香瓜皮發酵產沼氣潛力研究

摘要：為探討香瓜（Cucumis melo L.）皮作為沼氣發酵原料資源化利用的可行性，以香瓜皮為發酵原料，在30 ℃下進行批量式沼氣發酵試驗，測定發酵過程中的TS產氣潛力、VS產氣潛力、日產氣量、產氣速率、pH等指標。結果表明，發酵歷時48 d，當發酵體系出現酸化時，在微生物的調節下pH能夠很快恢復，產氣未受到任何影響。整個發酵過程香瓜皮總產氣量3 274 mL，TS產氣潛力為726 mL/g（TS），VS產氣潛力為777 mL/g（VS），且發酵前后pH變化不大，維持在沼氣發酵的較佳范圍內。

關鍵詞：香瓜（Cucumis melo L.）皮；沼氣發酵；pH；產氣潛力

中圖分類號：TQ920；S652.2 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）17-4484-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.17.032

Abstract： Aiming to study the feasibility of biogas production using muskmelon（Cucumis melo L.） skins in a resource utilization way，using musk melon skins as raw materials， the fermentation experiments were carried out at 30 ℃. Parameters of TS biogas production potential， VS biogas production potential， daily biogas output， biogas production rate and pH etc. were determined during experiments. Results showed that，fermentation lasted 48 days， when the fermentation system appeared acidification， under the regulation of microorganisms， pH can quickly recover， there was no any effect on the production of gas. The total biogas production output of musk melon skins during fermentation experiment was 3 274 mL， TS biogas production potential was 726 mL/g（TS），VS biogas production potential was 777 mL/g（VS）. Before and after the experiment， pH changed slightly and remained within the suitable scope for fermentation.

Key words： muskmelon skins（Cucumis melo L.）； biogas fermentation； pH； biogas production potential

香瓜（Cucumis melo L.）屬葫蘆科（Cucurbitaceae）甜瓜屬（Cucumis）一年生蔓生草本植物，其味甘，性寒，是人們夏天特別喜歡的瓜類之一[1]。香瓜具有特殊的香味，富含糖類、礦物質和維生素，具有清熱解暑、止咳利尿、消除疲勞、軟化血管、降低膽固醇等作用。小兒飲其汁，對防治軟骨病有一定的作用，香瓜所含的軟化酶可以將不溶性蛋白質轉化為可溶性蛋白質供腎臟吸收。另外，香瓜含有胡蘿卜素B，能明顯增加肝臟內糖原的儲備量，可及時補充大腦與血液中的血糖濃度，對人體的精力有明顯的補充作用[2，3]。在食用過程中大量的香瓜果皮被隨意丟棄，既造成環境污染問題，也使得大量的生物質資源被浪費。目前以香瓜皮作為沼氣發酵原料的試驗尚未見報道。為此，本試驗以香瓜皮為原料，探究其產沼氣潛力，以期為解決其環境污染問題提供一條新的途徑，同時實現香瓜皮的資源化利用。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

發酵原料為香瓜皮，經測定總固體（TS）含量為8.02%，揮發性固體（VS）含量為93.34%。接種物為實驗室長期馴化的厭氧發酵活化污泥，TS含量為16.24%，VS含量為65.13%。

1.2 試驗裝置

采用實驗室自制的容積為500 mL的發酵裝置進行試驗。裝置示意圖如圖1所示。

1.3 試驗方法

1.3.1 原料預處理 將香瓜皮清理后切成小于2 cm的小段，以便充分與接種物混合均勻。

1.3.2 試驗設計 分別設置試驗組和對照組，每組3次重復。為保證試驗的一致性，進行單瓶配料。試驗組料液配比：120 mL接種物，56.26 g香瓜皮，加水至400 mL；對照組料液配比：120 mL接種物，加水至400 mL。采用自動控溫裝置30 ℃下厭氧發酵，每天定時記錄產氣量及火焰顏色。

1.3.3 測試項目

1）產氣量的測定。排水法收集沼氣[4]，統計每天特定時間內計量瓶中所收集水的體積。同時，采用火焰顏色比色卡法[5]，根據火焰的顏色確定沼氣中甲烷的含量。

2）TS含量的測定。將樣品在（105±2） ℃下烘至恒重，計算樣品干物質的質量分數[6]。

式中，W0為樣品重量（g）；W1為樣品烘干至恒重后的重量（g）。

3）VS含量的測定。將測定TS后恒重的總固體在（550±20） ℃下燒至恒重，計算揮發性物質的質量分數[6]。

式中，W2為灰分重量（g）。

4）pH的測定。采用精密pH試紙測定pH。

2 結果與分析

試驗測定并記錄了發酵前后料液TS、VS、pH的變化，對發酵料液每天產氣量進行了統計，計算了其產氣速率，最后得出香瓜皮的產氣潛力。

2.1 發酵前后料液TS、VS、pH的變化

試驗共進行了48 d，試驗前后發酵料液TS、VS、pH的變化見表1。由表1可以看出，試驗組和對照發酵后的TS和VS含量都有所下降，說明在厭氧發酵過程中，原料被一定程度地利用。試驗組TS和VS降低量明顯高于對照，這是由于對照的原料是長期馴化后的活性污泥，其含有的可降解有機物較少，因此VS含量下降較少。經進一步計算可知，試驗組料液的TS和VS降解率分別為15.27%和16.52%；對照料液的TS和VS降解率分別為14.63%和12.50%，表明香瓜皮能被發酵微生物有效降解。

