酒糟廢棄物產沼氣性能研究及分析

李芳

摘 ? 要：以某酒廠3種酒糟樣品為基礎，開展了不同階段酒糟厭氧發酵產沼氣的實驗。結果表明，一次釀酒后所得的原酒糟TS產氣潛力為300 mL/g，經過再次提酒后的復槽酒糟TS產氣潛力為281 mL/g，酒糟制漿濾除稻殼后的TS產氣潛力為207 mL/g。

關鍵詞：酒糟廢棄物;厭氧發酵;產沼氣

酒糟，即釀酒后的谷物類殘渣，是米、麥、高粱等釀酒后剩余的殘渣。酒糟中含有豐富的蛋白質、氨基酸、維生素等無機元素，且粗纖維質量分數較高。品質較好的酒糟能進行二次利用，即與秸稈飼料摻在一起喂養畜禽;或經過發酵后生產出營養價值更高的飼料[1]。然而，一些稻殼類的酒糟往往會因為利用價值低而被丟棄。在大型釀酒廠，每年都會產生大量稻殼酒糟，如得不到及時處理，將造成嚴重的環境污染和資源浪費。通過厭氧發酵的方式來處理酒糟，使酒糟中殘留的有機物產生沼氣，可用于熱電聯產或提純生物燃氣，實現廢棄物的資源化利用。同時，發酵后的沼渣還可以作為有機肥還田[2]。

本研究以貴州省仁懷市某大型醬香型白酒釀酒廠酒糟為原料，進行酒糟產沼氣的實驗室研究，為后續工程處理提供依據。

1 ? ?樣品標記及物理特性描述

1.1 ?樣品標記

樣品1：仁懷市某大型釀酒廠現場酒糟窖內陳酒糟樣品，標記為“原酒糟”。

樣品2：復槽酒廠再提酒生產后的復槽酒糟，標記為“復槽酒糟”。

樣品3：酒糟制漿后的漿液，標記為“酒糟漿液”（見圖1）。

1.2 ?樣品物理特性描述

接收樣品后，對各樣品的物理特性進行了描述并記錄，如表1所示。

由表1可以看出各樣品含固率的差異。

樣品2復槽酒糟含固率較樣品1原酒糟高出4%，原因在于，復槽酒糟中稻殼質量分數高于原酒糟，而稻殼保水性能較差。

復槽酒糟經過再次提酒后，對酒糟內的有機質有一定消耗，使得酒糟內有機質負荷降低，底物質量減小。從沉淀試驗中可以看到，復槽酒糟中稻殼沉降速率明顯變低，且有少量漂浮物。

在表1中，樣品1的揮發率低于樣品2，這是由于樣品1原酒糟中檢測出有石塊等雜質，使得揮發率較低，與上述結論并不矛盾。

2 ? ?樣品產氣潛力試驗及結論分析

2.1 ?批式試驗裝置及運行方法

對樣品1原酒糟、樣品2復槽酒糟以及樣品3酒糟漿液分別進行了批式產氣試驗，厭氧發酵用1 L厭氧瓶為反應容器，每個樣品設置兩個平行試驗，樣品及接種沼液量如表2所示。

以上樣品接種后pH為7～8，置于38 ℃恒溫水浴鍋內進行中溫發酵，每日定時搖晃發酵瓶，使得底物均勻。

2.2 ?測定參數及方法

通過排水法每日測定發酵瓶內產生的沼氣量，并通過氣相色譜儀分析沼氣成分。纖維素、半纖維素及木質素通過范氏纖維素方法測定;總固體（Total Solid，TS）及揮發性固體（Volatile Solid，VS）采用標準方法測定（見圖3）。

2.3 ?各樣品批式試驗結果及討論

2.3.1 ?各樣品日產沼氣量分析

如圖4所示，各樣品日產氣呈現一定的變化規律。

其中樣品1原酒糟在接種后的第2天出現產氣高峰，隨后產氣停滯，呈現非常劇烈的酸化，經過2次pH調整（NaOH溶液調整）后，才進入厭氧發酵產CH4階段。在產CH4階段，產氣量逐漸上升，在調整pH后的第8天達到高峰，當日TS最高產氣率為35 mL/g，隨后下降。

樣品2復槽酒糟在接種后的第2天同樣表現出酸化過程，經過1次pH調整后，進入正常的厭氧發酵階段，在第6天達到產氣高峰，TS產氣為40 mL/g，隨后產氣下降，在第11天又出現一個產氣小高峰，隨后逐漸降低直至基本結束。

樣品3酒糟漿液在接種后的第2天同樣出現明顯的酸化，經過1次pH調整后，進入正常的厭氧發酵階段，在第5天出現產氣高峰，TS產氣為23 mL/g，隨后逐漸降低直至產氣結束。

