張加穩(wěn)， 林衛(wèi)東， 張無(wú)敵， 尹芳， 王昌梅，趙興玲， 柳靜， 楊紅， 劉士清， 陳玉保

(云南師范大學(xué)，云南 昆明 650500)

1 引 言

酸木瓜為薔薇科木瓜屬(Chaenomeles.L)植物，是我國(guó)特有的一種古老果樹(shù)[1].由于酸木瓜對(duì)土壤的適應(yīng)性較強(qiáng)，耐貧瘠和耐旱，所以其種植面積較廣，僅云南的年產(chǎn)量就達(dá)500多萬(wàn)千克，在云南部分地區(qū)已經(jīng)成為一種重要的經(jīng)濟(jì)植物.酸木瓜果實(shí)內(nèi)部含有豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，主要成分為糖、有機(jī)酸、粗纖維、單寧、果膠和黃酮等，據(jù)《本草綱目》記載，酸木瓜具有強(qiáng)身健體、保肝益腎、舒經(jīng)活絡(luò)、消除疲勞、和胃化寒及祛風(fēng)除濕等功效[2].目前國(guó)內(nèi)對(duì)酸木瓜的研究開(kāi)發(fā)仍處于基礎(chǔ)階段，主要集中在果實(shí)營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的開(kāi)發(fā)利用，部分學(xué)者也對(duì)木瓜籽油的成分及食用安全性作了探究[3-7]，但對(duì)酸木瓜籽提油后剩余殘?jiān)难芯坷蒙形匆?jiàn)報(bào)道.本文以酸木瓜籽提油后的剩余殘?jiān)鼮樵线M(jìn)行沼氣發(fā)酵實(shí)驗(yàn)來(lái)初步探究其產(chǎn)氣潛力，旨在為酸木瓜籽利用后的有機(jī)廢棄物提供一條新的利用途徑，這既可以避免廢棄物對(duì)環(huán)境的污染，也可以使酸木瓜資源得到更加充分合理的利用.

2 材料與方法

2.1 材料

2.1.1 發(fā)酵原料

發(fā)酵原料取自實(shí)驗(yàn)室酸木瓜籽提油后剩余的殘?jiān)?，?jīng)測(cè)定其TS(總固體含量)為94%，VS(揮發(fā)性固體含量)為96%.

2.1.2 接種物

接種物為本實(shí)驗(yàn)室以牛糞為原料長(zhǎng)期馴化的活性污泥，經(jīng)測(cè)定其TS為11.54%，VS為56.79%.

2.1.3 實(shí)驗(yàn)裝置

該實(shí)驗(yàn)裝置由發(fā)酵產(chǎn)氣和排水集氣裝置兩部分組成，如圖1.

1.溫控儀；2.交流接觸器；3.水槽；4.電熱管；5.熱電偶；6.循環(huán)水泵；7.發(fā)酵瓶；8.玻璃三通；9.集氣瓶；10.計(jì)量瓶

2.2 方法

2.2.1 原料預(yù)處理

將酸木瓜籽殘?jiān)梅鬯闄C(jī)磨成粉末，以便增加與接種物的接觸面積，使其降解更充分.

2.2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和發(fā)酵料液的配制

⑴實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在30 ℃恒溫水浴條件下采用批量工藝模式厭氧發(fā)酵，分別設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組，在相同條件下各設(shè)置3個(gè)平行組發(fā)酵(編號(hào)1-6),1-3號(hào)為實(shí)驗(yàn)組，4-6號(hào)為對(duì)照組.

⑵發(fā)酵料液的配制

實(shí)驗(yàn)組：稱取120 g接種物和13 g酸木瓜籽殘?jiān)旌暇鶆颍铀♂屩?00 mL,配制成濃度為6%發(fā)酵液，搖勻并測(cè)得其pH為7.1.

對(duì)照組：稱取120 g接種物，加水稀釋至400 mL,搖勻并測(cè)得其pH為7.0.

