别为25%、9.7%和13.5%[14]，非常适合作厌氧发酵的原料。本研究采用厌氧发酵的方式进行处理，以期实现对酱油渣的无害化、资源化处置。通过对反应体系中各项参数进行监测，进一步明确其发酵过程中相关理化指标的变化规律，同时对发酵体系中的产甲烷变化作动力学模型，旨在为酱油渣清洁、环保、无害化和资源化利用提供合理化思路，对酱油渣厌氧发酵的研究提供相应的数据支持。

1 材料与方法

1.1 材料

酱油渣：取自河北省石家庄市珍极酱油厂；种子液：取自石家庄市桥西污水处理厂的污泥，污泥在接种前首先在(35±2) ℃条件下用少量酱油渣进行驯化1个月，待驯化污泥中有机物基本消耗完，甲烷含量大于60%，没有气体产生时再进行接种。酱油渣原料和种子液的理化性质见表1。

表1 酱油渣原料和种子液的理化性质Table 1 The physicochemical properties of soy sauce residue raw material and seed liquid

1.2 试验方法

本试验为酱油渣厌氧发酵产甲烷动力学试验。试验设计原料有机负荷20 g VS/L的处理组和空白对照组(对照组仅加种子液，测定日产气量和甲烷含量)，处理组和对照组各设置3个平行，发酵有效体积均为2.5 L，种子液添加量800 mL，酱油渣的加入量(鲜重)依次为158，0 g。定期测定产气体积和组分含量以及发酵液的理化性质。各项指标测定方法如下：

沼气体积：湿式流量计；CH4和H2S含量：Biogass 5000沼气分析仪；氧化还原电位和pH：分别采用Ohaus Starter 3100氧化还原电位仪和E-201-C pH电极玻璃电极法测定；VFA和TIC：Nordmann联合滴定法[15]；氨氮和SCOD：比色法[16]；TS和VS：称重法[17]。

试验装置为总体积3 L的发酵罐，材质为有机玻璃，见图1。

图1 酱油渣厌氧发酵产沼气装置图Fig.1 Biogas production device of anaerobic fermentation of soy sauce residues

2 结果与分析

2.1 酱油渣厌氧发酵过程中产气速率和累积产气量的变化

整个发酵试验共进行30 d，3个接种物对照组仅在试验启动前2 d有少量气体产生，总产气量少于100 mL，甲烷含量小于10%，所以忽略不计。

图2 酱油渣厌氧发酵过程中日产气量的变化Fig.2 Changes in daily biogas production during the anaerobic fermentation of soy sauce residues

由图2可知，酱油渣厌氧发酵的第1 d有少量气体产生(83.33 mL)，随后进入产气高峰期：第4～20 d的产气速率均大于400 mL/d，其中第4 天和第16 天依次出现日产气量的第1，2个峰值645.83，777.78 mL。反应进行到第16 天之后产气速率迅速下降，第24 天体系的日产气量仅为34 mL；继续监测至第30 天，在此期间系统产生沼气22 mL。而对照组只在发酵反应的第1～2 d产生少量气体，总体积小于100 mL，可以忽略不计。通过计算，第24 天的累积产气量达到第30 天产气量的99.8%，因此确定酱油渣厌氧发酵周期为24 d，发酵周期内体系累积产气量为9905.09 mL，酱油渣产气能力为198.10 mL/g。

酱油渣的产气速率呈现出“M”形的变化规律，反应初期，底物中大分子化合物的利用以水解酸化为主，基质在水解微生物的作用下分解成产甲烷菌可利用的小分子底物，产气速率的提高可以理解为反应过程中体系环境的改善。发酵过程中出现的两个产气高峰，是由酱油渣本身成分混杂，各种成分降解、利用的难易程度不同所造成的。第二个产气峰的持续时间明显大于第一个峰，累积产气量相比更多，底物中的大多数基质在此阶段被利用。

表2 酱油渣厌氧发酵累积产气量变化Table 2 Changes in cumulative gas production during anaerobic fermentation of soy sauce residues

由表2可知，当反应进行到1/2周期时累积产气量已达总产气量的54.12%；反应进行到第18天共累积产气9256.94 mL，达到总产气量的93.46%。后期系统中可利用的有机物越来越少，难以维持甲烷菌生长代谢所需的营养需求，产气随之减少、停止[18-19]。

2.2 酱油渣厌氧发酵产沼气过程中CH4和H2S含量变化

由图3可知，反应体系前期的甲烷含量呈平稳上升的趋势，第1 天的CH4仅为10.56%，第6 天超过34.6%，16 d后的CH4含量达到60%。体系中沼气的甲烷含量的上升持续期较长，可见前期厌氧微生物对系统环境需要较长的适应期。18 d后体系的甲烷浓度略有降低，直至反应结束时气体中的甲烷含量仍不低于60%，产气后期的甲烷含量随着产气速率的降低无明显减少。

