接种量对红薯酒糟沼气发酵的影响.pdf

研究报告 中国酿造 2011 年 第5 期 总第230 期 37 接种量对红薯酒糟沼气发酵的影响 李美群1 熊兴耀2 3 谭兴和1 3 邓洁红1 周红丽1 3 彭丹1 唐艳红1 张艳艳1 1 湖南农业大学 食品科技学院 湖南 长沙 410128 2 湖南农业大学园艺园林学院 湖南 长沙 410128 3 作物种质创新与资源利用国家重点实验室培育基地 湖南 长沙 410128 摘要 研究不同接种量对红薯酒糟中温厌氧发酵的影响 探求红薯酒糟厌氧发酵的最佳接种量 在45 时 比较4 种不同接种量 对红薯酒糟中温厌氧发酵过程中产气率 pH 值 氨基态氮 NH4 N 挥发性脂肪酸 VFA 浓度 甲烷百分含量及 TS CODcr 的去 除效果的影响 结果表明 随着接种量的增加 微生物的积累周期减短 有利于产气高峰提前 缩短产气周期 同时能提高发酵系统 酸碱的缓冲能力 其中 50 接种量的总产气率 甲烷平均百分含量及 TS 和 COD 去除率最高 分别为124 14 66 37 35 77 47 90 pH 值都在正常发酵范围内 关键词 厌氧发酵 接种量 沼气 化学需氧量 中图分类号 TQ920 9文献标识码 A文章编号 0254 5071 2011 05 0037 04 Influence of inoculum on anaerobic fermentation of sweet potato lees LI Meiqun1 XIONG Xingyao2 3 TAN Xinghe1 3 DENG Jiehong1 ZHOU Hongli1 3 PENG Dan1 TANG Yanhong1 ZHANG Yanyan1 1 College of Food Science and Technology Hunan Agricultural University Changsha 410128 China 2 College of Horticulture and Landscape Hunan Agricultural University Changsha 410128 China 3 State Key Laboratory Incubation Base for Germplasm Innovation and Utilization of Crop Changsha 410128 China Abstract Effects of inoculum on mid temperature anaerobic fermentation of sweet potato lees were studied Gas production rate pH value amino nitrogen NH4 N volatile fatty acid VFA content percentage of methane and reduction of TS and COD affected by four different inoculum at 45 were studied The results showed that with increase of inoculums the accumulation of microorganisms shortened peak of gas production brought forward and gas production period shortened and moreover the pH buffer capacity of fermentation system was improved The highest gas production rate average percentage of methane content and the reduction effects of TS and COD were 124 14 66 37 35 77 47 90 respectively when inoculum by 50 pH values were within the range of normal fermentation Key words anaerobic fermentation inoculum methane chemical oxygen demand COD 收稿日期 2011 01 18 基金项目 国家科技支撑计划项目 2007BAD41B03 作者简介 李美群 1985 女 湖南邵阳人 硕士研究生 研究方向为农产品深加工原理与新技术 邓洁红 教授 通讯作者 接种物中除了含有大量的沼气发酵微生物外 