2.2.3 測(cè)試參數(shù)及方法[8]：

⑴TS(總固體含量)的測(cè)定：將預(yù)處理后的原料放在(105±5)℃的電熱恒溫烘箱中烘干至恒重，并計(jì)算出TS.

⑵VS(揮發(fā)性固體含量)的測(cè)定：將上述烘干水分的原料放入(550±20)℃的箱形電阻爐中灼燒至恒重，并計(jì)算出VS.

⑶pH：采用精密pH試紙測(cè)定.

⑷產(chǎn)氣量：排水集氣法收集沼氣，每天定時(shí)記錄產(chǎn)氣量，分別以實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組中3個(gè)平行組的平均排水量記數(shù)，數(shù)據(jù)相差較大的一組可排除，然后排氣點(diǎn)火，觀察記錄火焰顏色，根據(jù)火焰顏色來(lái)判斷沼氣中的甲烷含量[9]，以上操作重復(fù)至不再產(chǎn)氣為止.

3 結(jié)果與討論

3.1 發(fā)酵前后料液分析

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組料液在發(fā)酵前后的TS、VS及pH值等指標(biāo)測(cè)定結(jié)果如表1.

表1 發(fā)酵料液前后的TS、VS及pH變化

從表1可以看出，混合料液發(fā)酵前后，實(shí)驗(yàn)組的TS和VS降解明顯，其降解率遠(yuǎn)大于對(duì)照組，原因可能是該接種物是實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)期馴化的活性污泥，其中的有機(jī)質(zhì)已幾乎被降解，所以對(duì)照組降解率較低,此外，也說(shuō)明了內(nèi)部的微生物群落具有活性，能在厭氧條件下對(duì)發(fā)酵料液中的有機(jī)質(zhì)進(jìn)行有效利用.經(jīng)計(jì)算，實(shí)驗(yàn)組料液的TS和VS降解率分別為27.26%和19.2%，這表明了提油后的酸木瓜籽殘?jiān)械牟糠钟袡C(jī)質(zhì)在發(fā)酵過(guò)程被微生物菌群有效代謝降解，但降解率仍不高，料液中還有大量有機(jī)質(zhì)被浪費(fèi)，說(shuō)明在今后的實(shí)驗(yàn)中還需對(duì)沼氣發(fā)酵工藝參數(shù)進(jìn)一步做出優(yōu)化，以提高原料利用率.測(cè)得實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組發(fā)酵料液前后的pH如上表所示，均處于厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的正常范圍(pH為6.6～7.5)[8]，但實(shí)驗(yàn)組在發(fā)酵的初期曾出現(xiàn)過(guò)短暫的酸化，測(cè)得的酸化體系PH為5.5，一段時(shí)間后pH又逐漸恢復(fù)正常直至發(fā)酵結(jié)束，說(shuō)明了厭氧發(fā)酵體系具有一定的酸堿緩沖能力，這也給實(shí)際生產(chǎn)作出指導(dǎo)，沼氣發(fā)酵工程若遇到酸化現(xiàn)象，開(kāi)始應(yīng)該讓體系微生物進(jìn)行自身緩沖調(diào)節(jié)其pH，不必人為調(diào)節(jié)，因?yàn)槿藶榧尤牖瘜W(xué)物質(zhì)可能會(huì)打破發(fā)酵體系微生物的平衡性，進(jìn)而影響發(fā)酵過(guò)程的正常運(yùn)行.

3.2 產(chǎn)氣情況及分析

3.2.1 日產(chǎn)氣量

本發(fā)酵實(shí)驗(yàn)發(fā)酵周期為29天，通過(guò)對(duì)每天的凈產(chǎn)氣量作圖，得到酸木瓜籽的產(chǎn)氣規(guī)律如圖2所示.