從圖4中還可以看到，酒糟及漿液樣品消化啟動非常快，并且呈現出非常明顯的酸化和產氣過程。其原因很可能是酒糟中粗纖維的質量濃度較低，蛋白質、氨基酸、醇類等易降解物質質量濃度高，這些物質極易酸化，發酵初期底物水解，產生大量的可溶性有機物，產酸菌將水解產物轉變為揮發性脂肪酸[3]，當發酵瓶內不具備足夠的緩沖能力時，即發生劇烈的水解過程，產甲烷菌將受到一定程度的抑制，如圖4中的樣品1所示。由于批式試驗裝置體積較小，在保證一定的發酵濃度下，難以獲得足夠的緩沖空間，酸化過程明顯，并會對后續產氣造成一定的影響。但在實際應用中，由于發酵罐體積通常達到幾千立方米，在連續進料過程中，底物進入發酵罐被稀釋數百倍以上，具有足夠的緩沖空間，因此，極少會發生明顯的酸化過程，其產氣也更穩定。

樣品2復槽酒糟，為二次提酒后剩余的酒糟殘料;樣品3漿液，在酒糟制漿后過濾掉了稻殼等固體殘渣。其有效VS低于原酒糟，因此，酸化過程沒有樣品1劇烈，在經過pH調節后，產甲烷菌活性沒有受到太大抑制，能迅速地將揮發性脂肪酸轉化為CH4和CO2，所以產氣量得以迅速上升。

2.3.2 ?各樣品累計產沼氣量分析

各樣品累計產氣量曲線如圖5所示。計算得出樣品1—3累計TS產氣率分別為：300 mL/g、281 mL/g以及207 mL/g。試驗發酵周期為20天，實際有效發酵周期為16天。厭氧發酵時間反映了物料消化的速率，也是用以指導實際生產中停留時間指標的重要數據，一般地，在批式試驗中，當產氣持續下降、CH4質量分數低于40%時，即認為厭氧發酵停止。

2.3.3 ?各樣品產甲烷質量分數分析

由圖6可以看出，3個樣品度過酸化階段后，在產CH4初期階段，CH4質量分數有一個明顯的上升期，最高峰CH4質量分數為60%～67%，達到高峰后開始緩慢下降，直至低于40%，發酵周期結束。

2.3.4 ?批式試驗小結

（1）酒糟營養豐富，具有較好的產沼氣潛力。在不同階段及不同的處理條件下，酒糟產氣的能力也有所不同。樣品1原酒糟TS產氣率為300 mL/g，樣品2復槽酒糟TS產氣率為281 mL/g，漿液TS產氣率為207 mL/g。

（2）由于樣品1在厭氧初期出現了劇烈酸化，可能引起較為嚴重的抑制作用，推測實際產氣能力應高于本次試驗值。

（3）上述試驗基本論證了3種樣品的產氣能力排序，即原酒糟>復槽酒糟>酒糟漿液。其中，酒糟經制漿并濾除稻殼后，產氣能力下降約26%。推測其原因，在濾除稻殼的過程中，一些附著或包裹在稻殼上的有機物也被濾除，影響了產氣能力。

（4）酒糟原料的發酵周期較短，約為16天，消化速率較快，可以作為實際運行中停留時間確定的依據。

2.4 ?酒糟中稻殼對產氣能力的影響分析

上述結論中提到，保留稻殼的酒糟，其產氣能力較制漿除稻殼后高出約26%，那么稻殼是否有產氣貢獻？稻殼的主要成分為粗纖維和木質素，為了論證纖維素及木質素的降解情況，對復槽酒糟以及發酵后的沼渣進行了半纖維素、纖維素以及木質素的分析，并進行了掃描電鏡拍攝（見圖7）。

從表3中看到，發酵前，半纖維素降解率為25%，主要來源于酒糟中游離的可降解纖維，而纖維素和木質素的降解率分別為-17%和-19%，表明在半纖維素降解的同時，纖維素和木質素并沒有產生同步的降解效果，造成分析數據升高、降解率為負值。

同時，對比圖7的掃描電鏡圖片發現，其結構組織在發酵前后并沒有發生變化。綜上，論證了酒糟中稻殼幾乎不參與厭氧發酵過程，也證明了制漿后產氣能力下降是由于濾除稻殼的同時濾除了其他可降解有機物質。

3 ? ?結語

（1）在酒廠采樣的3種樣品中，產沼氣能力排序為：原酒糟>復槽酒糟>酒糟漿液。

（2）酒糟中含有豐富的易降解物質，是良好的產沼氣原料，但在厭氧發酵初期極易酸化，為了避免批式裝置緩沖不足造成的產CH4抑制影響，需要進一步驗證連續進出料中的試驗結論，進一步驗證產氣潛力。

（3）酒糟中的稻殼無法參與厭氧消化，稻殼不貢獻產氣能力。但是，制漿在濾除稻殼的同時，也會將有效產氣物質濾除，從而使漿液產氣能力降低。

[參考文獻]

[1]周 凱，徐 慧，劉建軍.酒糟生產負荷益生菌飼料[J].山東食品發酵，2014（175）：3-6.

[2]王太濤.酒糟沼氣發酵的基礎研究[J].中國沼氣，2017，35（1）：60-62.

[3]李才輝，馮曉西，烏錫康.MAP法處理氨氮廢水的最佳條件研究[J].上海環境科學，2003，22（6）：389-392.