还含有 微生物生长必不可少的生长因子 如维生素 某些氨基酸 等 因此 接种物的种类和数量对厌氧消化中产甲烷阶段 的运行效果和稳定性非常重要 1 目前 在研究固体废弃物厌氧消化时 国内外研究者大 多采用经过驯化的厌氧污泥作为接种物 2 6 在研究餐厨 等易腐垃圾接种量的问题上 董诗旭等 7 发现接种物占总 消化物20 的时候产气效果最佳 累积产气量显著高于其 他处理 马磊等 8 发现 480g 餐厨垃圾接种 120g 接种物 TS 比为9 47 时产气效果最佳 整个过程累积产气量为 9359mL 显著高于其他处理 在接种量的研究上 潘云霞 等 9 研究了接种物浓度对厌氧发酵产气特性的影响 发现 适宜的接种物浓度有利于细菌和微生物的生长 使产气加 快 并且接种物的浓度与物料浓度相互制约 赵洪等 10 在 研究接种物数量对沼气产气量的影响时 以鲜猪粪为原料 采用批量沼气发酵方法 研究了 7 个接种量对厌氧发酵产 气量 产气特性的影响 发现接种量为 35 49 时 沼气 发酵启动快 然而 对利用生物质能源生产乙醇之后的薯类酒糟进 行厌氧发酵的研究还较少 本试验以红薯酒糟为原料 研究 接种量对发酵的影响 在 45 条件下 采用猪粪沼气池发 酵后的沼泥作为接种物 在底物总量一定的前提下 研究不 同接种量对红薯酒糟中温厌氧消化过程的影响 以期对红 薯酒糟厌氧消化工艺的完善提供参考 1 材料与方法 1 1 材料与接种物 试验所用的发酵原料为模拟酒精厂生产工艺制取的 红薯酒糟 活性污泥取自湖南长沙县跳马乡新竹村以猪 粪为发酵原料的沼气池 水分含量为 87 1932 固形物 含量为 12 2606 pH 值为 8 23 电势为 84mV 各微 生物菌群的数量为好氧产酸菌 1 9 107个 mL 厌氧产酸 菌 1 1 1012个 mL 好氧氨化菌 1 4 107个 mL 厌氧氨 化菌 3 0 1010个 mL 厌氧纤维素分解菌 1 5 109个 mL 产甲烷菌2 0 107个 mL 1 2 试验方法 设接种量 指接种物的数量占发酵原料总体积的百分 38 2011 No 5 Serial No 230 China Brewing Research Report 比 为 20 30 40 和 50 4 个处理 每个处理重复 3 次 采用批量发酵 用 1000mL 容量瓶作发酵器 每瓶加入 新鲜酒糟 再按设计处理加入新鲜猪粪 搅拌混合后 连接 好装置 放入45 水浴锅中进行厌氧消化 本试验发酵周 期为40d 发酵过程中采用排水集气法测定日平均产气量 在取样口用25mL 移液管取得料液样品测定发酵液中理化 指标的变化 连续发酵 40d 统计日平均产气量 总平均产 气量 1 3 测定项目及方法 总固体浓度 TS 和含水率 烘干法 挥发性脂肪酸 VFA 浓度 酸性乙二醇比色法 5 采用料液经4000r min 离 心10min 后测定 氨态氮 滴定法 采用料液经5000r min 离 心10min 后测定 pH 值 通过精密 pH 计 PHS 3C 测定 CODCr值 重铬酸钾 硫酸法测定 TS 产气率 即单位原料干 物质产气量 主要反映原料的产气潜力 计算公式 产气率 总累计产气量 空白组总累计产气量 W TS 100 式中 W 为原料质量 g TS 为原料总固体百分含量 11 甲烷的测定 甲烷含量的分析方法为气相色谱法 采用 导津 GC2010 气相色谱进行检测 固定相 GDX 401 色谱柱 为不锈钢填充柱 3mm 1m 高纯氢气为载气 流速为 25mL min 柱温为50 进样口温度100 检测器为 TCD 检测器温度 50 12 进样针选用 10uL 的气密性进样针 检测时用气密性进样针通过胶管取发酵气体进样 2 结果与分析 2 1 不同接种量对红薯酒糟厌氧发酵产气量的影响 图1 不同接种量红薯酒糟厌氧发酵产气量的变化曲线 Figure 1 Variation of gas production of sweet potato lees in anaerobic fermentation with different inoculum 在温度45 pH 值为 7 0 发酵时间 40d 接种量分别 为20 30 40 50 的条件下进行试验 采用排饱和食 盐水集气法每日定时测量产气量 计算产气量的日平均值 得到日产气量 结果见图1 红薯酒糟接种量为 20 50 时都能正常启动 接种量大 启动快 产气量大 说明沼气 发酵微生物基数大 微生物生长必不可少的生长因子能满 足微生物生长发育的需要 有利于产气 13 20 30 40 50 接种量条件下 红薯酒糟的第一 峰值产气量 第二峰值产气量 总产气量 产气率见附表 