马铃薯渣与鸡粪混合原料厌氧发酵条件优化

马铃薯渣与鸡粪混合原料厌氧发酵条件优化
杨安逸;晏磊;王彦杰;高亚梅;王伟东
【摘要】以混合后的马铃薯渣和鸡粪为原料,研究了其总固形物含量(TS)、起始pH以及接种量3个因素对厌氧发酵甲烷产量的影响,并利用正交试验对影响沼气产量和甲烷含量的因素进行了优化.结果表明,在初始TS为3％的处理中,产气时间、产气量和甲烷含量分别为7d,383.2 mug和45.3％,在所有处理中最高;在初始pH 为7.0的处理中,产气时间、产气量和甲烷含量分别为7d,342.5 mL/g和45.2％;在接种量为5％,8％,10％和12％的处理中,后两种处理在沼气产量和甲烷含量方面表现最好,产气量分别为368.4 mL/g和405.4 ml/g,12％处理的产气量最高.优化结果表明,3个因素对厌氧发酵影响的重要性为TS＞pH＞接种量,最适合的组合为初始TS 3％,pH 7.0和接种量10％.在此优化培养条件下,发酵体系的产气量为383.2 mL/g.
【期刊名称】《可再生能源》
【年(卷),期】2015(033)003
【总页数】6页(P442-447)
【关键词】马铃薯渣;鸡粪;沼气;甲烷;发酵参数优化
【作者】杨安逸;晏磊;王彦杰;高亚梅;王伟东
【作者单位】黑龙江八一农垦大学生命科学技术学院,黑龙江大庆163319;黑龙江八一农垦大学生命科学技术学院,黑龙江大庆163319;黑龙江八一农垦大学生命科学技术学院,黑龙江大庆163319;黑龙江八一农垦大学生命科学技术学院,黑龙江大庆163319;黑龙江八一农垦大学生命科学技术学院,黑龙江大庆163319
【正文语种】中文
【中图分类】TK6;S216.4
0 引言
2010年，我国马铃薯种植面积与产量分别达到500多万hm2和8 154万t，全国精淀粉年加工能力为200万t左右[1]，由马铃薯渣引起的污染越来越严重。

马铃薯渣中含有淀粉、纤维素、半纤维素、果胶、游离氨基酸、寡肽、多肽等营养物质[2]，[3]，可被产甲烷菌利用产生沼气。

因此，沼气化处理是治理马铃薯渣环境污染的有效途径。

马铃薯渣碳氮比高、易酸化、基本不携带产甲烷菌，单独以马铃薯渣为原料发酵难以产生沼气。

研究人员采用混合原料和接种污泥等方法解决马铃薯渣难以生产沼气的问题[4]，[5]。

Xie以经过富集的活性污泥作为接种物，利用α-淀粉酶和糖化酶对马铃薯渣进行预处理，厌氧发酵产氢后，接入产甲烷菌进行发酵，甲烷产量达到157.9 mL/g[6]。

W.Parawira发现，当马铃薯渣总固体浓度为40%时，甲烷产量最大达到了0.32 L/g，若将甜菜叶与马铃薯渣混合，可以将产气量提高32%～60%，单一以马铃薯渣作为原料发酵的产气量明显低于混合原料[7]。

Pornpan Panichnumsin采用猪粪与木薯渣为原料，在37℃下恒温发酵，接种物为100%的猪粪厌氧发酵液，猪粪与木薯渣初始比例为80∶20，用逐渐减少猪粪比例的方式驯化发酵体系，直至以纯木薯渣为原料，结果发现，当木薯渣与猪粪比例为40∶60时，产气量达到最高，比猪粪单独产气增加41%[8]。

