2017, Vol. 38
醋糟是以玉米、 高粱等淀粉质原料为主料经固态发酵法酿造食醋后，固液分离产生的残渣，其主要成分是稻壳、 谷糠、 高粱壳中的木质纤维素类物质，同时含有大量的未被降解利用的淀粉、 蛋白质、 粗纤维和非蛋白氮等组分，其中粗蛋白质6%~10%、 粗脂肪2%~5%、 无氮浸出物20%~30%、 灰分13%~17%、 钙0.25%~0.45%、 磷0.16%~0.37%，营养丰富，有很大的利用价值.我国醋糟产量巨大，山西省食醋行业每年产生的醋糟为300万t左右[1]，以镇江香醋闻名的江苏镇江恒顺酱醋有限公司每年产生的醋糟也达260万t左右[2].目前，国内醋糟的主要处理方式为直接作为垃圾进行填埋处理，但是，醋糟的酸性大、 腐烂慢，易造成严重的环境污染，其处理处置是城市环境治理的一大难点[2].
醋糟的资源化利用是解决制醋行业环境污染问题的最佳出路[3].目前，醋糟资源化利用的主要途径为制作饲料、 食用菌栽培料和植物无土栽培基质[1]，也有部分关于醋糟在生产有机肥、 酿造酱油和食醋(重复利用)方面的相关报道[4].这些方式虽然可以在一定程度上实现醋糟的资源化利用，但是由于其较高的烘干成本以及较小的需求量，并不能实质上解决醋糟的不恰当处理处置对城市环境造成的污染[5].因而，有必要针对醋糟易酸化且含有大量难降解纤维素类物质的特性，进一步开发醋糟处理处置的新技术以实现其中有机废弃物资源的综合利用.
醋糟厌氧消化技术具有产能和治污相结合的优点，无论是从解决环境污染还是从资源综合利用的角度看都是极具前景的[6, 7].目前，关于醋糟厌氧消化的研究相对较少.魏本平等[6]研究了温度对醋糟干发酵产沼气的影响，并分析了醋糟干发酵的可行性，其实验结果表明，醋糟是良好的干发酵产沼气的原料，反应的最佳温度为35℃.侯雨等[8]以沼气工程车间沼液为接种物验证了醋糟厌氧消化系统的可行性，其利用醋糟为发酵原料进行了连续进料和序批式沼气发酵实验研究，连续进料条件下平均产气率为0.918 m3·(m3·d)-1，最高产气率可达1.111 m3·(m3·d)-1.序批式实验结果表明，醋糟厌氧发酵的体积上浮和膨胀非常明显，当进料浓度为4%时，料液最大膨胀体积为322.68 cm3，为发酵料液体积的28.8%.Wang等[9]研究了酸预处理和碱预处理对醋糟厌氧发酵产氢性能的影响，发现碱处理能够有效提高氢气产量.
有机负荷作为研究醋糟厌氧消化的最基本参数，是进行系统的醋糟厌氧消化研究的基础.因此，本研究采用醋糟的中温产甲烷潜力测试实验(biochemical methane potential,BMP)，考察不同有机负荷对醋糟厌氧消化反应器启动阶段的影响； 在此基础上，分析醋糟的酸化预处理(即不断提高有机负荷使得醋糟完全酸化)对厌氧消化过程中有机物的降解和转化的促进潜力，以期为确定醋糟厌氧消化的最优前处理及启动工艺条件提供技术支撑.
1 材料与方法 1.1 原料实验中的醋糟取自江苏某香醋厂，pH值为3.91，TS为27.7%，VS为24.1%，VS/TS为87.2%.以干基计的蛋白质含量为11.3%，脂质含量为5.6%，多糖含量为7.6%，纤维素含量为33.1%，半纤维素含量为20.9%，木质素含量为18.8%，灰分为3.5%，C/N为27.6.表 1为原料(醋糟)的元素分析结果.
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表 1 原料(醋糟)元素分析结果 Table 1 Elemental analysis of raw material (vinegar residue) |
BMP实验中所用接种泥取自稳定运行的酒糟厌氧消化反应器，其中的微生物经过了驯化应更适合于木质纤维素类物质的降解.接种泥的TS为5.82%，VS为5.12%，VS/TS为87.94%.