附表不同接种量对红薯酒糟厌氧发酵产气的影响 Attached table Effects of inoculum on gas production of sweet potato lees by anaerobic fermentation 接种量 第一峰值产 气量 mL 第二峰值产 气量 mL 总产气量 mL 产气率 mL g TS 1 20645140271841 6698 301097185347160 8161 401576302488699 8767 5016523525061124 1447 结合产气峰和产气率 结果 附表 表明 20 接种量微 生物数量较少 不能很好的启动发酵 30 接种量的微生物 数量较多 能快速启动发酵 40 50 接种量的微生物数 量庞大 能利用丰富的机制快速产气 同时利用丰富的有机 质使自身数量增加 保持产气量的持续 有利于产气 2 2 不同接种量对红薯酒糟厌氧发酵 pH 值的影响 图2 不同接种量红薯酒糟厌氧发酵过程中 pH 值的变化曲线 Figure 2 Variation of pH value of sweet potato lees in anaerobic ferm entation with different inoculum 在温度45 pH 值为 7 0 发酵时间 40d 接种量分别 为20 30 40 50 的条件下进行试验 得到厌氧发酵 过程中 pH 值的变化 结果见图 2 从图 2 可以看出 红薯 酒糟厌氧消化过程中 各处理 pH 值变化的趋势基本一致 均在试验开始的第 3d 7d 下降至整个过程的最低值 然后 逐渐上升 其中 30 40 50 接种量的红薯酒糟在第 14d 均为 pH 6 2 左右 之后一直维持在 pH 6 3 6 8 20 接种量的在 14d 为 pH 5 88 之后维持在 pH 6 2 左右 因 此30 40 50 的接种量能满足红薯酒糟发酵微生物所 需要的 pH 值 使发酵达到很好的效果 2 3 不同接种量对红薯酒糟厌氧发酵氨基酸态氮的影响 在温度为45 pH 值为 7 0 发酵时间为 40d 接种量 分别为20 30 40 50 的条件下进行试验 得到厌氧 发酵过程中氨基酸态氮的含量变化 结果见图3 红薯酒糟 厌氧消化过程中 40 50 的氨基酸态氮值变化的趋势基 本一致 均在试验开始的第 5d 下降至整个过程的最低值 研究报告 中国酿造 2011 年 第5 期 总第230 期 39 然后缓慢上升 20 30 的氨基酸态氮值变化的趋势基 本一致 均在试验开始的第 5d 下降至整个过程的最低值 然后逐渐上升 在第 10d 开始下降 随后基本维持在 500mg L左右 在厌氧发酵过程中 40 50 的氨基酸态氮 值一直比较高 在发酵液中能起到的缓冲作用也比较大 图3 不同接种量红薯酒糟厌氧发酵过程中 NH 4 N 的变化曲线 Figure 3 Variation of NH 4 N content of sweet potato lees in an aerobic fermentation with different inoculum 2 4 不同接种量对红薯酒糟厌氧发酵 VFA 的影响 图4 不同接种量红薯酒糟厌氧发酵 VFA 的变化曲线 Figure 4 Variation of VFA of sweet potato lees in anaerobic fermentation with different inoculum 在温度45 pH 值为 7 0 发酵时间 40d 接种量分别 为20 30 40 50 的条件下进行试验 得到厌氧发酵 过程中 VFA 的含量变化 结果见图 4 红薯酒糟厌氧消化 过程中 不同接种量 VFA 值的变化趋势基本一致 都不断 上升 在厌氧发酵过程中随着接种量的增大 VFA 的值也 比较高 这样能更多的提供产甲烷的前提碳源 14 15 在15d 和30d 时数值略有下降 这是氨基酸态氮等碱性物质对发 酵的缓冲效果 在厌氧发酵过程中 40 50 接种量时的 VFA 值一直比较高 在发酵液中能更多的提供产甲烷机制 前提物质 但是50 的接种量占用的空间大 能有效利用的 物质少 在同等条件下 40 的接种量也能达到发酵的良好 效果 且占用的空间小 能更多的利用发酵原料 2 5 不同接种量对红薯酒糟厌氧发酵 TS 去除率的影响 从图5 可以看出 随着接种量的增大 红薯酒糟的 TS 去除率逐渐提高 20 接种量的红薯酒糟 TS 去除率最低 为19 39 50 接种量的 TS 去除率最高 为 35 77 增 加接种量可以促进 TS 的降解 减少红薯酒糟固形物含量 从而克服消化底物固含率过高引起的消化底物流动性和混 