本试验以混合后的马铃薯渣与鸡粪为发酵原料，研究发酵条件对沼气发酵的影响，并对影响沼气发酵的主要因素进行了优化，为马铃薯渣的无害化处理和资源化利用提供基础数据。

1 原料与方法
1.1 试验原料
沼气发酵原料为马铃薯渣（北大荒薯业集团）和鸡粪（黑龙江八一农垦大学试验鸡场），原料的理化性质如表1所示。

新鲜马铃薯渣和鸡粪取回后于-20℃冷冻保存。

根据前期的试验结果，当鸡粪添加量为40%时产气效果最好，甲烷含量高，同时COD去除率达到49.1%，碳氮比为23.4，说明当鸡粪与马铃薯渣的混合比例（体积比）为40∶60时，整个体系具有高效稳定地降解有机废物的能力。

因此，本试验原料按照此比例混合处理。

表1 马铃薯渣和鸡粪的理化性质Table 1 The physicochemical properties of potato residues and chicken feces原料pH COD/mg·L-1TS/% VS/%
TC/mg·g-1TN/mg·g-1 纤维素/mg·g-1 半纤维素/mg·g-1 木质素/mg·g-1 淀粉
/mg·g-1马铃薯渣 4.3 21 357 12.7 11.2 412.95 1.39 215.59 242.29 81.93 439.19鸡粪 7.7 88 324 27.3 21.8 311.28 37.64 - - - -
1.2 试验方案
（1）发酵初始 TS
发酵体系的体积为700 mL。

设定初始TS为2%，3%，5%，8%（VS分别为
1.8%，
2.6%，4.4%，7.1%）4个处理，每个处理3次重复。

初始pH值为7，接种物为旺盛发酵的沼液，接种量为10%，在35℃下于振荡培养箱中以120 r/min 振荡培养7 d，用集气袋收集气体。

每天测定发酵体系中pH值变化、COD去除率，以产气量作为检测指标，测定甲烷含量。

发酵体系的体积和测定指标下同。

（2）发酵初始 pH
原料与自来水混合后的pH为7.0，采用盐酸和氢氧化钠调节起始 pH 值为 6.0，6.5，7.0，7.5，8.0，3次重复。

初始TS为3%，接种量为10%，在35℃下以120 r/min振荡培养7 d。

（3）接种量
接种物为旺盛发酵的沼液，设定接种量为5%，8%，10%，12%，3次重复。

初
始pH值为7，初始TS为3%，在35℃下以120 r/min振荡培养7 d。

为避免接
种物对产气量的影响，通过计算每个处理的总VS，得出各个处理的VS产气率，
将不同VS比例的接种物沼气量的影响从总产气量中减去。

（4）混合原料沼气发酵工艺参数优化
根据以上单因素试验结果，对整个工艺进行优化。

以开始产气至整个反应体系停止产气为止作为一个周期，在35℃下120 r/min振荡培养。

每组做3个平行样。

每天测定发酵体系中pH值的变化、COD去除率，以产气量作为检测指标，测定甲
烷含量。

1.3 各发酵指标的测定
利用排水法测定产气量，通过沼气分析仪（Biogas，Geotechical Instruments （UK）Ltd）测定沼气中甲烷含量；每天取样，测定pH值（梅特勒-托利多实验
室pH计FE20）；COD去除率测定方法参照文献[9]。

计算公式如下：
产气量=总沼气产量/总固体质量
日平均产气量=总沼气产量/发酵天数
日平均甲烷产量=（总甲烷产量/总固体质量）/发酵天数
2 结果与分析
2.1 混合原料初始TS对沼气发酵的影响
（1）沼气产量与甲烷含量
如图1，2所示，初始TS为3%和5%两组处理的沼气产量基本无明显差别，日平均产气量为555.6 mL，高于其他两组处理，初始TS为8%处理的产气效果最差。

