利用马铃薯薯渣生产车用燃气的实验研究与工艺设计_辛静

发酵瓶
玻璃导管阀3
阀2
阀1
量筒
集气瓶
集水瓶水浴锅
图1
实验装置图
在我国北方大部分地区马铃薯加工主要提取淀粉，制作粉丝、粉条等，其产生大量的薯渣，目前国内生产厂家都将其随废水排放，由于渣量很大，而且渣里含有蛋白质、氨基酸、糖类等物质，很易被微生物所利用，腐败变质后产生恶臭，严重污染环境。

随着沼气厌氧原料越来越丰富，由于薯渣主要成分是残余淀粉和纤维素物质，含有足够产醇和酸的菌类所需的各种营养成分，故本文选用马铃薯薯渣作为沼气发酵的原料，进行车用燃气的制备。

1原料分析
以马铃薯薯渣为主要原料，通过厌氧发酵实验，
研究马铃薯薯渣厌氧发酵产气潜力，考察不同底物浓
度和不同接种物对发酵产气潜力的影响。

因高温发酵和中温发酵在产气周期和产气率上区别较大，故本次实验主要研究单位原料的产气量。

1.1实验材料与设备1.1.1实验原料
发酵原料为甘肃某项目提供的鲜马铃薯薯渣，接种物取自山东青岛某项目的沼渣沼液。

1.1.2实验装置
实验采用的厌氧发酵装置见图1，利用排水集气法计量沼气产量。

每套装置由抽滤瓶、广口瓶和烧杯组成，其中发酵瓶为500mL 抽滤瓶，集气瓶为500mL 广口瓶，集水瓶为500mL 烧杯。

整个厌氧发酵装置放
利用马铃薯薯渣生产车用燃气的
实验研究与工艺设计
辛
静，徐吉磊
（青岛天人环境股份有限公司，山东青岛266101）
摘要：以马铃薯薯渣为原料，进行厌氧发酵实验研究，探讨其产甲烷的潜力，并进行生产车用燃气的工艺研究。

结果表明，马铃薯薯渣是一种良好的发酵原料，其中TS 17%，VS/TS 为95%，每吨VS 产沼气421m 3，每吨鲜料产气68m 3。

关键词:马铃薯薯渣；车用燃气；工艺文章编号：1005-4944（2012）
04-0036-0636
表1
部分原料特性分析结果指标干马铃薯薯渣鲜马铃薯薯渣
冲洗废水含水量/%188396.5总固体TS/%8217 3.5挥发性固体（VS/TS ）
/%81.4
9545pH 值
6.0
5.0
分组实验样品编码
体系物料总量/g
接种物TS/%
体系物料TS/%
接种物加入量/g
原料加入量/g
备注对照组A1、A2500995000接种物方案一
B1、B2500910350142体系物料TS 均
为10%
C1、C2500910250180D1、D2
500910150219方案二
E1、E25009625044.1接种物添加量相
同均为250g
F1、F2
500
9
8
250
102.9
表2
实验编组一览表
在水浴锅中保持35℃恒温进行。

1.2实验设计与方法1.2.1原料物料特性的测定
将马铃薯薯渣（包括干马铃薯渣和鲜马铃薯渣）和废水分别进行物料特性分析，指标包括：含水量（%）、总固体含量（TS ，%）、挥发性固体与总固体比值（VS/TS ，%）和pH 值，测定结果见表1。

结合甘肃某项目实际运行时以鲜马铃薯薯渣为主要原料，小试实验选用鲜马铃薯薯渣作为实验原料。

1.2.2厌氧发酵实验方案
本次实验采用马铃薯薯渣经过实际检测C/N 为45~65∶1，沼气发酵的适宜C/N 比值范围在20～30∶1。

由于马铃薯渣和废水的原料本身接近酸性，且淀粉含量较高极易酸化，容易导致反应初期VFA （挥发性脂肪酸）积累过多而使pH 下降，影响体系产甲烷阶段的启动。

根据资料报道的马铃薯产气潜力研究结果，当接种量为体系总量的30%以上时，可使反应体系保持相对稳定的pH 环境。

因此第一个实验方案设计为接种物加入量70%、50%、30%3个梯度，体系物料总量为500g （表2）。

通过实验方案一发现，接种物50%即可满足实验启动要求，使得反应体系较为稳定，所以将实验方案二的原料配比设计为接种物50%，体系物料TS 分
别为8%和6%2个梯度，体系物料总量为500g （表2）。

