全 文 ：研究报告
2015年第 41卷第 8期(总第 332期) 65
DOI:10． 13995 / j． cnki． 11 － 1802 / ts． 201508012
外源氮元素添加对醋糟厌氧发酵产氢的影响*
邵淑萍1，张存胜1，王振斌1，任晓锋1，2，崔凤杰1，赵鹏翔3，张军宏3
1(江苏大学 食品与生物工程学院，江苏 镇江，212013)
2(工业发酵微生物教育部重点实验室暨天津市工业微生物重点实验室(天津科技大学) ，天津，300457)
3(国网节能服务有限公司北京生物质能源技术中心，北京，100081)
摘 要 在中温条件下，采用批式发酵方式，探讨外源氮元素添加对醋糟厌氧发酵产氢的影响。以尿素、氯化铵
和硝酸钾分别代表有机氮、氨基氮和硝基氮，在确定最佳 C /N的条件下，主要研究了氢气产率、厌氧发酵类型以
及发酵前后发酵液中氮形态的变化。结果表明，醋糟厌氧发酵产氢的最佳 C /N 为 40，尿素、氯化铵和硝酸钾添
加使得氢气产率从 54 mL /g-VS 提高到 65、85 和 78 mL /g-VS ，分别提高了 46%、57%和 21%。加入氯化铵和尿
素可以将发酵类型从丁酸型转化为乙醇型;发酵液中氮的形态以氨态氮为主，外源氮元素添加，使得厌氧发酵后
总氮含量均显著增加，硝基氮含量均显著下降。
关键词 醋糟;氮源;氢气;厌氧消化
第一作者:硕士(王振斌为通讯作者，E-mail:wang-zb@163． com)。
* 江苏省科技支撑计划—社会发展(BE2012714) ;江苏高校优势
学科建设工程;工业发酵微生物教育部重点实验室暨天梁市工
业微生物重点实验室 (天梁科技大学开发基金课题
(2014IM002)
收稿日期:2015 － 03 － 19，改回日期:2015 － 04 － 22
近几年来国内外在醋糟的利用方面进行了较为
广泛的研究，目前醋糟的利用主要集中在“饲料资
源”、“食用菌栽培料”和“植物无土栽培基质”等方
面。由于醋糟的蛋白质含量较低，而粗纤维含量较
高，消化率低、适口性差，所以不可用于单一饲喂。
作为食用菌栽培料和植物无土栽培基质，存在着处
理量小、耗能大等缺点，不能满足当前对醋糟进行
大批量处理的要求。直接燃烧法可以实现对大批
量醋糟的处理，但会造成大量的粉尘污染，且浪费
了醋糟中的蛋白质、淀粉等有机营养物质。因此，
选择一种合理的醋糟处理方式很有必要［1 － 3］。
厌氧发酵技术已被有效地应用于农业有机废弃
物资源化处理，可以将低值有机资源转化生物能源和
有机肥料［4］。以醋糟为研究对象，通过厌氧发酵技
术制备氢气和甲烷等生物能源气体和有机肥，为其合
理化利用提供了可能［5 － 6］。有文献总结了产氢的最
佳 C /N为 33 ～ 45［7 － 8］，在醋糟厌氧发酵产氢过程中
发现，由于醋糟纤维素、半纤维素和木质纤维素等碳
水化合物含量高，C /N 高，直接影响了产氢微生物的
生长，使得水解效率和产氢效率降低。针对此类问
题，王志民［9］等在马铃薯薯渣厌氧发酵过程中添加
2% ～2. 5%尿素，陈广银［10］等对不同氮源对麦秆厌
氧发酵过程和体系氮形态的变化进行了研究。然
而，目前对于醋糟不同氮元素添加后厌氧制氢产
率、发酵类型及发酵前后氮形态变化的影响并没有
相关报道。
本文首先确定了醋糟发酵产氢的最佳 C /N。通
过添加氯化铵、尿素和硝酸钾分别代表有机氮、氨基
氮和硝基氮，在确定最佳 C /N的条件下，对其产气特
性、发酵液成分变化以及发酵前后氮形态的转化进行
了较系统研究，考察了外源氮元素添加对醋糟厌氧发
酵产氢过程的影响，以期为醋糟的厌氧发酵提供理论
参考。
1 材料与方法
1. 1 材料
醋糟:新鲜醋糟取自镇江恒康调味品厂，自然风
干，置于干燥阴凉处备用。
接种物:产氢菌通过活性污泥驯化后得到。污泥
取自江苏大学镜湖，过 2 mm 筛去除枝叶等杂质，先
于 40 L污泥罐中培养 3 个月至最大活性，用 6 mol /L
的 NaOH调整 pH至 12. 0 ± 0. 1，室温维持 24 h，抑制
污泥中的产甲烷细菌，用 6 mol /L 的 HCl 调节 pH 至
6. 0 ± 0. 1 备用。
分析纯试剂:氯化铵、硝酸钾和尿素。
醋糟和活性污泥的特征列于表 1。
食品与发酵工业 FOOD AND FEＲMENTATION INDUSTＲIES
66 2015 Vol. 41 No. 8 (Total 332)
表 1 醋糟和活性污泥的特征
Table 1 Characteristics of the raw vinegar residue
and anaerobic sludge
指标 醋糟 活性污泥
总固形物(TS)/% a 30. 8 4. 5
挥发性固形物(VS)/% b 27. 4 0. 9
VS /TS /% 89. 1 20
总碳 /% b 35. 6 1. 3