图3 酱油渣厌氧发酵产沼气过程中CH4和H2S含量的变化Fig.3 Changes in CH4 and H2S content during biogas production of soy sauce residues

H2S是反应基质在硫酸盐还原菌作用下进一步代谢产生，初期沼气中H2S的体积分数为12.33 mg/L，伴随第一个产气高峰的出现略有下降；在第二个产气高峰期，反应体系的H2S含量与产气速率的高低表现出较一致的同步性，10～24 d的H2S含量与日产气量的变化趋势均为先上升后降低，反应至第16 天出现最高值17 mg/L。初期的底物中含硫成分的水解、释放使得体系中H2S浓度迅速升高，中后期的H2S体积分数的动态变化与产气速率表现出较高的一致性，这可能与甲烷菌和硫酸盐还原菌(SRB)近似的生长代谢环境存在较大关系[20]。反应体系酱油渣进一步的水解酸化，发酵液的理化性质逐渐适宜产甲烷菌的代谢，产甲烷代谢逐渐增强，同时产SRB的代谢活性随之提高；当体系中的发酵条件逐渐不适宜产甲烷反应的进行，H2S的产生速率也变得越来越少。

2.3 酱油渣厌氧发酵过程中VFA和TIC变化

VFA是沼气发酵过程中有机质进一步分解的产物，被认为是产甲烷微生物主要利用的前体物，且对系统中的pH具有重要影响。VFA初始值仅为340 mg/L，具体见图4。随着物料的进一步水解酸化，体系初期的挥发酸浓度快速升高，反应进行至第8 天，发酵液的浓度达到最大值865.56 mg/L；VFA含量出现最高值后随之快速下降，其中在8～10 d最为明显，由855.56 mg/L降低至395.33 mg/L；10～24 d发酵液的VFA下降速率减缓，整体呈波动降低变化趋势，且随着时间的推移波幅逐渐减小并趋于平稳，反应结束时VFA水平维持在140 mg/L。分析其原因：反应初期以水解酸化为主，大分子底物快速被水解酸化，而且甲烷菌的数量还未大量繁殖，在此环境下的挥发酸成分得到积累；中后期甲烷化速度增加，基质快速被利用，产气速率加快，挥发酸的消耗速率越来越大，发酵液中有限的可利用有机质致使VFA的溶出量逐渐减少，体系中的挥发酸水平随之降低。

图4 酱油渣厌氧发酵过程中VFA和TIC含量的变化Fig.4 Changes in VFA and TIC content during anaerobic fermentation of soy sauce residues

碳酸氢盐碱度(TIC)对维持体系中的酸碱平衡，提高系统缓冲能力和稳定性起重要作用。由图4可知，体系中的TIC初始含量为600 mg/L，反应进行到第6 天下降至最低值375 mg/L；之后反应体系的TIC含量呈阶梯式上升：6～8 d、10～12 d、14～16 d依次维持在400，600，800 mg/L的水平左右；发酵过程中的碱度总体呈上升趋势，反应末期第20～24 d略有降低，发酵过程中TIC含量整体小于1000 mg/L。通过对比发酵体系中VFA和TIC的变化趋势可以发现，两者呈负相关。反应初期TIC水平逐步降低，水解酸化阶段的碱度随着挥发酸含量的增加呈现降低的趋势；TIC水平在0～6 d降低了1/2，但后期随之上升，pH也恢复至适宜发酵的范围。

2.4 酱油渣厌氧发酵过程中氨氮和SCOD的变化

由图5可知，发酵启动时料液SCOD浓度为633.25 mg/L，在反应体系有机物分解、释放的过程中，体系的SCOD含量逐步上升。随着体系中有机质分解速率的加快，第8 天达到最大值1233.25 mg/L；8～24 d的整体水平在小幅度波动中逐渐降低，发酵末期底物中可利用的有机质含量越来越少，导致有机物溶出速率越来越低，反应结束时SCOD含量为667.5 mg/L，与初始启动水平相比无明显的升高和降低。

图5 酱油渣厌氧发酵过程中氨氮和SCOD的变化Fig.5 Changes in ammonia nitrogen and SCOD during anaerobic fermentation of soy sauce residues

0～10 d时，氨氮处于快速上升阶段，中后期的浓度水平基本保持在200 mg/L。与SCOD同时期的对比中，发现两者的变化趋势呈现出相对一致的同步性，具体体现在0～10 d、10～18 d、20～24 d 3个阶段。第一个阶段氨氮的升高归因于初期水解微生物的生长代谢，原料中的蛋白质氨基酸类分子快速分解；随着体系中微生物的繁殖和代谢活动的增强，对氨氮的需求逐渐增多，反应过程中有机物进一步消耗，系统的反应速率逐渐降低进而影响氨氮水平；第三个阶段氨氮含量的上升可能是温度的波动加速了氨氮的溶出。前期的微生物代谢活性对菌渣中的氨氮溶出速率影响较大；发酵反应进行到中后期，体系中氨氮的分解和生成速率达到平衡，在发酵液中的含量也相对平稳。

