香蕉皮中溫厭氧發酵產沼氣性能研究

巴 克，蘇有勇，閆紅心，徐惠媛，王瑞娜

(昆明理工大學農業與食品學院，云南 昆明 650500)

0 引言

現如今，能源問題已經成為社會和經濟發展的決定性因素，使用傳統化石燃料的生產生活方式已經出現了許多弊端，可再生能源和綠色能源的優勢已經顯露出來，而且可再生能源與綠色能源可在一定程度上解決環境問題[1]。自2003年以來，云南的生態環境不斷遭受破壞，主要污染物的排放面積不斷擴大，可持續發展面臨著前所未有的壓力。厭氧發酵是一個相對成熟的廢物處理技術，可以利用有機廢棄物產生清潔能源，對于生態環境保護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，也是中國最受歡迎的水果之一[3]。據聯合國糧農組織(Food and Agriculture Organization of the United Nations，FAO)統計，2017年中國香蕉收獲面積約38.13萬hm2，產量1 142.3萬t，收獲面積和總產量分別位居全球第6位和第2位，香蕉產業已成為中國南亞熱帶地區農民脫貧致富的重要支柱產業[4]。一般來說，香蕉皮質量占香蕉總質量的30%～50%，如果這些香蕉皮處理不當，將會成為污染源，對人類和動物的健康構成威脅[5]。

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

1 試驗材料

1.1 香蕉皮

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

表1 香蕉皮原料分析

1.2 接種物

接種物來源于昆明理工大學農業與食品學院農業生物環境與能源工程研究室利用牛糞厭氧發酵完全后的活性污泥，其特性分析結果如表2所示。

表2 接種物相關指標

1.3 試驗裝置

采用的裝置為一種經典的“物料反應+氣體收集”裝置模式，批量試驗發酵裝置原理如圖1所示，實物如圖2所示。發酵裝置主要由發酵瓶、存氣瓶、計量瓶和恒溫水浴鍋組成。在進行沼氣發酵試驗之前，對裝置進行氣密性檢查，確保密封后再投料[10]。

1.儲水集氣瓶 2.發酵瓶 3.水浴鍋

圖2 試驗裝置實物

2 試驗方法

2.1 試驗設計

本次試驗在35℃的條件下，采取批量發酵方式，試驗設計如表3所示，每組再做一組平行對照試驗，且做空白對照試驗[11]。表3中用量是以TS占發酵體積百分比計算。

表3 試驗設計

2.2 發酵料液配制

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

(2)根據香蕉皮的TS含量計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)加入發酵瓶中，香蕉皮用量=(香蕉皮用量百分比×發酵總體積)/香蕉皮TS含量。

(3)用沼液定容至400 mL。

發酵料液配比如表4所示。

表4 發酵料液配比

2.3 試驗數據記錄

(1)每天記錄產沼氣量，并觀察氣體燃燒火焰情況。

(2)試驗完成后，測定發酵后發酵體系的pH值。

3 結果與分析

3.1 香蕉皮濃度對日產氣量的影響

香蕉皮濃度對日產氣量的影響如圖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氣量均呈現先上升再平穩后下降的趨勢。在發酵初期1～2 d即達到峰值，主要原因是在發酵開始階段接種物與香蕉皮接觸，水解產酸細菌通過一系列的生化反應消耗香蕉皮產生氣體，這時主要是二氧化碳。最開始的階段，水解產酸細菌活性較好，發酵環境也比較適合水解產酸細菌的生長繁殖，反應速度較快，產生大量的二氧化碳，使日產氣量達到一個峰值。但香蕉皮易酸化，在發酵中末期，發酵體系中產酸菌產酸較多，造成酸堆積，發酵體系酸化，影響了產甲烷菌的活性，抑制了產甲烷菌的生理活動，使甲烷產生較少甚至消失[12]。

