柚子皮發(fā)酵產(chǎn)沼氣潛力的試驗研究

張少朋， 陳玉保， 肖慶超， 張無敵， 尹　芳， 趙興玲， 楊順平， 高燕妮， 郝亞杰， 王昌梅， 楊　紅

(1．云南師范大學 能源與環(huán)境科學學院， 云南 昆明　650500； 2．云南鑫田環(huán)境分析測試有限公司， 云南 昆明　650000)

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柚子皮發(fā)酵產(chǎn)沼氣潛力的試驗研究

張少朋1， 陳玉保1， 肖慶超2， 張無敵1， 尹芳1， 趙興玲1， 楊順平1， 高燕妮1， 郝亞杰1， 王昌梅1， 楊紅1

(1．云南師范大學 能源與環(huán)境科學學院， 云南 昆明650500； 2．云南鑫田環(huán)境分析測試有限公司， 云南 昆明650000)

文章以柚子皮為原料，在中溫(30℃±1℃)條件下進行批量式沼氣發(fā)酵試驗，發(fā)酵時間為38 d，結(jié)果表明，柚子皮產(chǎn)氣潛力分別為647 mL·g-1TS和690 mL·g-1VS，是一種較好的沼氣發(fā)酵原料，為柚子皮提供了新的資源化利用途徑。

柚子皮； 厭氧發(fā)酵； 沼氣； 產(chǎn)氣潛力

柚子，又名文旦、香欒、朱欒、內(nèi)紫等，是蕓香科植物柚的成熟果實。柚子果心實但松軟，果肉呈白色、粉紅或鮮紅色，隔分成瓣，瓣間易分離，味酸可口，但有時略帶苦味。柚子單重常達1 kg以上，皮厚耐藏，在自然狀況下可以存放數(shù)月之久而不失香味。

柚子原產(chǎn)于中國、印度和馬來西亞。我國栽培柚子樹的歷史悠久，夏書《禹貢》中曾有記載。方巖雄[3]等的研究表明：通過對柚子皮的綜合提取，最終可以制得果膠、柚皮黃色素和柚皮精油。但目前以柚子皮作為沼氣發(fā)酵原料的實驗和案例尚未見報道。為此，文章以柚子皮作為沼氣發(fā)酵原料進行實驗研究，為柚子皮的資源化利用提供一條合理的途徑。

1　材料與方法

1.1材料

發(fā)酵原料為柚子皮，經(jīng)測定TS(總固體含量) 為20.58%，VS(揮發(fā)性固體含量) 為93.80%。

接種物為實驗室長期馴化的厭氧發(fā)酵活化污泥，經(jīng)測定TS為16.24%，VS 為58.32%， pH值為7.0。

1.2試驗裝置

采用實驗室自制的容積為500 mL 的批量式發(fā)酵裝置，裝置示意圖如圖1 所示。

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.取樣口； 9.玻璃三通； 10.集氣瓶； 11.計量瓶圖1　試驗裝置

1.3方法

1.3.1原料預處理

將柚子皮表面的雜物、污物清除后切碎成小于2 cm的小段，以便充分與接種物混合均勻。

1.3.2試驗設計。

發(fā)酵模式采取批量式中溫厭氧發(fā)酵(溫度設為30℃±1℃)。試驗分別設置一個試驗組和一個對照組，每組分別設3個平行。為保證試驗的一致性，進行單瓶配料，料液的配比如下。試驗組: 120 mL 的接種物，22 g 的柚子皮，加水至400 mL; 對照組: 120 mL 的接種物，加水至400 mL。

1.3.3測試項目

(1)產(chǎn)氣量測定：采用排水集氣法測定[4]，實驗啟動以后，每天定時記錄各組的產(chǎn)氣量，并計算各平行組的平均值，以此來表征發(fā)酵過程每天的產(chǎn)氣量。

(2)甲烷含量測定：采用火焰顏色比色卡法[5]，根據(jù)點燃時火焰的顏色估計沼氣中甲烷的含量。

(3)TS(總固體含量) 測定：將樣品在105℃±2℃下烘至恒重，計算樣品除水分后干物質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)[6]。