实验装置置于恒温水浴锅中保持35℃恒温发酵，相同原料配比的实验组同时分2组进行，实验结果作为对照，以提高实验数据的准确性；为了使实验原料充分混合，实验期间每日至少手工摇动发酵瓶1次。

1.2.3测定项目及方法
TS 值：烘干法测定；VS 值：灼烧法测定；pH 值：pH 计测定。

1.3日产气数据曲线统计表
各实验组日产气数据曲线统计见图2~图5。

1.4实验结果分析
马铃薯渣产甲烷潜力实验有效产气量统计见表3。

方案一中50%接种物的C2和30%接种物的D1、D2实验组因实验启动时酸化调整后仍不产气而停止，
50%接种物的C1过程中多次调整pH 后虽然产气，但最终还是因经常酸化导致不产气而停止实验；
体系物料TS10%实验组的接种物分别为30%、50%、70%，因底物浓度较高，加之小试实验无法监控pH 值变化，导致过程中系统多次酸化，虽然过程中几次人为干预调整pH 值，使得B1、B2、C13组恢复过产气，但是通过曲线图5可以看出，产气量波动较大，具体原因为：（1）调整pH 值时添加的碳酸氢钠会在短时间内释放相对较多的二氧化碳，导致产气量曲线波动较大；（2）碳酸氢钠中和后系统继续出现酸化，影响产气率和产气量。

体系物料TS 10%实验组实验失败。

方案二中体系物料TS 6%和体系物料TS 8%实验组根据体系物料TS 10%的前期实验，选定接种物量
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7
2
3
4
5
610
1
9
11
12
13
14
15
8观察天数/d 日产气量/m L 0
图2
对照组产气曲线
日产气量/m L
观察天数
/d 5006004003002001000
700图3
体系TS 浓度6%
实验组产气曲线
日产气量/m L
观察天数/d
图4
体系TS 浓度8%实验组产气曲线
为50%，TS 为6%和8%，实验过程中6%和8%的实验组pH 值均较稳定，6%的在第9d 调整pH 值一次，8%的无pH 值调节。

通过观察6%和8%的产气曲线和累计产气量，可以看出底物为6%的实验组2组数据差距较大，不宜作为实验数据，需再次进行实验验证数据准确性；底物浓度为8%的实验组产气问题，产气量曲线合理，建议以8%的实验数据为准，每吨鲜马铃薯薯渣的产气量为68m 3，根据前面实验得知马铃薯薯渣TS ：17%，VS/TS ：95%，则每吨VS 产气量为421m 3。

综合分析个别曲线波动较大的原因如下：实验用反应装置无搅拌，过程中仅靠间歇性手工摇动反应瓶混料致使物料混合不均匀导致单位产气率存在差异；其次，反应物料在没有搅拌的情况下会“结壳”，导致部分气体不能排出，只有手动摇动时释放出来。

本实验装置模拟沼气条件，对通气管、反应瓶、集气瓶之间的相互匹配性未做验证和校准，因此会出现
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日产气量/m L 观察天数/d
5006004003002001000
700900800344342414039383736353332313029282732414131211109876524232221201918171615252614445464748
图5
体系TS 浓度10%实验组产气曲线表4
马铃薯薯渣产气参数一览表
原料种类TS/%VS/TS/%每吨VS 产沼气/m 3
pH 值鲜料沼气/m 3·
t -1马铃薯薯渣
17
95
421
6.0
68
分组实验样
品编码原料加入量/g
接种物加入量/g 实验产气量合计/mL
接种物产气量/mL
原料产气量/
mL
折合原料
产气量/m 3·
t -1备注对照组A10
500
4154150—接种物产气量平
均值0.779mL ·
g -1A23643640—方案一
B1142
350
10170272.659897.3569.70B26902272.656629.3546.69C1180
250
6607194.756412.2535.62（过程停止）
C2551194.75356.25实验失败D1219
150
2987116.852870.15实验失败D2
603116.85486.15实验失败方案二
E144.1
250
3167194.752972.2567.4E22066194.751871.2542.43F1102.9
250
7193194.756998.2568.01F2
7597
194.75
7402.25
71.94
表3
实验结果一览表记录的产气量低于物料实际产气量的差异。