总氮 /% b 0. 56 0. 05
注:a-基于湿重;b-基于干重。
1. 2 醋糟厌氧发酵过程
将 30 g总固形物(Total Solid，TS)的醋糟与 pH
调至 1 的 HCl以料液比 10 mL /g 混合，于 99 ℃水浴
加热 30 min后冷却至室温，加入氮源。300 mL 预处
理过的活性污泥与 30 g TS 预处理的醋糟混合于 1 L
发酵瓶，用蒸馏水补足有效体积 800 mL，用 6 mol /L
的 NaOH和 HCl将系统的初始 pH调至 6. 0 ± 0. 1，迅
速加塞密封充入高纯氩气制造厌氧环境。于 37 ℃水
浴锅进行厌氧发酵产氢实验。每组做 3 次平行实验。
产生的气体通过排水法收集，取厌氧发酵前后的发酵
液对氨氮 NH3-N、硝基氮 NO3-N、亚硝基氮 NO2-N 、
总氮(Total Nitrogen，TN)和挥发性脂肪酸(Volatile
Fatty Acid，VFA)进行进一步分析。
1. 3 添加氮源实验过程
首先以尿素为氮源，考察不同 C /N(20、30、40、
50)对醋糟厌氧发酵产氢的影响;在确定最佳 C /N的
条件下，以尿素、氯化铵和硝酸钾分别代表有机氮、氨
基氮和硝基氮，研究不同外源氮元素对产氢过程的影
响。
1. 4 化学分析
总固形物 TS、挥发性固形物 (Volatile Solid，
VS)、pH、还原糖、NH3-N、NO3-N、NO2-N 和 TN 通过
标准方法测定［11］;总碳通过 TOC 分析仪测定(TOC-
V，Shimadzu 日本) ;蛋白质含量通过凯氏定氮测定。
用气相色谱仪(SP-6890，鲁南瑞虹，中国)进行
气体成分的测定，气相色谱仪为 TCD 检测器，装有
TDX-01 不锈钢柱(2 m × 3 mm，配碳分子筛)。进样
口温度、柱温、检测器温度分别为 140、160 和 160 ℃。
载气为氩气，检测器电流 60 mA压力 0. 08 MPa，流速
25 mL /min。
液相产物的挥发性脂肪酸(VFAs)由气相色谱仪
(GC-5890，HP)检测，配有氢离子检测器(FID)和毛
细管柱(安捷伦 1909 /N-133HP-INNOWAX 30 m ×
0. 250 mm)。FID的进样口和检测器温度分别为 240
℃和 260 ℃。柱温程序升温:初温 100 ℃保持 1 min，
以 15 ℃ /min的速率升温至 220 ℃保持 5 min。氮气作
为载气，氮气、氢气和空气的流速分别为 290 mL/min，
170 mL /min 和 290 mL /min。
1. 5 数据分析
应用 OＲIGIN8. 0 数据处理软件对数据进行处
理。
2 结果与讨论
2. 1 最佳 C/N的确定
醋糟的有机质含量较高，其 TS、VS 和 VS /TS 分
别达到 30. 8%、27. 4%和 89. 1%(表 1) ，表明醋糟适
合发酵产气。活性污泥的 VS /TS 只有 20%，表明污
泥缺少有机质。此外，作为发酵底物的醋糟总碳含量
为 35. 6%，总氮含量只有 0. 56%，表明醋糟富含碳水
化合物。其 C /N高达 64，高于发酵产氢的最佳碳氮
比［7 － 8］，不适合直接用于厌氧发酵。因此在实验中需
要加入一定量氮源。
图 1 C /N 对产氢的影响
Fig. 1 Effect of C /N on hydrogen yield
图 1 为通过添加尿素调节不同的 C /N 得到的累
积产氢量。由图 1 可得:加入适量的尿素均可以显著
提高氢气产量，表明添加适量氮源能够提高产气量。
这是因为添加氮源提高了厌氧微生物的活性，促进了
醋糟中有机物向氢气的转化［12］。C /N 为 40 时氢气
产量最高，比对照组提高了 42%。Chakkrit［13］等报道
的最佳 C /N 33. 14，活性污泥中的微生物混合菌群不
同导致最佳 C /N有所区别。C /N(20)较低时产氢量
反而低于对照组，这是因为由蛋白质和其他氮成分转
化成的游离氨离子会抑制细胞生长，从而降低产气
量［14］。结果表明合适的碳氮比可以促进发酵的进
行，提高氢气产量。本研究得到醋糟产氢的最佳 C /N
为 40。
2. 2 添加不同氮源对产氢过程的影响
表 2 为添加不同氮源后发酵体系的产气特性和
发酵液的成分变化。从表 2 可以得到，添加以氯化铵
研究报告
2015年第 41卷第 8期(总第 332期) 67
为代表的氨氮氮源、硝酸钾为代表的硝基氮源和尿素
为代表的有机氮源，醋糟的产气量均有不同程度的增
加，表明添加适量氮源能够促进发酵的进行。最终产
气量以氨氮氮源组增加最多，氢气含量达到 85 mL /
g-VS，其次为有机氮源组，硝基氮源组产气量最少，氢
气产量分别提高了 57%、46%和 21%。各实验组氢
气浓度均在 60% ～62%。还原糖的利用率较对照试