式中：W0取為樣品重量,g；W1為樣品烘干至恒重后的重量g。

(4)VS(揮發(fā)性固體含量) 測定：將TS測定后恒重的總固體在550℃±20℃下燒至恒重，計算揮發(fā)性物質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)[6]。

式中：W2為灰分重量,g。

(5)pH值的測定：采用5.7 ～8.5 的精密pH 試紙測定pH值。

2　結(jié)果與分析

2.1發(fā)酵前后發(fā)酵液的TS，VS及pH值變化

實驗共進行了38 d，實驗前后發(fā)酵料液的TS，VS及pH值變化見表1。

表1　實驗前后發(fā)酵料液的TS，VS和pH值　(%)

從表1可以看出，發(fā)酵前后，試驗組和對照組的TS和VS都有不同程度的降低，這說明在厭氧發(fā)酵過程中，原料被不同程度的利用。發(fā)酵前后pH值有所降低，但都維持在沼氣發(fā)酵較佳范圍內(nèi)。通過計算可知，試驗組TS降解率為24.35%，VS降解率為19.24%，而對照組發(fā)酵前后的TS和VS降解率較小，TS降解率僅為8.01%，VS降解率為5.67%，與實際試驗產(chǎn)氣規(guī)律是相符合的，對照組幾乎不產(chǎn)氣。原料的TS和VS降解率都高于對照組，這與產(chǎn)氣量的規(guī)律是相符的。

2.2產(chǎn)氣情況分析

2.2.1日產(chǎn)氣量

試驗啟動后，每天定時記錄產(chǎn)氣情況，通過計算分析柚子皮厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣時間與日產(chǎn)氣量的關系，如圖2所示。

圖2　日產(chǎn)氣量曲線圖

由圖2可知，柚子皮發(fā)酵實驗啟動較快，第2 d就達到了日產(chǎn)氣的高峰，為220 mL，但點燃氣體，完全沒有火焰，這是因為剛開始柚子皮被水解產(chǎn)生大量的CO2；第3 d和第4 d，產(chǎn)氣量的總體趨勢是下降的，點燃氣體有微弱的淡藍色火焰，且不能連續(xù)燃燒，由火焰燃燒顏色分析可知，此時的甲烷的含量較低(40%左右)，說明此時產(chǎn)甲烷細菌不占主導作用或原料水解不充分，底物較少；第5 d～10 d，產(chǎn)氣量呈上升趨勢，第10 d再次出現(xiàn)產(chǎn)氣高峰，為180 mL，這段發(fā)酵時期，點燃氣體，火焰呈藍色或黃色略帶藍色，且能連續(xù)燃燒，從沼氣燃燒顏色可判斷甲烷的含量在60%～70%，說明此階段產(chǎn)甲烷細菌占主導作用，能迅速的利用水解的小分子，并將其轉(zhuǎn)化為甲烷。第11 d～29 d，產(chǎn)氣量總體呈下降趨勢，中間略有波動，但起伏不大，期間從沼氣燃燒顏色可以判斷甲烷的含量為55%左右。第30 d～38 d，雖然每天可以產(chǎn)少量氣體，但均不能持續(xù)燃燒，甲烷含量較低，說明此時底物基本消耗殆盡，反應終止，試驗完成。綜上分析，柚子皮厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣曲線符合沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣的一般規(guī)律：實驗開始時產(chǎn)氣較少，隨后逐漸增加，達到產(chǎn)氣高峰后，又逐漸下降。

2.2.2產(chǎn)氣速率

試驗的累積產(chǎn)氣量見表2。

表2　柚子皮累積產(chǎn)氣量

由表2可以看出，在整個柚子皮的發(fā)酵過程中，第5 d～10 d產(chǎn)氣量增加較快，累積產(chǎn)氣量達到1880 mL。第10 d～15 d和15 d～20 d產(chǎn)氣量的增加幅度相差不大。而25 d～30 d和30 d～38 d增加的幅度不明顯。由上述規(guī)律可知，柚子皮發(fā)酵產(chǎn)沼氣主要集中在前25 d，最快的產(chǎn)氣階段集中在5 d～10 d。