圖2 產(chǎn)氣量隨發(fā)酵時(shí)間的變化曲線

圖2顯示了酸木瓜籽在整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中日凈產(chǎn)氣量隨發(fā)酵時(shí)間的變化.在發(fā)酵的第1天，原料即開(kāi)始產(chǎn)氣，且產(chǎn)氣量達(dá)到320 mL，但不能點(diǎn)燃，經(jīng)測(cè)定其甲烷含量?jī)H有25%左右；在隨后的第2～6天里發(fā)酵體系停止產(chǎn)氣，從第7天又恢復(fù)產(chǎn)氣，體積下降到20 mL；在第7～13天這個(gè)階段，其產(chǎn)氣量逐漸增加，從第8天開(kāi)始，所得的沼氣能連續(xù)燃燒，火焰為淡藍(lán)色，經(jīng)測(cè)定其甲烷含量為42%左右，至第13天達(dá)到產(chǎn)氣高峰，體積為200 mL，火焰顏色內(nèi)黃外藍(lán)，經(jīng)測(cè)定其甲烷含量為58%左右；在之后的發(fā)酵時(shí)間里，體系產(chǎn)氣量又逐漸下降，至第28天停止產(chǎn)氣.總體來(lái)看，整個(gè)發(fā)酵周期的日產(chǎn)氣量在第1天出現(xiàn)反常，產(chǎn)氣最高，說(shuō)明體系出現(xiàn)酸化現(xiàn)象，但隨著體系恢復(fù)正常之后，還是符合沼氣發(fā)酵過(guò)程的日產(chǎn)氣量中間高兩邊低的規(guī)律.

根據(jù)沼氣發(fā)酵三階段學(xué)說(shuō)，在發(fā)酵的初期，發(fā)酵體系第1天出現(xiàn)反常，主要原因可能是該發(fā)酵原料屬于酸性物質(zhì)，這對(duì)產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)繁殖影響較大，而非產(chǎn)甲烷菌對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力和繁殖速率都強(qiáng)于產(chǎn)甲烷菌，這樣體系微生物主要以非產(chǎn)甲烷菌(水解菌和產(chǎn)氫產(chǎn)酸菌)為主.由于產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量不多，前兩個(gè)階段代謝所產(chǎn)生的有機(jī)酸不能快速被產(chǎn)甲烷菌降解為甲烷，直接導(dǎo)致了體系有機(jī)酸積累，產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)進(jìn)一步被抑制，所以盡管第1天產(chǎn)氣較高，氣體主要成分實(shí)質(zhì)為二氧化碳，這是體系酸化的標(biāo)志.隨后體系停止產(chǎn)氣，原因是有機(jī)酸的大量積累對(duì)產(chǎn)氫產(chǎn)酸菌也產(chǎn)生了反饋抑制，在經(jīng)歷一段時(shí)間后，隨著產(chǎn)甲烷菌對(duì)體系的適應(yīng)和緩慢富集，積累的有機(jī)酸被逐漸降解，體系微生物群落的代謝也隨之趨于平穩(wěn)，進(jìn)入正常產(chǎn)氣階段.在第7～13天，隨著產(chǎn)甲烷菌數(shù)量的積累，體系產(chǎn)氣量依次增多，氣體的甲烷含量也逐漸升高，且至第13天達(dá)產(chǎn)氣高峰，隨后，隨著發(fā)酵原料的有機(jī)質(zhì)被逐漸降解，產(chǎn)氣量減少至停止產(chǎn)氣，即發(fā)酵結(jié)束.

3.2.2 累積產(chǎn)氣量

對(duì)發(fā)酵實(shí)驗(yàn)中原料的凈產(chǎn)氣量每隔5天累積計(jì)算一次，整個(gè)周期的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示.