1.5实验结果工艺参数
通过实验可以总结出马铃薯薯渣设计数据（表4）。

2工艺设计
2.1设计参数
甘肃省某车用燃气沼气工程是以市区所有淀粉
加工企业所产生的马铃薯薯渣及冲洗废水为原料的
沼气工程，该工程原料比较多样：马铃薯薯渣、牛粪、秸秆等，每日处理量见表5。

2.2处理工艺的选择
本项目实施地点在我国西北地区，年均气温仅为6.3℃，而本项目发酵温度为55℃左右，需选择进料浓度高的工艺以降低生产成本；另一方面该项目以马铃薯渣为主要原料，需要采用能避免浮渣结壳问题的工艺；同时为提高生产效率，该工程还应具备高度自动
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表5原料产气量统计表
原料种类数量/t·d-1TS/%VS/TS/%每吨VS产气量/m3沼气/m3·d-1马铃薯渣545179542137055牛粪10018752383213
冲洗废水462
合计110740268在马铃薯薯渣原料不足的情况下
秸秆30035每千克TS产气0.36m337800牛粪10018752383213
冲洗废水760
合计116041013
化控制功能。

综合考虑以上因素，本项目沼气工程采用“预处理+CSTR厌氧反应器+二次发酵一体化”为核心的处理工艺，并采用SCADA自动控制技术。

该工艺流程的主要特点是：
（1）采用先进、成熟、运行可靠的沼气工程技术，适应企业的发展要求；
（2）在保证沼气工程达到设计要求的前提下，尽量减少投资和运行成本；
（3）设备质量优良可靠，确保运行稳定，具有良好的性价比，创建“放心工程”；
（4）沼气系统力求操作管理简便以降低劳动强度。

2.3主要单元设计
2.3.1预处理单元
针对项目原料特点，预处理部分要考虑牛粪去除原料中较大的杂物、石块、砂子等及秸秆堆放、破碎、酸化问题，保证后续工程的正常运行。

2.3.2厌氧发酵单元
调配池输送过来的物料通过搅拌机搅拌，实现物料与厌氧微生物充分接触，采用高温发酵（发酵温度为52~55℃），TS浓度为10%~12%，罐体采用拼装罐形式制作，拼装材料为Q235材质钢板，通过ECPC工艺进行防腐处理。

罐内有立式搅拌器、换热系统，罐体采用保温板加彩钢板进行保温。

CSTR厌氧反应器主要设计参数：
有效容积：3000m3；
结构形式：ECPC拼装罐；
数量：4座。

为了保证原料厌氧反应完全，提高产气效率，通过管道阀门控制既可以串联厌氧反应器，又可以实现并联厌氧反应器，二次发酵罐上部空间能存放部分沼气，平衡沼气生产和需求。

二次发酵罐采用ECPC拼装罐体结构，安装在罐体上方的柔性干式气柜，贮存来自CSTR厌氧罐及二次发酵罐内的沼气。

柔性顶盖为半球形，材质采用沼气专用PVC涂层布，不漏气、防火、抗老化。

每个二次发酵罐中安装2台侧搅拌机，用来保证原料在反应罐内的混合状态，避免沉降。

二次发酵一体化主要设计参数：
有效容积：2000m3+1500m3；
结构形式：ECPC拼装罐+气柜；
数量：4座。

2.3.3生物脱硫单元
马铃薯薯渣、牛粪、秸秆中含有一定量的有机蛋白成分，因此经厌氧反应产生的沼气中含有一定浓度的H2S，因后续车用燃气的CO2脱除工艺需要H2S控制在100mg·L-1内，故需先对所产生的沼气进行脱硫处理。