1.2 BMP实验方案分别设置接种物与基质VS比为1：1、 1：2、 1：3、 1：4这4种处理条件，每个处理条件3组平行，并同时设置空白对照组.以有效容积为600 mL的双孔塞玻璃瓶作为厌氧反应器(AMPTS Ⅱ，bioprocess control，瑞典).根据实验设计条件的不同，在反应器中分别投加相应量的接种污泥和醋糟底物(表 2).每个反应器中加蒸馏水补齐至350 g后，用双孔塞和止水夹密封，并将反应器用真空泵抽真空后，用氮气吹脱3 min以进一步去除上层空间和溶液中的空气.反应器置于37℃水浴锅中，搅拌设置为5 min工作，5 min停止，在反应器运行过程中，采集累积甲烷产量和产甲烷速率的数据.有机负荷过高而导致产甲烷性能下降乃至停止的实验组即作为酸化预处理实验组.
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表 2 BMP实验运行参数 Table 2 Operational parameters of BMP experiments |
1.3 测试方法
研究中所使用的全自动产甲烷潜力测试仪(AMPTS Ⅱ，bioprocess control，瑞典)能记录并测定累积甲烷产量和产甲烷速率.实验结束后反应器中样品的pH 值通过pH计(S210，梅特勒，瑞士)测定.样品取出并稀释离心后，上清液经0.45 μm和0.22 μm滤膜过滤，分别测定其中的挥发性脂肪酸 (VFAs，GC，岛津，日本)和有机酸(HPLC Infinity 1260，Agilent，美国).氨氮含量通过使用凯氏定氮仪(9860，海能，中国)的滴定法测定.样品干重中半纤维素、 纤维素和木质素的含量根据范式洗涤法通过粗纤维测量仪(F800，海能，中国)测定.
使用热重分析仪(Discovery TGA，TA，美国)进行失重曲线分析，所用坩埚材质为Al2O3，热天平保护气为高纯氮，流量为20 mL·min-1，升温程序为: 以20℃·min-1的速率从50℃升温至900℃.X-ray Diffraction (XRD)分析使用X射线衍射仪(布鲁克，德国).样品研磨至微米级粉末，扫描范围为5°~50°，扫描速率为4(°)·min-1.红外光谱分析(Infrared Spectra Analysis)所使用的仪器为傅里叶红外光谱仪(5700，Nicolet，美国).红外扫描范围为400~4 000 cm-1每组样品重复取样3次取扫描后平均值，以避免样品不均匀带来的偏差.
2 结果与讨论 2.1 不同有机负荷条件下的产气性能分析如图 1所示，在启动过程中，有机负荷(以VS计，下同)为1.78 g·(L·d)-1(接种物与基质VS比为1：1)的条件下，甲烷化过程没有受到抑制，产甲烷过程持续进行，且在第5 d起进入稳定产甲烷阶段，所产气体中的甲烷含量为65%，到产气完成，累积甲烷产量达到了2 250mg·L-1，产甲烷潜力为347.89 mL·g-1.而在其他条件下，厌氧消化系统的产甲烷性能均受到了不同程度的抑制，在实验启动4 d内相继停止，并最终出现甲烷化反应被完全抑制的现象，即当有机负荷大于3.56 g·(L·d)-1的情况下，产甲烷过程受到严重抑制并最终停止进行，直至实验终止.
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图 1 不同有机负荷条件下的累积甲烷产量 Fig. 1 Cumulative methane production under different organic loads |
VFAs 是厌氧消化过程中有机物降解时产生的重要中间产物，是产甲烷菌产甲烷所需的基质，因而是评价厌氧消化体系稳定性的重要参数.当系统中产生的VFA 不能及时转化为甲烷时，会导致酸累积，使pH 值下降，进而影响产甲烷菌的活性.
由图 2可知，在接种物与基质VS比为1：1的条件下，没有出现VFAs的累积，而在1：2、 1：3和1：4这3个工况条件下，都出现了明显的VFAs累积，其中以乙酸(45%~60%)和丙酸(35%~40%)为主.且随着物料质量的升高，VFAs累积量逐渐升高，产甲烷过程逐渐受到更明显的抑制.在接种物与基质VS比为1：4的条件下，VFAs 累积程度最高，浓度达到13 546.85mg·L-1，因而也可以作为醋糟酸化预处理的有效条件来考虑.