表2 實(shí)驗(yàn)組累積產(chǎn)氣量

從表2中可以看出，整個(gè)發(fā)酵實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)組的凈累積產(chǎn)氣量在前5～10天內(nèi)增長(zhǎng)較慢，其主要原因是發(fā)酵體系經(jīng)歷了酸化到自動(dòng)調(diào)整恢復(fù)產(chǎn)氣的過(guò)程，這個(gè)時(shí)間段一般都是開(kāi)始產(chǎn)氣很高，隨后產(chǎn)氣很低甚至停止產(chǎn)氣，所以累積產(chǎn)氣量增長(zhǎng)也較慢.在第10～15天內(nèi)累積產(chǎn)氣量呈快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，在第15～20天內(nèi)仍保持較高的增長(zhǎng)速率，至第20天時(shí)累計(jì)產(chǎn)氣量為1 818 mL，占總產(chǎn)氣量的81%左右，說(shuō)明這個(gè)時(shí)間段內(nèi)發(fā)酵體系已恢復(fù)正常，微生物菌群能有效的對(duì)原料中的有機(jī)質(zhì)進(jìn)行利用，保持較高的產(chǎn)氣速率.在第20～30天內(nèi)，體系累積產(chǎn)氣量快速減少，10 d內(nèi)總共產(chǎn)氣405 mL，說(shuō)明該時(shí)間段內(nèi)原料中易于降解的有機(jī)質(zhì)含量已較低，直接導(dǎo)致了微生物代謝的產(chǎn)氣量減少，至最終停止產(chǎn)氣.總體來(lái)說(shuō)，該發(fā)酵原料雖然在實(shí)驗(yàn)前期會(huì)出現(xiàn)酸化現(xiàn)象，但隨后體系恢復(fù)正常后，發(fā)酵微生物在短時(shí)間內(nèi)即可把原料中的有機(jī)質(zhì)充分降解，所以酸木瓜籽可以用作厭氧發(fā)酵原料來(lái)對(duì)其能量進(jìn)行充分轉(zhuǎn)化利用.

3.2.3 產(chǎn)氣速率

對(duì)實(shí)驗(yàn)組整個(gè)發(fā)酵周期內(nèi)的日累計(jì)產(chǎn)氣量統(tǒng)計(jì)分析，得到其產(chǎn)氣速率變化曲線如圖3所示.

圖3 產(chǎn)氣速率隨發(fā)酵時(shí)間的變化曲線

從圖3可以看出，實(shí)驗(yàn)組在整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中，第1天即開(kāi)始產(chǎn)氣320 mL，但不能連續(xù)燃燒，隨后5 d停止產(chǎn)氣，經(jīng)測(cè)定體系pH為5.5左右，說(shuō)明體系在這個(gè)時(shí)間段出現(xiàn)了酸化現(xiàn)象；從第7天開(kāi)始體系恢復(fù)產(chǎn)氣，隨后的產(chǎn)氣速率是逐漸加快后又減緩，在第7～15天內(nèi)產(chǎn)氣速率呈現(xiàn)陡增趨勢(shì)，在第15～20天內(nèi)產(chǎn)氣速率盡管有所減緩，但仍保持較高的速率，至第20天時(shí)累積產(chǎn)氣量占總產(chǎn)氣量的81%左右，經(jīng)測(cè)定這段時(shí)間內(nèi)體系pH已經(jīng)恢復(fù)為6.8左右，表明沼氣厭氧發(fā)酵體系有巨大的酸堿緩沖能力，在酸化下不需要人為調(diào)節(jié)也能自動(dòng)恢復(fù)正常.其主要原因是產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌和產(chǎn)甲烷菌的相互協(xié)同作用[8].在第20天之后，體系產(chǎn)氣速率明顯減慢，至最終停止產(chǎn)氣，這段時(shí)間累計(jì)產(chǎn)氣量?jī)H占總產(chǎn)氣量的18%，其原因是發(fā)酵原料中易于降解的有機(jī)質(zhì)在前期已被大量消耗.綜上所述，酸木瓜籽發(fā)酵產(chǎn)沼氣主要集中在前20天，所以在實(shí)際發(fā)酵工藝中，發(fā)酵罐的水力滯留時(shí)間(HRT)設(shè)計(jì)為20 d，這樣能減少投資資金，縮短回收周期.

3.3 產(chǎn)氣潛力分析

根據(jù)酸木瓜籽的TS和VS及相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算分析出其產(chǎn)氣潛力，結(jié)果如表3.