合性差的缺点 同时能减少搅拌能耗 图5 不同接种量对红薯酒糟厌氧发酵 TS 的去除效果 Figure 5 TS reduction of sweet potato lees in anaerobic fermentation with different inoculum 2 6 不同接种量对红薯酒糟厌氧发酵 COD 去除率的影响 图6 不同接种量对红薯酒糟厌氧发酵 COD 的去除效果 Figure 6 COD reduction of sweet potato lees in anae robic fermentation with different inoculum 从图6 可以看出 红薯酒糟厌氧消化过程中 发酵的接 种量不同 发酵后废水中 COD 的降低率也不一样 20 30 40 50 接种量的 COD 的降低率分别为 21 81 32 58 36 13 47 90 可见随着接种量的增加 COD 的 去除率也增加 废水中 COD 的去除率越高 越能接近环境 排放标准 所需要二次处理的费用越低 添加接种物可以 提高系统微生物数量 发酵容易启动 缓冲能力大 不易出 现酸化 有利于有机物质的降解 有利于保护环境 2 7 不同接种量对红薯酒糟厌氧发酵甲烷百分量的影响 从图7 可以看出 接种量为 20 30 40 50 的甲 烷百分量 甲烷占总沼气体积的百分比 总体变化趋势基 本相同 都先增大 然后有所降低 前 10d 随着接种量的增 大甲烷百分量也较大 之后甲烷含量差异较小 20 30 40 50 接种量在整个过程中的甲烷平均百分量 总甲烷百分量与天数的比 分别为 58 63 61 61 60 84 66 37 可见接种量对甲烷百分量在整个过程 40 2011 No 5 Serial No 230 China Brewing Research Report 中的影响不是很大 从图1 可以知道 在整个过程中前20d 产气较大 之后产气较小 30d 之后基本不产气 甲烷百分 量是决定产气质量的主要因素 在主产气高峰时含量高则 发酵的条件比较好 因此 30 40 50 的接种量在整个 过程中的甲烷平均含量较高 是红薯酒糟中温发酵的较好 接种量 图7 不同接种量红薯酒糟厌氧发酵过程中甲烷的变化曲线 Figure 7 Variation of CH4of sweet potato lees in anaerobic fermenta tion with different inoculum 3 结论与讨论 1 4 种接种量都能启动红薯酒糟发酵 但是接种量对 沼气发酵的启动 产气量有明显影响 接种量越大 发酵启 动的快 产气率也大 所以 适当提高发酵接种量 有利 于产气 2 红薯酒糟的 TS COD 去除率也较高 其中 50 接 种量的红薯酒糟 TS COD 去除率最高 分别为 35 77 47 90 接种量越大 微生物也较多 能更多的利用有机 物质 但是接种量太大 底物原料也会相应的减少 并不能 实现产气量和降解的相应提高 因为一定的营养条件下 微 生物达到一定数量时 营养的相对缺乏导致生存竞争 从而 降低了微生物的活性 所以适当的接种量能提高对底物的 利用效率 降低 TS 和 CODcr 3 30 40 50 接种量的甲烷平均百分含量分别 为61 61 60 84 66 37 产气高峰期出现的时间基本 一致 但是接种量大的产气量大 所以50 接种量的主要燃 烧气体 甲烷的含量最多 同时能提供更多的热量 4 沼气发酵的正常 pH 值为 6 0 9 0 红薯酒糟的 pH 值在正常发酵范围内 在发酵过程中 接种量不同时 环境中的 pH 值也不同 40 50 接种量的氨基酸态氮和 VFA 数值一直都比较大 这能为产甲烷菌提供更多的甲烷 前提物质 有利于产气的快速进行 同时也能更好的调节发 酵液 增强系统的酸碱缓冲能力 使系统维持在酸化水解和 产甲烷的相对平衡状态 参考文献 1 徐文龙 卢英方 RUDOLF WALDER 城市生活垃圾管理与处理技术 M 北京 中国建筑工业出版社 2006 2 马磊 王德汉 谢锡龙 等 接种量对餐厨垃圾高温厌氧消化的影响 J 农业工程学报 2008 24 12 179 182 3 CALLAGHAN F J WASE D A J THAYANITHY K et al Continuous co digestion of cattle slurry with fruit and vegetable wastes and chicken manure J Biomass Bioenerg 2002 27 1 7l 77 4 韩祥兵 争英豪 刘景华 等 酒糟废液 厌氧