巴 克，蘇有勇，閆紅心，徐惠媛，王瑞娜

(昆明理工大學(xué)農(nóng)業(yè)與食品學(xué)院，云南 昆明 650500)

0 引言

現(xiàn)如今，能源問(wèn)題已經(jīng)成為社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的決定性因素，使用傳統(tǒng)化石燃料的生產(chǎn)生活方式已經(jīng)出現(xiàn)了許多弊端，可再生能源和綠色能源的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)顯露出來(lái)，而且可再生能源與綠色能源可在一定程度上解決環(huán)境問(wèn)題[1]。自2003年以來(lái)，云南的生態(tài)環(huán)境不斷遭受破壞，主要污染物的排放面積不斷擴(kuò)大，可持續(xù)發(fā)展面臨著前所未有的壓力。厭氧發(fā)酵是一個(gè)相對(duì)成熟的廢物處理技術(shù)，可以利用有機(jī)廢棄物產(chǎn)生清潔能源，對(duì)于生態(tài)環(huán)境保護(hù)和能源利用具有較大的意義[2]。

香蕉是一種熱帶和亞熱帶水果，也是中國(guó)最受歡迎的水果之一[3]。據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(Food and Agriculture Organization of the United Nations，F(xiàn)AO)統(tǒng)計(jì)，2017年中國(guó)香蕉收獲面積約38.13萬(wàn)hm2，產(chǎn)量1 142.3萬(wàn)t，收獲面積和總產(chǎn)量分別位居全球第6位和第2位，香蕉產(chǎn)業(yè)已成為中國(guó)南亞熱帶地區(qū)農(nóng)民脫貧致富的重要支柱產(chǎn)業(yè)[4]。一般來(lái)說(shuō)，香蕉皮質(zhì)量占香蕉總質(zhì)量的30%～50%，如果這些香蕉皮處理不當(dāng)，將會(huì)成為污染源，對(duì)人類和動(dòng)物的健康構(gòu)成威脅[5]。

此外，香蕉皮中含有果膠、維生素、礦物質(zhì)和微量元素等豐富的營(yíng)養(yǎng)成分，并且香蕉皮富含含有酸性有機(jī)化合物的纖維素和半纖維素，如果將其用作沼氣生產(chǎn)的底物，不僅解決了香蕉皮污染的問(wèn)題，還提出一條新的清潔能源生產(chǎn)途徑[6-9]。

1 試驗(yàn)材料

1.1 香蕉皮

本試驗(yàn)所用香蕉皮原料取自昆明理工大學(xué)恬園水果店，用切碎機(jī)粉碎后混合均勻得到發(fā)酵原料，原料特性分析結(jié)果如表1所示。其中，TS為總固體含量，指試樣在一定溫度下蒸發(fā)至干時(shí)所剩余的固體的量；VS為揮發(fā)性固體含量，指原料總固體中除去灰分以后剩下的固體物質(zhì)的量。

表1 香蕉皮原料分析

1.2 接種物

接種物來(lái)源于昆明理工大學(xué)農(nóng)業(yè)與食品學(xué)院農(nóng)業(yè)生物環(huán)境與能源工程研究室利用牛糞厭氧發(fā)酵完全后的活性污泥，其特性分析結(jié)果如表2所示。

表2 接種物相關(guān)指標(biāo)

1.3 試驗(yàn)裝置

采用的裝置為一種經(jīng)典的“物料反應(yīng)+氣體收集”裝置模式，批量試驗(yàn)發(fā)酵裝置原理如圖1所示，實(shí)物如圖2所示。發(fā)酵裝置主要由發(fā)酵瓶、存氣瓶、計(jì)量瓶和恒溫水浴鍋組成。在進(jìn)行沼氣發(fā)酵試驗(yàn)之前，對(duì)裝置進(jìn)行氣密性檢查，確保密封后再投料[10]。

1.儲(chǔ)水集氣瓶 2.發(fā)酵瓶 3.水浴鍋

圖2 試驗(yàn)裝置實(shí)物

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)在35℃的條件下，采取批量發(fā)酵方式，試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表3所示，每組再做一組平行對(duì)照試驗(yàn)，且做空白對(duì)照試驗(yàn)[11]。表3中用量是以TS占發(fā)酵體積百分比計(jì)算。

表3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.2 發(fā)酵料液配制

(1)根據(jù)接種物的TS含量計(jì)算需要的接種物用量(質(zhì)量和體積可近似相等)，用量筒量取所需接種物加入發(fā)酵瓶中，接種物用量=(接種物用量百分比×發(fā)酵總體積)/接種物TS含量。