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取样时间：产气终止时 图 2 不同有机负荷条件下，液相中的VFAs浓度及其组成 Fig. 2 Concentrations and compositions of VFAs in liquid phase under different OLRs |
pH随着有机负荷的提高而呈逐渐下降的趋势.由表 3可以看出，接种物与基质VS比为1：1时的pH值为7.04，处于产甲烷菌的最佳pH值范围(6.8~7.2)[10].该条件下，产甲烷过程能够持续稳定的进行.随着有机负荷的提高，VFAs和其它有机酸的累积量增大，pH值越来越低，产甲烷抑制现象明显.
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表 3 BMP实验中不同有机负荷条件下的pH值(产气终止时) Table 3 The pH of BMP experiments under different organic loading rates(sampled when gas production stopped) |
2.2.2 有机酸
醋糟中含有大量的草酸、 苹果酸、 乳酸、 琥珀酸等有机酸[11]，其在厌氧消化过程中的变化在很大程度上会影响厌氧消化的进程.在接种物与基质VS比为1：1和1：2的工况条件下，均未检测到其它有机酸，表明该有机负荷条件还比较适合于乙酸化.随着有机负荷的提升，有机酸含量逐渐升高，当接种物与基质VS比为1：4时(图 3)，草酸、 苹果酸、 乳酸、 琥珀酸这4种有机酸累积明显，其中以乳酸浓度最高，平均浓度达2 650mg·L-1.醋糟中碳水化合物含量高，而不断升高的有机负荷，会导致系统由于产酸菌和甲烷菌之间平衡作用的破坏而出现pH的下降，同时适合于乳酸发酵[12, 13].因而，如将酸化预处理的有机负荷定为7.12 g·(L·d)-1(接种物与基质VS比为1：4)时，同步发酵产生的高浓度的乳酸和乙酸可在两相厌氧消化(酸化段+产甲烷段)的甲烷段中迅速转化为甲烷，并提高产甲烷效率.而且，此条件下产生的高浓度的乙酸和乳酸还可以作为碳源补充到污水处理的反硝化阶段，促进脱氮除磷.
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图 3 接种物与基质VS比为1：4时，液相中的有机酸浓度 Fig. 3 Concentration of organic acids in liquid phase when the inoculum to substrate ratio was 1：4 |
如图 4所示，在醋糟厌氧消化过程中，半纤维素、 纤维素和木质素均被降解，其中半纤维和纤维素的降解率较高，木质素的降解率较低.当接种物与基质VS比为1：1时，半纤维素、 纤维素和木质素的降解率最高，随着有机负荷的升高，降解率也随之降低.但接种物与基质VS比为1：4时，半纤维素的降解率突然升高，达到45%，结合该条件下较低的pH(pH=3.98)，以及乳酸和乙酸同步发酵的现象，可以初步确定两种发酵途径的同步促进有利于醋糟中碳水化合物类物质的降解，同时，较高的终产物(乙酸和乳酸)的浓度还不能对发酵微生物(乙酸和乳酸发酵微生物)产生抑制作用.
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图 4 不同有机负荷条件下的半纤维素、 纤维素、 木质素降解率 Fig. 4 Degradation rates of hemicellulose,cellulose and lignin under different OLRs |
热重法可以通过检测生物质在升温过程中挥发分的释放量情况，通过热重曲线(differential thermal gravity,DTG曲线)得到热解过程中生物质的最大反应速率及与之对应的最大反应温度，从而对生物质中有机物成分进行分析[14].
从所有样品的DTG曲线可以看出(图 5)，醋糟的热解分为3个阶段.50~200℃为第一阶段，该阶段主要是醋糟中的水分挥发过程，在低于100℃时，醋糟失去表层水，在高于100℃时，醋糟的内部结合水逐渐失去[15]，释放出小分子量的化合物,如H2O、 CO 和CO2 等.这一阶段的DTG曲线出现了两个峰，与DTG的失重速率有着明显的对应，且该阶段醋糟失重量较少.从200~400℃是第二阶段，这一阶段主要是醋糟中的纤维素、 半纤维素大量分解及木质素软化和分解，生成大量的挥发分[16, 17]，DTG曲线出现了明显的峰形变化: 该阶段是最主要的热解阶段，DTG曲线出现了2个峰，在290℃时达到一个最高峰，这主要是由于纤维素和半纤维素的热解产生的，其后在380℃时出现了第二个峰，这是由于木质素的热解生成碳和灰分[16, 18, 19].400℃以后是醋糟热解的第三个阶段，在此阶段残留物缓慢分解[14]，并在最后生成碳和灰渣，失重的趋势逐渐趋于平缓.该阶段发生的分解非常缓慢，失重量较少.