初始TS为3%处理的甲烷产率最高，为383.2 mL/g，日平均产气量为555.6 mL。

初始TS为3%和5%两组处理在发酵进行到第8天时停止产气，初始TS为2%处
理在第7天停止产气，初始TS为8%处理进行到第5天时就停止产气。

随着发酵进程的推进，甲烷含量开始增加，当产气高峰过后，甲烷含量急剧下降。

初始TS
为2%~5%时，甲烷含量随着TS的增加而增加，当超过5%后，甲烷含量开始降低。

初始TS为3%与5%处理的甲烷含量没有显著差异，最高分别达到45.3%和44.8%，初始TS为2%处理的甲烷含量略低于前两组处理。

而初始TS为8%处理的甲烷含量显著低于其他3组，并且在发酵第1天时没有甲烷产生，产气持续时
间也明显减少。

经计算，初始TS为3%处理的产气量最高，为383.2 mL/g。

图1 混合原料不同初始TS对沼气产量的影响Fig.1 The effect of initial TS on biogas yield
图2 混合原料不同初始TS对甲烷含量的影响Fig.2 The effect of initial TS on methane concentration
（2）pH 变化
如图3所示，除初始TS为8%的处理外，其他3个处理pH变化不剧烈，pH为6.0~7.0，都在产气正常范围内。

而初始TS为8%的处理在发酵进行到第5天时，pH开始下降到6.0以下，逐渐偏离正发酵范围，此时停止产气，并且在整个发酵过程中pH一直低于其他处理。

图3 不同发酵初始TS浓度对pH的影响Fig.3 The effect of initial TS on pH of fermentation system
由于马铃薯渣极易受酸化影响，使原料的pH下降而造成发酵受到抑制[10]，但混合发酵可以改善酸化的抑制作用并提高产气量[11]。

Weiland利用马铃薯泥（TS
为18%~21%）或挤压后的马铃薯渣（TS为14%~18%）作为原料进行沼气发酵，产气量达到300~500 m3/t（干重），有机物降解率达到50%~70%[12]。

本试
验在初始TS高于5%以后即出现酸化抑制现象。

因此，在以湿法进行马铃薯渣沼
气厌氧发酵时，初始TS不宜超过5%，超过该值后，原料的流动性变差，酸化严
重，产气受到影响。

而原料的初始TS过低，又会降低产气量，因此，适宜的初始TS为3%~5%，这与Weiland的结果不同[12]。

2.2 混合原料初始pH对沼气发酵的影响
（1）沼气产量和甲烷含量
如图4所示，随着发酵的进行，各个处理的沼气产量呈现下降的趋势。

初始pH为6.0的处理在第6天停止产气，初始pH为7.5，8.0的处理均在第7天停止产气，而初始pH为7.0的处理在第8天停止产气，日平均产气量为517 mL。

从沼气产量来看，初始pH为7.0的处理产气效果最好，产气量为342.5 mL/g。

如图5所示，各个初始pH处理的甲烷含量随着发酵的进行呈上升趋势，且随初始pH的升高，甲烷含量呈增加趋势，当初始pH为7.0以上时，各组无明显差别。

初始pH
为7.0的处理发酵至最后1 d时，甲烷含量最高为45.2%。

因此，从产气量和甲
烷含量角度考虑，混合原料的初始pH7.0为最佳。

图4 混合原料不同初始pH对沼气产量的影响Fig.4 The effect of initial pH of mixed feedstock on biogas yield
图5 混合原料不同初始pH对甲烷含量的影响Fig.5 The effect of initial pH of mixed feedstock on methane concentration
（2）pH 变化
根据图6的pH变化曲线，虽然初始pH不同，但是在整个发酵过程中所有处理的pH一直维持在6.0~7.0，在适合产气的pH范围内。

不同处理的pH变化趋势存
在差异，初始pH为6.0和6.5的处理变化不显著；初始pH为7.0以上的处理发酵第1天后，pH下降值都超过0.5，而初始pH为7.5和8.0的处理发酵至第3
天后变化才趋于平缓。

结合产气量和甲烷含量变化，初始pH 7.0~7.5为好。

图6 不同发酵初始pH对pH的影响Fig.6 The effect of initial pH of feedstock on pH of fermentation system
随着初始pH的增加，各处理的甲烷含量有所增加，初始pH为7.0处理的产气持续时间高于6.0，7.5和8.0处理，其产气量也高。