(2)根據(jù)香蕉皮的TS含量計(jì)算需要的香蕉皮用量，稱取所需的香蕉皮(事先切碎至1～2 mm)加入發(fā)酵瓶中，香蕉皮用量=(香蕉皮用量百分比×發(fā)酵總體積)/香蕉皮TS含量。

(3)用沼液定容至400 mL。

發(fā)酵料液配比如表4所示。

表4 發(fā)酵料液配比

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

(1)每天記錄產(chǎn)沼氣量，并觀察氣體燃燒火焰情況。

(2)試驗(yàn)完成后，測(cè)定發(fā)酵后發(fā)酵體系的pH值。

3 結(jié)果與分析

3.1 香蕉皮濃度對(duì)日產(chǎn)氣量的影響

香蕉皮濃度對(duì)日產(chǎn)氣量的影響如圖3所示。從圖中可以看出，在相同的接種物濃度下，不同香蕉皮濃度的日產(chǎn)氣量均呈現(xiàn)先上升再平穩(wěn)后下降的趨勢(shì)。在發(fā)酵初期1～2 d即達(dá)到峰值，主要原因是在發(fā)酵開(kāi)始階段接種物與香蕉皮接觸，水解產(chǎn)酸細(xì)菌通過(guò)一系列的生化反應(yīng)消耗香蕉皮產(chǎn)生氣體，這時(shí)主要是二氧化碳。最開(kāi)始的階段，水解產(chǎn)酸細(xì)菌活性較好，發(fā)酵環(huán)境也比較適合水解產(chǎn)酸細(xì)菌的生長(zhǎng)繁殖，反應(yīng)速度較快，產(chǎn)生大量的二氧化碳，使日產(chǎn)氣量達(dá)到一個(gè)峰值。但香蕉皮易酸化，在發(fā)酵中末期，發(fā)酵體系中產(chǎn)酸菌產(chǎn)酸較多，造成酸堆積，發(fā)酵體系酸化，影響了產(chǎn)甲烷菌的活性，抑制了產(chǎn)甲烷菌的生理活動(dòng)，使甲烷產(chǎn)生較少甚至消失[12]。

從圖3a可以看出，香蕉皮濃度的不同，對(duì)日產(chǎn)氣量的影響很大。香蕉皮濃度較低時(shí)，產(chǎn)氣量很少，反應(yīng)周期很短，基本1周左右完成反應(yīng)。隨著香蕉皮濃度的增加，反應(yīng)周期逐漸增長(zhǎng)，日產(chǎn)氣量也逐漸增加。接種物濃度3%條件下，3%香蕉皮濃度日產(chǎn)氣量最佳，在第7天時(shí)，產(chǎn)氣達(dá)760 mL，燃燒情況最好，火勢(shì)最大，焰色最佳。但在第12天時(shí)，日產(chǎn)氣量出現(xiàn)明顯下滑，主要是因?yàn)榘l(fā)酵體系酸化，抑制了甲烷的產(chǎn)生。

從圖3b和圖3c中可以看出，日產(chǎn)氣量趨勢(shì)與圖3a相似。但隨著發(fā)酵進(jìn)行，在發(fā)酵中后期，香蕉皮濃度2.5%的日產(chǎn)氣量會(huì)高于并穩(wěn)定高于香蕉皮濃度3%的日產(chǎn)氣量，且接種物濃度越高越明顯。主要因?yàn)榻臃N物濃度增大，發(fā)酵體系中細(xì)菌數(shù)量增多，反應(yīng)速度加快，更快的產(chǎn)生酸，影響產(chǎn)甲烷菌的活性。并且發(fā)酵中后期，易降解的有機(jī)物利用完后，剩余難降解的物質(zhì)降解速率下降，產(chǎn)酸減少，同時(shí)產(chǎn)甲烷菌可以利用產(chǎn)生的酸生成甲烷，也會(huì)使酸濃度降低，對(duì)其他細(xì)菌的活性影響不會(huì)很大[10]。

若單從日產(chǎn)氣量考慮，香蕉皮濃度3%與接種物濃度3%的發(fā)酵體系日產(chǎn)氣量較好。選取3%的香蕉皮濃度不變，觀察不同接種物濃度的影響，如圖3d所示，發(fā)酵第1天皆達(dá)峰值，但此時(shí)產(chǎn)氣中主要是二氧化碳。隨著發(fā)酵時(shí)間變長(zhǎng)，接種物濃度越高，酸化越快，日產(chǎn)氣量下降越快。接種物濃度3%、4%、5%分別在第7天、第4天、第7天再次達(dá)到產(chǎn)氣峰值，為760、600和700 mL。