2.5 酱油渣厌氧发酵过程中pH和氧化还原电位的变化

初始pH 6.94符合甲烷菌的最适生长范围，因此未对发酵液的pH进行调节。酱油渣厌氧发酵过程中的pH降低变化较明显的0～6 d，由于发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整体水平处于6.5附近。酱油渣的前期pH出现小幅度降低，此时图2中同时期的产气速率正处于第一个产气高峰期，初期pH的降低未造成对厌氧发酵的产气抑制，未构成反应体系的酸化。反应过程的后1/2周期，发酵液的pH稳定维持在6.5附近，相对初始值略有降低。

图6 酱油渣厌氧发酵过程中pH的变化Fig.6 Changes in pH values during anaerobic fermentation of soy sauce residues

图7 酱油渣厌氧发酵过程中氧化还原电位的变化Fig.7 Changes in redox potential during anaerobic fermentation of soy sauce residues

厌氧发酵过程中氧化还原电位在反应启动第0～2 d由-159 mV快速下降至-261 mV；其中第2～10 d的氧化还原电位处于-300～-250 mV的范围，存在一定波动幅度；发酵10 d之后的氧化还原电位基本稳定，维持在-250 mV附近。初期体系中的有机质在微生物作用下快速降解，密闭环境下残存的氧气被消耗殆尽，导致最初反应体系的氧化还原电位快速降低，之后随着厌氧发酵系统氧化还原反应趋于平衡，氧化还原电位也趋于一致。

2.6 酱油渣厌氧发酵前后TS和VS的去除率

酱油渣厌氧发酵起始与结束时TS、VS含量依次为2.79%、2.24%和1.96%、1.49%。TS和VS去除率分别为42.36%、50.70%。酱油渣在中温厌氧发酵处理方式下的有机物含量可得到较高的去除率。

2.7 酱油渣厌氧发酵产甲烷动力学模型比较

将试验过程中的累积产甲烷量数据代入到Origin 2017 Pro软件的一级动力学模型和Gompertz模型，见图8和图9。其中，模型一中的Z为反应时间在x时刻的累积甲烷产量，mL；D为反应结束时的累积甲烷产量，mL；E为反应速率常数。模型二中的Y为反应时间在x时刻的累积甲烷产量，mL；A为反应结束时的累积甲烷产量，mL；B为最大产甲烷速率，mL/d；C为延滞期，d；e为常数，拟合参数见表3。

图8 酱油渣累积产甲烷量一级动力学模型拟合曲线Fig.8 Fitting curve of first-order kinetic model of cumulative methane production of soy sauce residues

图9 酱油渣累积产甲烷量修正后Gompertz模型的拟合曲线Fig.9 Fitting curve of Gompertz model after correction of cumulative methane production of soy sauce residues

表3 酱油渣累积产甲烷量一级动力学模型和修正后Gompertz模型的拟合参数Table 3 Fitting parameters of the first-order kinetic model of cumulative methane production of soy sauce residues and the modified Gompertz model

由图8、图9和表3可知，一级动力学方程拟合酱油渣BMP产甲烷数据的拟合效果中，R2=0.945，该模型显示对酱油渣厌氧发酵产甲烷特性存在较高的相关性，而拟合累积产气量5913.75 mL与实际产气量相差了1343.93 mL存在一定的偏差。采用修正后的Gompertz模型拟合BMP产甲烷的试验结果中，R2>0.98，置信度高于一级动力学模型；拟合累积产气量与实际值相差16.45%，与一级动力学的拟合偏差值29.41%更接近真实值。同时拟合延滞期5.68 d和最大产甲烷速率351.78 mL与反应过程中的实际值均比较相符。因此，采用修正后的Gompertz模型相较一级动力学模型更能准确模拟酱油渣中温批式厌氧发酵过程中的产甲烷动态变化。

3 结论

酱油渣在有机负荷20 g VS/L中温(35±2) ℃进行厌氧发酵，厌氧反应历经24 d共产生沼气9905.09 mL，产气能力198.10 mL/g。CH4含量在反应周期内均匀上升，第16 天在气体中浓度首次达到61%；H2S的体积分数在产气中的占比较低，最高仅为17 mg/L。

采用厌氧发酵方式对酱油渣处理的过程中，反应体系有机物含量得到较高的去除效果，反应前后体系的TS和VS依次降低了42.36%、50.70%。

采用Origin 2017 Pro的一级动力学模型和Gompertz模型对酱油渣厌氧发酵的产甲烷数据进行拟合，发现Gompertz模型对数据拟合的效果更好，相关系数R2>0.98，体现了模型对反应体系实时甲烷产量变化的高度相关性，对酱油渣厌氧发酵产甲烷的实际应用具有一定的理论支持。