表3 酸木瓜籽的產(chǎn)氣潛力

3.4 產(chǎn)氣潛力的對(duì)比

為了綜合分析評(píng)價(jià)酸木瓜籽的產(chǎn)氣潛力，將它與其他常規(guī)發(fā)酵原料的產(chǎn)氣潛力進(jìn)行對(duì)比，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示，表中的“倍數(shù)”是指酸木瓜籽TS產(chǎn)氣率與其他發(fā)酵原料TS產(chǎn)氣率的比值.從表4中可以看出，酸木瓜籽和其他發(fā)酵原料的產(chǎn)氣情況相比，最顯著的特點(diǎn)是發(fā)酵周期較短，其主要原因可能是原料內(nèi)部的纖維素和木質(zhì)素在提油過(guò)程中遭到破壞，易于降解，這在實(shí)際沼氣工程中可以使HRT減短，從而減小發(fā)酵罐的容積，降低生產(chǎn)成本，縮短投資回收周期.總體對(duì)比，其產(chǎn)氣潛力為178 mL/g(TS)，處于一般水平，原因可能是該發(fā)酵原料是酸木瓜籽經(jīng)提油后剩余的殘?jiān)?，其?nèi)部減少了大量的脂類物質(zhì)，而脂類物質(zhì)在沼氣發(fā)酵中又是產(chǎn)氣的主要成分之一，所以其產(chǎn)氣潛力大幅度降低.

表4 常見(jiàn)發(fā)酵原料的產(chǎn)沼氣潛力

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論與展望

⑴經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定分析得提油后的酸木瓜籽產(chǎn)氣潛力為：TS產(chǎn)氣率為178 mL/g，VS產(chǎn)氣率為185 mL/g，表明提油后的酸木瓜籽仍可以作為一種有效利用的發(fā)酵原料產(chǎn)沼氣，這既可實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)資源的充分循環(huán)利用，也可避免有機(jī)廢棄物對(duì)環(huán)境的污染.發(fā)酵歷時(shí)20 d，累積產(chǎn)氣量約為總產(chǎn)氣量的81%，說(shuō)明該原料中的有機(jī)質(zhì)易于降解，在實(shí)際沼氣發(fā)酵工藝中，為了減短工藝回收成本，可設(shè)計(jì)發(fā)酵罐的水力滯留時(shí)間(HRT)為20 d.

⑵該原料在整個(gè)發(fā)酵周期中，第1天產(chǎn)氣即達(dá)到最高峰320 mL，但甲烷含量較低，不能連續(xù)燃燒，且第2天至第6天不產(chǎn)氣，直到第7天才開(kāi)始恢復(fù)正常產(chǎn)氣階段，說(shuō)明該原料在發(fā)酵初期易出現(xiàn)酸化現(xiàn)象，但一段時(shí)間之后，在發(fā)酵體系中的復(fù)雜微生物的自我調(diào)節(jié)下又能逐漸恢復(fù)正常，在沼氣發(fā)酵過(guò)程中若出現(xiàn)酸化現(xiàn)象，開(kāi)始不必要人為調(diào)節(jié)體系的pH，盡量讓發(fā)酵體系中的微生物自身緩沖調(diào)節(jié)，因?yàn)槿藶榧尤牖瘜W(xué)物質(zhì)調(diào)節(jié)pH常常會(huì)破壞體系中的微生物平衡，可能反而會(huì)影響后續(xù)的發(fā)酵過(guò)程.對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間酸化而又無(wú)法恢復(fù)正常的情況，即使是必須通過(guò)人為調(diào)節(jié)來(lái)緩解酸化，加入化學(xué)物質(zhì)也要盡量滿足“少量多次”的原則.

⑶本實(shí)驗(yàn)對(duì)提油后的酸木瓜籽的產(chǎn)沼氣潛力做了初步研究，為酸木瓜籽提油后的殘?jiān)M(jìn)行再次利用提供了一條新的途徑，但其沼氣發(fā)酵的最佳工藝參數(shù)有待進(jìn)一步探究.

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