虽然在初始pH为6.0~8.0都
可以产气，但是涉及到调节pH的发酵成本，选取最适宜的初始pH为7.0。

2.3 接种量对沼气发酵进程的影响
（1）产气量和甲烷含量变化
由图7可知，随着发酵的进行沼气产量呈现下降趋势。

接种量为5%和8%的处理分别在第5天和第6天停止产气，二者的沼气产量显著低于其他两个处理。

接种
量为10%和12%的处理都在第8天停止产气，二者总产气量分别为3 840 mL和
3 775 mL，且最高日产气量也非常接近。

由图8可知，甲烷含量变化呈现两种情况，接种量为8%以下的处理，发酵后的
4 d内随着发酵的进行甲烷含量增加，第4天后甲烷含量急剧下降，不能持续。

接种量为10%和12%的处理，产气结束前
甲烷含量不断上升，最高甲烷含量分别为45.6%和44.8%，二者差异不大；产气
量分别为368.4 mL/g和405.4 mL/g。

因此，接种量以12%为好。

图7 不同接种量对沼气产量的影响Fig.7 The effect of different inoculation
rate on biogas yield
图8 不同接种量对甲烷含量的影响Fig.8 The effect of different inoculation
rate on methane concentration
（2）pH 变化
由图9可知，随着发酵的进行pH呈逐渐降低趋势。

接种量为5%的处理在发酵进行到第4天后，pH下降到6.0以下，第5天停止产气。

接种量为8%的处理pH
变化趋势与5%处理相似，在第6天停止产气。

接种量为10%和12%处理发酵液
的pH一直维持在6.3~6.5的适宜产气范围内，没有酸化到影响产气的程度。

因此，理想的接种量为10%。

图9 不同接种量对pH的影响Fig.9 The effect of different inoculum rate on
pH of fermentation system
2.4 混合原料沼气发酵工艺优化
根据以上各单因素的试验结果，设计正交试验，对整个沼气发酵工艺进行优化，以甲烷产量作为最终衡量指标。

如表2所示，本文采用3因素3水平〔L9（33）〕
正交试验。

表2 因素水平表Table 2 The table of different factors and levels水平接种量/% TS/% 初始pH 1 8 2 6.5 2 10 3 7.0 3 12 5 7.5
（1）工艺优化直观分析
由表3的直观分析可知：随着接种量和初始pH逐渐增大，甲烷产量逐渐增加。

因素的极差R越大，说明该因素对甲烷产量的影响越可靠。

在3个因素中，接种量
和初始pH的R值比较接近，TS的R值远远高于前两个，所以需要进一步进行方
差分析。

表3 正交试验直观分析Table 3 The intuitive analysis of orthogonal test注：
k1，k2，k3代表各水平均值；R代表极差。

因素日平均甲烷产量接种量/% 初始pH TS/% mL/（g·d）1 8 6.5 3 3.665 2 8 7.0 5 3.729 3 8 7.5 7 0.533 4 10 6.5
5 2.950 5 10 7.0 7 0.447
6 10 7.5 3 6.615
7 12 6.5 7 0.396
8 12 7.0 3 7.16
9 9 12 7.5 5 4.460 k1 2.642 2.337 5.816 k2 3.347 3.792 3.713 k3 4.008 3.869
0.469 R 1.336 1.532 5.347编号
（2）工艺优化方差分析
通过表4的方差分析可以发现，3个试验因素均未达到显著水平，各因素的F值为初始TS＞初始pH＞接种量，说明初始TS影响最大，其次是初始pH，影响最小
的是接种量。

在试验设计的接种量和pH范围内，二因素对体系的甲烷含量无明显影响，整个发酵体系对pH的缓冲能力比较强，可以实现马铃薯渣与鸡粪混合发酵生产沼气。

表4 正交试验方差分析Table 4 The variance analysis of orthogonal test因素
平方和自由度 F值 F0.05（2，6） F0.01（2，6）显著性接种量 2.800 2 0.165 5.140 10.900 不显著初始pH 4.470 2 0.264 5.140 10.900 不显著TS 43.547 2
2.571 5.140 10.900 不显著
3 讨论与结论
马铃薯淀粉加工废渣是一种泥状混合物，当TS浓度超过5%后，流动性极差，发
酵会受到很大的影响。