圖3 香蕉皮濃度對(duì)日產(chǎn)氣量的影響

3.2 香蕉皮濃度對(duì)總產(chǎn)氣量的影響

香蕉皮濃度對(duì)總產(chǎn)氣量的影響如圖4所示。從圖中可以看出，在相同的接種物濃度下，不同香蕉皮濃度的總產(chǎn)氣量均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。在圖4a和圖4b中，香蕉皮濃度3%累計(jì)產(chǎn)氣量比同接種物濃度的其他香蕉皮濃度高許多，但在圖4c中香蕉皮濃度3%的累計(jì)產(chǎn)氣量會(huì)在第14天逐漸趨于平穩(wěn)，逐漸停止產(chǎn)氣。從這個(gè)角度也可以看出發(fā)酵體系酸化會(huì)影響產(chǎn)甲烷菌的活性，但不會(huì)抑制甲烷的產(chǎn)生，發(fā)酵體系酸化會(huì)明顯影響日產(chǎn)氣量，但總體上不會(huì)對(duì)總產(chǎn)氣量造成較大影響[11]。

圖4 香蕉皮濃度對(duì)總產(chǎn)氣量的影響

圖4d中香蕉皮濃度3%，可以看出接種物濃度對(duì)累計(jì)產(chǎn)氣量有影響，在前期接種物濃度3%、4%、5%曲線基本保持一致，在中后期接種物濃度4%基本與接種物濃度3%曲線重合，接種物濃度5%要低于兩者。

3.3 發(fā)酵后pH值的變化情況

如表5所示，初始pH值為9.43，發(fā)酵體系內(nèi)發(fā)生一系列生化反應(yīng)后，pH值都有明顯降低。香蕉皮濃度在1%～2%與2.5%～3.0%時(shí)pH值會(huì)隨著濃度的增高而略微變小，變化幅度不大，這可能是因?yàn)楫a(chǎn)酸細(xì)菌分解易降解的有機(jī)物后，無(wú)法迅速分解剩余大分子物質(zhì)，產(chǎn)酸減少，同時(shí)產(chǎn)甲烷菌利用有機(jī)酸生成甲烷，形成了一種平衡，pH值保持穩(wěn)定。香蕉皮濃度在2.0%～2.5%時(shí)，pH值變小幅度很大，這是因?yàn)楫a(chǎn)酸細(xì)菌分解易降解的有機(jī)物后，產(chǎn)生的酸過(guò)多，且影響了產(chǎn)甲烷菌的活性，使產(chǎn)甲烷菌無(wú)法迅速地利用有機(jī)酸生成甲烷，造成大量的酸堆積，使pH值變小。

表5 不同接種物濃度發(fā)酵完成后pH值

香蕉皮的濃度越大，pH值越小，驗(yàn)證了上述關(guān)于酸堆積影響產(chǎn)氣的理論。同一香蕉皮濃度條件下，接種物濃度對(duì)pH值影響不大，或者說(shuō)基本無(wú)影響。

4 結(jié)論

(1)香蕉皮濃度對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的影響并不都是正面的，3%接種物濃度下3%香蕉皮濃度的日產(chǎn)氣量最大，但4%、5%接種物濃度下，2.5%香蕉皮濃度的日產(chǎn)氣量最大，再增大香蕉皮濃度會(huì)發(fā)生酸化，減少甲烷的生成。

(2)在相同香蕉皮濃度下，隨著發(fā)酵時(shí)間變長(zhǎng)，接種物濃度越高，酸化越快，日產(chǎn)氣量越少。對(duì)于累計(jì)產(chǎn)氣量，香蕉皮濃度4%已經(jīng)與3%累計(jì)產(chǎn)氣量基本相同，香蕉皮濃度提高到5%時(shí)，發(fā)酵中后期產(chǎn)氣量就會(huì)降低。

(3)香蕉皮發(fā)酵會(huì)大幅度改變初始pH值，但在一定香蕉皮濃度區(qū)域中pH值會(huì)保持穩(wěn)定，在區(qū)域交界處會(huì)出現(xiàn)大幅度的降低，這取決于產(chǎn)酸細(xì)菌在分解易降解的有機(jī)物后，產(chǎn)生的酸會(huì)不會(huì)影響產(chǎn)甲烷菌的活性，產(chǎn)甲烷菌能否迅速地利用酸生成甲烷。