2.2 產氣量分析

2.2.1 日產氣量 統計每天特定時間內計量瓶中所收集水的體積，試驗組與對照體積的差值作為實際產氣量，3次重復的平均值得實際產氣量即為每天香瓜皮發酵的產氣量。試驗開始后，每天記錄香瓜皮的產氣量，得出香瓜皮產氣量與發酵時間的變化規律（圖2）。從圖2可以看出，香瓜皮厭氧發酵產氣曲線符合沼氣發酵產氣的一般規律，沼氣發酵共48 d，發酵第1天，產氣量達到小高峰，為170 mL，但所產生的氣體不能點燃，甲烷的含量不高（<40%），這是由于發酵初期香瓜皮被水解產生CO2的緣故；發酵第2～3天，產氣量均小于第1天，所產生的氣體也不能點燃，甲烷的含量約為40%；發酵第4天和第5天，產氣量突然下降，僅為50 mL，所產生的氣體能連續燃燒但不能燒完，火焰顏色為淡青藍，判斷甲烷含量約55%；pH經測定為6.0，發酵體系出現酸化，在微生物的自我調節下，發酵體系第7天恢復正常，pH為7.0；發酵的第8天，產氣量達到最大，為220 mL，所產生的氣體能連續燃燒并且能夠燒盡，火焰顏色為青藍色，從火焰顏色判斷甲烷含量為70%左右；第19～27天，沼氣產量總體呈下降趨勢，這段發酵期間，從火焰顏色判斷甲烷含量在70%左右；第28～48天，產氣量普遍比較低，第40 天時產氣量最低，僅為10 mL，從沼氣火焰顏色判斷甲烷含量在40%～55%。

2.2.2 累計產氣量 對香瓜皮發酵的累計產氣量進行了統計，結果見表2。由表2可知，在香瓜皮的整個發酵過程中，前5 d的產氣量較少，這是由于第4天體系酸化，pH為6.0，導致體系中產甲烷菌不能正常代謝的結果。在微生物的自我調節下，體系恢復正常后產氣量平穩上升。整個厭氧發酵過程中，主要產氣階段集中在第5～30天，從490 mL增加到2 908 mL；最快產氣階段為第10～20天，從1 344 mL增加到2 505 mL；30 d以后的產氣量雖然仍在增加，但增加幅度不明顯。由試驗數據可知，香瓜皮發酵產沼氣主要集中在前30 d。

2.3 產氣速率分析

每天實際產氣量與總產氣量之比為產氣速率。香瓜皮整個發酵過程產氣速率變化如圖3所示。由圖3可知，香瓜皮發酵產氣速率隨發酵時間的延長先增加后趨于平緩。在整個發酵過程中，1～5 d產氣速率較平緩，這是體系酸化造成的；6～27 d的曲線最為陡峭，到第30天時，產氣量已經達到總產氣量的88.82%，其后產氣速率明顯減緩。發酵45 d產氣速率達到99.39%，表明第48天時香瓜皮中可被沼氣發酵微生物降解的成分大部分已被發酵轉化成沼氣。

2.4 產氣潛力分析

香瓜皮發酵總產氣量為3 274 mL，新鮮原料產氣潛力為58 mL/g，TS產氣潛力為726 mL/g（TS），VS產氣潛力為777 mg/g（VS）。為更好地評價香瓜皮厭氧發酵產沼氣的潛力，將其與其他原料在相同條件和發酵工藝下的產沼氣潛力進行比較，結果見表3。

由表3可以看出，不同水果果皮的發酵時間不同，哈密瓜皮、西瓜皮、菠蘿蜜果皮發酵時間較長，而西番蓮皮、香蕉皮、菠蘿皮、葡萄皮渣、紅毛丹果皮等發酵時間較短。同時，水果皮的TS產氣率普遍比較高。產氣潛力較大的哈密瓜皮、西番蓮皮、香蕉皮、西瓜皮、葡萄皮渣等含有較多的易于水解的單糖、多糖等有機物，在水解性細菌的作用下水解成產甲烷菌的底物，故產氣較多，產氣率高；而菠蘿皮、紅毛丹果皮、菠蘿蜜果皮等難于水解的有機物較多，因此水解有機物并產沼氣所需時間相對較長，產氣相對較少。與其他原料相比，香瓜皮的TS產氣率居中，且其可自行正常發酵，表明香瓜皮是一種較好的發酵原料。

3 小結

以香瓜皮為原料，在30 ℃下進行批量式厭氧發酵試驗，發酵時間為48 d。啟動后第4天體系出現酸化，pH為6.0，延長了厭氧發酵的水力滯留時間（HRT），但在沼氣微生物的自我調節下，系統第7天恢復正常，開始正常產氣。主要產氣階段集中在5～30 d，最快產氣階段為10～20 d；發酵30 d時累積產氣2 908 mL，產氣速率達88.82%。

發酵料液TS、VS降解率分別為15.27%和16.52%，表明香瓜皮能被沼氣發酵微生物有效降解。整個發酵過程總產氣量為3 274 mL，TS產氣潛力為726 mL/g（TS），VS產氣潛力為777 mL/g（VS），且發酵前后pH變化不大，維持在沼氣發酵的較佳范圍內。香瓜皮與其他品種水果皮相比具有較好的產氣潛力。該試驗結果為香瓜皮的后續利用提供了理論依據，也提供了新的資源化利用途徑。

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