從圖3a可以看出，香蕉皮濃度的不同，對日產氣量的影響很大。香蕉皮濃度較低時，產氣量很少，反應周期很短，基本1周左右完成反應。隨著香蕉皮濃度的增加，反應周期逐漸增長，日產氣量也逐漸增加。接種物濃度3%條件下，3%香蕉皮濃度日產氣量最佳，在第7天時，產氣達760 mL，燃燒情況最好，火勢最大，焰色最佳。但在第12天時，日產氣量出現明顯下滑，主要是因為發酵體系酸化，抑制了甲烷的產生。

從圖3b和圖3c中可以看出，日產氣量趨勢與圖3a相似。但隨著發酵進行，在發酵中后期，香蕉皮濃度2.5%的日產氣量會高于并穩定高于香蕉皮濃度3%的日產氣量，且接種物濃度越高越明顯。主要因為接種物濃度增大，發酵體系中細菌數量增多，反應速度加快，更快的產生酸，影響產甲烷菌的活性。并且發酵中后期，易降解的有機物利用完后，剩余難降解的物質降解速率下降，產酸減少，同時產甲烷菌可以利用產生的酸生成甲烷，也會使酸濃度降低，對其他細菌的活性影響不會很大[10]。

若單從日產氣量考慮，香蕉皮濃度3%與接種物濃度3%的發酵體系日產氣量較好。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，發酵第1天皆達峰值，但此時產氣中主要是二氧化碳。隨著發酵時間變長，接種物濃度越高，酸化越快，日產氣量下降越快。接種物濃度3%、4%、5%分別在第7天、第4天、第7天再次達到產氣峰值，為760、600和700 mL。

圖3 香蕉皮濃度對日產氣量的影響

3.2 香蕉皮濃度對總產氣量的影響

香蕉皮濃度對總產氣量的影響如圖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氣量均呈現上升趨勢。在圖4a和圖4b中，香蕉皮濃度3%累計產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%的累計產氣量會在第14天逐漸趨于平穩，逐漸停止產氣。從這個角度也可以看出發酵體系酸化會影響產甲烷菌的活性，但不會抑制甲烷的產生，發酵體系酸化會明顯影響日產氣量，但總體上不會對總產氣量造成較大影響[11]。

圖4 香蕉皮濃度對總產氣量的影響

圖4d中香蕉皮濃度3%，可以看出接種物濃度對累計產氣量有影響，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 發酵后pH值的變化情況

如表5所示，初始pH值為9.43，發酵體系內發生一系列生化反應后，pH值都有明顯降低。香蕉皮濃度在1%～2%與2.5%～3.0%時pH值會隨著濃度的增高而略微變小，變化幅度不大，這可能是因為產酸細菌分解易降解的有機物后，無法迅速分解剩余大分子物質，產酸減少，同時產甲烷菌利用有機酸生成甲烷，形成了一種平衡，pH值保持穩定。香蕉皮濃度在2.0%～2.5%時，pH值變小幅度很大，這是因為產酸細菌分解易降解的有機物后，產生的酸過多，且影響了產甲烷菌的活性，使產甲烷菌無法迅速地利用有機酸生成甲烷，造成大量的酸堆積，使pH值變小。

表5 不同接種物濃度發酵完成后pH值

香蕉皮的濃度越大，pH值越小，驗證了上述關于酸堆積影響產氣的理論。同一香蕉皮濃度條件下，接種物濃度對pH值影響不大，或者說基本無影響。

4 結論

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

(2)在相同香蕉皮濃度下，隨著發酵時間變長，接種物濃度越高，酸化越快，日產氣量越少。對于累計產氣量，香蕉皮濃度4%已經與3%累計產氣量基本相同，香蕉皮濃度提高到5%時，發酵中后期產氣量就會降低。

(3)香蕉皮發酵會大幅度改變初始pH值，但在一定香蕉皮濃度區域中pH值會保持穩定，在區域交界處會出現大幅度的降低，這取決于產酸細菌在分解易降解的有機物后，產生的酸會不會影響產甲烷菌的活性，產甲烷菌能否迅速地利用酸生成甲烷。