因此，探讨原料TS对于产气的影响具有重要的意义。

本试验研究发现，在一定程度上提高底物浓度有利于产气量的提高，但超过范围后对产气有抑制作用。

产生这种现象可能是因为当底物浓度增大后，酸化严重，致使发酵液pH下降到甲烷菌难以耐受的程度，产气时间缩短。

试验选取TS在3%~5%是
合适的范围，最适宜的起始pH为7.0。

提高污泥的接种量有利于快速启动厌氧发酵，提高产气量和甲烷含量。

当接种量过低时，会引起整个发酵反应停止。

产生这种现象，可能是因为发酵环境本身pH很低，接种量变低后，初始发酵的产甲烷菌含量过低，产甲烷菌繁殖时间过长，当整个反应体系酸化程度不断提高后，甲烷菌已经无法生长，进而造成反应停止。

本试验只有当接种量达到10%或以上时，才能维持较长的产气时间。

因此，以马铃薯
渣类废弃物为原料进行厌氧发酵，大的接种量是保证发酵体系顺利启动和维持较长产气时间的关键。

针对发酵工艺的优化方案，TS为3%时明显好于其他处理，pH为7.0和7.5时无明显差异，接种量为10%的处理产气量最高。

初始TS是对沼气发酵影响最大的因素，其次是初始pH和接种量。

所以，在鸡粪与马铃薯渣以40∶60（体积比）混
合发酵时，初始TS 3%、初始pH 7.0、接种量10%为优化的最佳发酵条件。

参考文献：
[1] 赵萍，张珍.马铃薯渣生料发酵饲料生产[J].食品与发酵工业，2001，27（3）：
82-84.
[1] Zhao Ping，Zhang Zhen.Raw potato waste fermented feed production [J].Food and Fermentation Industries，2001，27（3）：82-84.
[2] Parawira W，Murto M，Read JS，Mattiasson B.Profile of hydrolases
and biogas production during two-stage mesophilic anaerobic digestion of solid potato waste[J].Process Biochemistry，2005，40（9）：2945-2952. [3] Frank Mayer.Potato pulp：properties，physical modification and applications[J].Ploymer Degradation and Stability，1998，59（3）：231-235.
[4] Banks CJ，Humphreys PN.The anaerobic treatment of a ligno-cellulosic substrate offering little natural pH buffering capacity[J].Water Sci Technol，1998，38（4/5）：29-35.
[5] Prasad Kaparaju，Jukka Rintala.Anaerobic co-digestion of potato tuber and its industrial by-products with pig manure [J].Resources，Conservation and Recycling，2005，43（2）：175-188.
[6] Binfei Xie， Jun Cheng， Junhu Zhou.Production of hydrogen and methane from potatoes by two-phase anaerobic fermentation
[J].Bioresource Technology，2008，99（13）：5942-5946.
[7] Dan Brown，Yebo Li.Solid state anaerobic co-digestion of yard waste and food waste for biogas production[J].Bioresource Technology，2013，127（127）：275-280.
[8] Pornpan Panichnumsin， Annop Nopharatana， Birgitte
Ahring.Production of methane by co-digestion of cassava pulp with various concentrations of pig manure[J].Biomass and Bioenergy，2010，34
（8）：1117-1124.
[9] Bernd Linke.Kinetic study of thermophilic anaerobic digestion of solid wastes from potato processing[J].Biomass and Bioenergy，2006，30（10）：892-896.
[10]Kang H，Weiland P.Ultimate anaerobic degradability of some agro-industrial residues[J].Bioresource Technology，1993，43（2）：107-111. [11]Vitaliy Kryvoruchko，Andrea Machmüller， Vitomir Bodiroza，et
al.Anaerobic digestion of by-products of sugar beet and starch potato processing[J].Biomass and Bioenergy，2009，33（4）： 620-627.。