圖3　產(chǎn)氣速率

對柚子皮整個發(fā)酵過程產(chǎn)氣速率變化進行分析可知(見圖3)：在整個發(fā)酵過程中，產(chǎn)氣速率是先增加，后趨于平緩。在發(fā)酵的前30 d呈上升趨勢，特別是第5 d～20 d曲線最為陡峭。到第25 d時已達到總產(chǎn)氣量2930 mL的86%。

2.3產(chǎn)氣潛力分析

結(jié)合圖2和圖3對柚子皮厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣潛力進行統(tǒng)計分析。

表3　柚子皮厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣潛力

為了更全面的評價柚子皮的產(chǎn)氣潛力，對以下常見的幾種水果皮的發(fā)酵時間及TS產(chǎn)氣潛力做了統(tǒng)計，結(jié)果見表4。

表4　不同水果皮的產(chǎn)氣潛力

由表4可以看出，由于各種水果皮富含大量的淀粉和糖類，所以TS的產(chǎn)氣潛力普遍較高。對于柚子皮，發(fā)酵時間為38 d，與其他各種原料相比，發(fā)酵時間相對較長，但差距并不是很明顯，僅低于哈密瓜皮和西瓜皮，且和葡萄皮的發(fā)酵時間接近；TS的產(chǎn)氣潛力僅高于菠蘿皮，且和西瓜皮的產(chǎn)氣潛力接近，除了葡萄皮，柚子皮和其他果皮的TS產(chǎn)氣潛力相差無幾，表明柚子皮的產(chǎn)氣潛力較好，是一種較理想的沼氣發(fā)酵原料。

3　結(jié)論

(1)以柚子皮作為原料，在30℃下進行批量式厭氧發(fā)酵試驗，發(fā)酵時間為38 d，產(chǎn)氣啟動較快，且主要集中在前25 d，到第25 d時累積的產(chǎn)氣量已達到總產(chǎn)氣量的86%。

(2)柚子皮是一種良好的發(fā)酵原料，整個發(fā)酵過程共產(chǎn)氣2930 mL，發(fā)酵前后pH值變化不大，維持在沼氣發(fā)酵的較佳范圍內(nèi)。經(jīng)過計算，柚子皮的日平均產(chǎn)氣量為77 mL，原料產(chǎn)氣率為133 mL·g-1，TS產(chǎn)氣潛力為647 mL·g-1，VS產(chǎn)氣潛力為690 mL·g-1。該試驗結(jié)果為柚子皮的后續(xù)利用提供了理論依據(jù)，也提供了新的資源化利用途徑。

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Experimental on Biogas Production Potential of Pomelo Peel /

ZHANG Shao-peng1, CHEN Yu-bao1, XIAO Qing-chao2, ZHANG Wu-di1, YIN Fang1, ZHAO Xing-ling1, YANG Shun-ping1, GAO Yan-ni1, HAO Ya-jie1, WANG Chang-mei1, YANG Hong1/

(1. School of Energy and Environmental Science, Yunnan Normal University, Kunming 650500，China; 2. Yunnan Xintian Environmental Analysis and Testing Co Ltd, Kunming 650000，China)

Biogas fermentation of pomelo peel was studied at (30 ℃± 1℃) by batch fermentation. The results showed that the gas production rate was 647 mL· g-1TS and 690 mL· g-1VS in 38 days of anaerobic fermentation. It was a good raw material for biogas fermentation.

pomelo peel; anaerobic fermentation; methane; biogas production potential

2015-10-14

2015-11-04

項目來源： 國家自然科學基金項目(21266032)； 云南省應用基礎研究面上項目(2010CD050)； 云南省科技條件平臺建設項目(2010DH012)

張少朋(1991-)，男，河南省鞏義人，碩士，研究方向為生物質(zhì)能，E-mail:1543982158@qq.com

陳玉保，E-mail:c20072007@163.com

S216.4

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1000-1166(2016)05-0047-03