本工程采用低能耗的生物脱硫塔工艺，塔中装填有生物填料，脱硫菌在这里生长。

当沼气伴着少量的空气通过过滤层时，利用空气通过生物降解过程将H2S氧化为亚硫酸，降低沼气中的H2S含量，满足后续处理单元的要求。

含有硫的剩余滤液将会被抽到后存储罐中，可以混入沼肥中作肥料使用。

生物脱硫塔主要设计参数：
有效容积：70m3；
结构形式：玻璃钢材质；
数量：2座。

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2.3.4沼气净化单元
沼气净化采用适合于较低CO2分压下位阻胺（NCMA）法，它采用具有位阻效应的活性胺与常规醇胺复配组成复合胺溶液即MA溶液。

该溶液有常规胺法脱碳溶液的优点，且克服了他们的缺点，对CO2具有物理吸收和化学吸收的双重性能，有良好的节能效果和较高的净化度。

沼气净化单元主要由吸收塔和再生塔组成，沼气经过吸收塔后，CO2被复合胺溶液吸收形成富液，净化后的气体中CH4气体的含量超过95%，吸收完CO2后的富液经过再生塔将吸收的CO2气体释放出来后形成贫液，贫液又可以继续用来净化气体，从而形成一整套净化系统。

2.3.5沼气存储单元
本单元可以保证后续压缩单元运行的连续性，对设备有一定的缓冲作用，避免因气量过大或过小对后续压缩单元造成冲击，损坏设备。

当压缩单元出现故障后，可以保证沼气存储9h，而不至于因压缩单元出现问题，而把沼气全部燃烧掉，造成浪费。

本工程日产沼气约40000m3，净化压缩后由输送撬装车外运，压缩后体积缩减为20000Nm3，每日外运3次，按大于20％的产气量进行缓存，设立3000m3的独立气柜1座+1500m3二次发酵罐罐顶气柜4座，主要由增压系统、泄露检测系统和气柜容量检测系统等组成。

2.3.6沼气压缩单元
净化后的气体收集到独立气柜中，经压缩机压缩达到车用燃气标准，由加气柱给输送撬装车加气，撬装车每次运输4000Nm3燃气，每次加气4~5h。

沼气压缩机主要参数：
型号：W-10.5/250；
压缩能力：600m3·h-1；
功率：185kW；
数量：3台。

2.3.7其他单元
项目除了以上主要单元外还需要考虑消防、通信、除臭等单元的设计。

3应用前景
本工程占地面积为4.67hm2，总投资为7500万元，其中：土建部分为2000万元，设备及监控部分4500万元，安装工程及其他部分为1000万元。

项目收益为：2300万元·a-1；处理成本为：1000万元·a-1；回收期5~6年。

据相关数据统计，我国马铃薯2007年总产量达8000多万t，种植面积566.67万hm2，产量和面积均占到世界22%，我国已经成为马铃薯生产和消费大国，随着马铃薯淀粉产业的发展，其副产品薯渣的产量越来越大。

所以推广该项目存在很大的发展空间。

4结论
（1）原料供应限制，由于马铃薯薯渣生产期只有3个月，为了保障项目在生产淡季的供应，用秸秆来弥补产气的制约；
（2）实验表明：马铃薯薯渣TS17%，VS/TS95%，每吨VS产沼气421m3，每吨鲜料产气68m3；
（3）采用CSTR高温厌氧发酵是可行的。

参考文献：
[1]孙传伯，李云，廖梓良，等.马铃薯皮渣沼气发酵潜力研究[J].现代
农业科技，2008（2）：8-9.
[2]刘玮，李兰红，孙丽华.马铃薯渣综合利用研究[J].粮油食品科技，
2010（4）：17-19.
作者简介：辛静（1983—），高级工程师，主要研究方向：沼气工程的厌氧发酵技术。

收稿日期：2012-06-06
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