验均有提高，尤其是氯化铵组，还原糖的利用率达到
73. 5%，对应着最高氢气产量。表明适量的加入氮源
有利于还原糖等有机质的充分利用，提高产气量。
表 2 不同氮源对产氢过程的影响
Table 2 The influence of different N resource on digestion process
氮源
H2产量 /
(mL·g － 1 VS)
H2含量 /
%
H2提高率 /
%
还原糖 /(g·L －1)
发酵前 发酵后
还原糖
利用率 /%
总酸 /(mg·L －1)
发酵前 发酵后
pH
对照 54 60. 2 － 2. 88 0. 97 66. 3 1 480 7 309 5. 04
氯化铵 85 62. 0 57 2. 98 0. 79 73. 5 2 197 9 282 5. 16
硝酸钠 65 61. 7 21 2. 95 0. 86 70. 9 2 446 8 263 5. 34
尿素 78 61. 5 46 3. 06 0. 86 71. 9 1 709 7 295 5. 22
总酸含量发酵前基本一致，均低于 2 500 mg /L，
发酵后 VFA 含量与氢气产量增减趋势一致，累积
VFA的最高含量为 9 282 mg /L，出现在累积产氢量
最高的氯化铵组，结果表明产氢过程会造成 VFA 的
积累。VFA的积累会造成 pH的下降，然而本实验各
加氮组中总酸含量均显著高于对照组，而 pH 却高于
对照组的 5. 04，表明氮源的加入起到缓冲剂的作用，
能够有效调节系统的酸碱度。尿素等转化的氨氮呈
碱性，也有助于调节发酵过程的 pH，维持系统的稳定
性。
图 2 为发酵末端产物中 VFA组成。由图 2 可以
看出，发酵后各组的 VFA主要成分是乙醇、乙酸和丁
酸。其中每组都是乙酸含量最高，酸的生成能为固氮
酶提供 ATP有助于产氢，所以在产氢良好情况下乙
酸的浓度比较高［15］。对照组和尿素组的丁酸含量仅
次于乙酸含量，属于丁酸型发酵，这是碳水化合物类
的典型发酵类型［16］。加入氮源后，各组的乙醇含量
较对照组都有所上升，体系 pH 维持在 5. 2 左右。氯
化铵组和硝酸钾组中乙醇含量高于丁酸，呈现以乙醇
为主要液相末端产物、产氢率高的代谢特征。这表明
添加适量的氮源可以将系统转化为促进产氢的乙醇
型发酵。这是因为形成丁酸型发酵类型的典型微生
物是梭菌属，而乙醇型发酵起主要作用的微生物为消
化链球菌属，氮源的添加改变了污泥厌氧发酵体系中
的优势产酸菌群而促使不同厌氧发酵类型的形
成［17］。加入氮源后丁酸含量降低是最终 pH 升高的
原因之一。除乙酸和丁酸，发酵液中还有丙酸、异丁
酸、正丁酸、异戊酸、正戊酸和己酸存在，但它们的含
量均低于 300 mg /L，不会对产氢菌活性造成抑
制［18］。
图 2 不同氮源对 VFA组成影响
Fig. 2 The influence of different N resource on
VFA composition
表 3 发酵前后氮形态的组成
Table 3 The composition of N form before and after digestion
氮源
NH3-N /(mg·L －1)
发酵前 发酵后
NO2-N /(mg·L －1)
发酵前 发酵后
NO3-N /(mg·L －1)
发酵前 发酵后
TN /(mg·L －1)
发酵前 发酵后
对照 9. 45 10. 62 0. 57 0. 42 0. 36 0. 27 17. 24 21. 19
氯化铵 22. 69 20. 98 0. 57 0. 34 0. 37 0. 21 25. 06 30. 66
硝酸钾 12. 58 15. 42 3. 86 1. 06 3. 17 0. 69 25. 79 31. 21
尿素 11. 09 11. 95 0. 58 0. 35 0. 37 0. 21 25. 33 32. 41
表 3 为加入不同氮源后发酵体系内不同形态氮
的转化。厌氧发酵过程伴随着各种形态氮素的相互
转化，厌氧微生物分解有机物，将有机物中的有机氮
转化为无机氮，与此同时，微生物利用系统中的无机
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氮转化为有机氮。由表 3 可得，实验各组在发酵后的
总氮含量均有所升高，表明醋糟中的有机氮被大量分
解转化为无机氮溶入发酵液中，其中一些不能为厌氧
微生物分解的有机物也溶出进入发酵液中。醋糟被
发酵的含氮物质高于发酵过程被利用的含氮物质使
得总氮含量升高。
氮的转化过程包括氨化、硝化和反硝化 3 个阶
段。氨氮在亚硝化杆菌的作用下可以生成亚硝酸盐，
并在硝化杆菌作用进一步形成硝酸盐，同时水中的亚
硝酸盐也可以在厌氧条件下受微生物作用转化为
氨［19］。各实验组氮主要以氨氮形式存在，除了硝酸