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图 5 不同工况条件下的DTG曲线 Fig. 5 DTG curves under different operating conditions |
同时，将醋糟原样与不同有机负荷条件下厌氧消化后的样品进行对比，可以发现: 在第二阶段(失重最快阶段)，醋糟原样的DTG曲线最高峰之后有一个小侧峰，形成了两个明显分离的峰，呈双峰形状； 当接种物与基质VS比为1：1时，DTG曲线中原来分离的两个峰合并成了一个峰，呈单峰形状，这说明经过厌氧消化，半纤维素含量降低[20]； 而接种物与基质VS比为1：2、 1：3、 1：4的厌氧消化之后样品仍可以看到明显的双峰，且与醋糟原样相比，接种物与基质VS比较高的样品中，纤维素半纤维素(290℃处峰)的降低更加明显，但木质素(380℃峰)的降低较少.
2.4.2 光谱分析(1) XRD衍射分析
纤维素结晶度是指纤维素构成的结晶区占纤维素整体的百分数，它反映纤维素聚集时形成结晶的程度[19]，可由X-射线衍射图分析得到.纤维素的结晶结构是限制厌氧消化程度的主要因素，通过XRD分析可对醋糟中的纤维素晶型结构进行分析，作为醋糟厌氧消化可行性参考.
对醋糟原样进行了XRD衍射分析(图 6)，发现没有良好的衍射花样，可以基本判定醋糟中纤维素为非晶结构或短程有序的晶体结构[22]，这也是与玉米秸秆等长程有序的晶体结构纤维素类物质相比，醋糟更易被生物降解的主要原因.
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图 6 原样(醋糟)XRD分析结果 Fig. 6 XRD analysis result of raw vinegar residue |
(2) 红外光谱
如图 7和表 4所示，不同有机负荷条件下，1 554 cm-1处谱峰相对强度发生了不同程度的减弱，说明木质素中苯环结构被破坏，裂解而成为链状化合物，结合1 650 cm- 1处谱峰的减弱，表明醋糟中木质素被部分降解； 1 249 cm-1谱峰强度减弱和1 071 cm- 1处尖峰减弱，说明纤维素和半纤维素减少，原来的或所生成的纤维素酯大部分被降解和转化[25].当接种物与基质VS比为1：1时，谱峰的强度变化最大，说明在此条件下，木质素、 纤维素及半纤维素的降解程度最高.这与范式洗涤法测定的半纤维素、 纤维素和木质素的实验结果相一致(图 5).
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图 7 不同有机负荷条件下，样品的红外光谱图 Fig. 7 Infrared spectrograms of samples under different organic loading rates |
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表 4 不同工况条件下醋糟样品红外谱图解析 Table 4 Infrared spectrogram analysis of vinegar residues under different organic loading rates |
随着有机负荷的升高，与木质素相关的谱峰(1 650、 1 554和1 250 cm-1)和与纤维素半纤维相关谱峰 (1 460、 1 404和1 071 cm-1)的强度变化逐渐变小，说明有机负荷越高，纤维素类物质的降解程度更低.这与所测木质素与纤维素、 半纤维素的谱峰变化呈现一致的规律，但木质素相关谱峰的变化强度比纤维素半纤维素的变化强度小得多，说明木质素的降解转化率很小.
3 结论(1) 有机负荷对醋糟厌氧消化过程有显著影响.有机负荷越低，越有利于缓解醋糟中有机物水解酸化过程中VFAs 的积累和pH 下降，保证产甲烷过程的稳定进行.在本研究中，当接种物与基质VS比为1：1[即有机负荷为1.78 g ·(L·d)-1，pH=7.6]时的累积甲烷产量最高，且运行稳定.
(2) 随着有机负荷的提高，VFAs 的累积浓度随之升高，产甲烷过程受到不同程度的抑制并相继终止.接种物与基质VS比1：4(即有机负荷为7.12 g·(L·d)-1，pH=5.52时)，实现了乙酸和乳酸同步发酵(分别可达到8 000mg·L-1和2 650mg·L-1)，可以作为有机质厌氧消化的酸化预处理的条件.
(3) 醋糟厌氧消化过程中，定性(光谱学分析)和定量(范式洗涤法)结果一致表明，醋糟为短程有序的微晶结构或非晶结构，降低有机负荷能够提高木质素、 纤维素和半纤维素的降解率.
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