钾组，添加氮源对系统的亚硝基氮和硝基氮的含量影
响不大。发酵前后，亚硝基氮和硝基氮的含量均有明
显下降，表明它们在发酵过程中被利用。对于氨氮形
态，添加氯化铵组氨氮含量降低，硝酸钠组氨氮出现
大量积累，尿素组在发酵后氨氮含量略有上升。说明
厌氧发酵过程中同时发生了氨化作用和硝化作用，以
氨化作用为主。当氨氮浓度达到 200 mg /L 时，会产
生氨氮的抑制作用［20］，而本实验由于氮源含量很低，
最高的氨氮含量 22. 69 mg /L 远低于抑制浓度，氨氮
没有产生抑制作用，反而作为无机氮源被发酵利用，
促进发酵的进行。
3 结论
(1)醋糟发酵产氢的最佳 C /N 为 40。添加外源
氮元素可以提高醋糟发酵产氢性能。在各种氮源中，
以添加氨氮的效果最好，氢气产量达到 85 mL /g-VS，
较对照组提高了 57%。
(2)添加氯化铵和尿素可将发酵类型由丁酸型
转变为乙醇型，促进氢气产率的提高。
(3)厌氧发酵后发酵液中总氮含量均有增加;发
酵液中的氮以氨态氮为主，氨化作用强于硝化作用，
部分氨氮可以作为有机质被利用;除硝酸钾组，添加
氮源对发酵液中硝态氮含量的影响不大，发酵后硝基
态氮含量均有下降。
参 考 文 献
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Effects of nitrogen sources addition on anaerobic digestion
process of vinegar residue
SHAO Shu-ping1，ZHANG Cun-sheng1，WANG Zhen-bin1，ＲEN Xiao-feng1，2，
CUI Feng-jie1，ZHAO Peng-xiang 3，ZHANG Jun-hong3
1(School of Food and Biological Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China)
2(Key Laboratory of Industrial Fermentation Microbiology (Tianjin University of Science ＆ Technology)，
Ministry of Education，Tianjin 300457，China)
3(State Grid Energy Service Co.，LTD Beijing Biomass Energy Technology Center，Beijing 100081，China)
ABSTＲACT Effects of nitrogen sources addition on mesophilic anaerobic fermentation of vinegar residue were inves-
tigated in batch tests． Urea，NH4Cl and KNO3 were used as organic，ammonium and nitrate nitrogen respectively．
Under the optimum C /N ratio，the variation of hydrogen yield，fermentation style and nitrogen form were studied． Ｒe-
sults indicated that the optimum C /N ratio was 40 for vinegar residue fermentation． The hydrogen yield increased from
54 mL /g-VS to 65，85 and 78 mL /g-VS by addition of urea，NH4Cl and KNO3，corresponding to 46%，57% and
21%，respectively． The fermentation type was changed from butyrate-type to ethanol-type as a result of NH4Cl and u-
rea addition． Ammonium was the main form of nitrogen in the fermentation liquid． The total nitrogen increased at the
end of fermentation，while the nitrate nitrogen decreased significantly．
Key words vinegar residue;nitrogen source;hydrogen;anaerobic fermentation