炭化基質促進咖啡皮渣厭氧發酵的實驗研究

晏和滇，楊德龍，周淼，3，周清鷺，李舷綾，王躍，4，趙龍，4，姜平紅，4，李燕

（1. 滇西應用技術大學 普洱茶學院，云南普洱 665000；2. 云南農業大學 資源與環境學院，云南 昆明 650051；3. 云南農業大學 茶學院，云南 昆明 650051；4. 安琪酵母（普洱）有限公司，云南 普洱 665600）

咖啡在加工過程中產生的大量皮渣，包括咖啡殼、果膠、銀皮及其他雜質，這些廢物處理不當不僅影響人居環境質量，而且造成資源浪費[1]。咖啡皮渣的主要成分為纖維素、半纖維素、蛋白質、脂肪等[2-3]，是一種良好的厭氧發酵原料。但由于厭氧發酵過程復雜多變，發酵效率和穩定性受pH、溫度、有機負荷率、水力停留時間、微量元素等諸多因素影響[4]，致使目前仍未廣泛使用。

活性炭具有豐富孔隙結構、比表面積大和特異性吸附能力強等特點[5-6]。在厭氧發酵體系內加入活性炭能增加微生物密度，同時能保持對微生物生長有利的環境，從而使微生物更好地降解有機物質，加快揮發性脂肪酸（VFAs）的消耗提高產氣量，有效提高發酵效率[7-8]。許躍等[9]在食用油厭氧消化過程中投加活性炭（GAC）并分析其對厭氧菌群群落結構的影響，研究發現，添加GAC 加快乙酸的降解和甲烷的轉化，增強了胞外電子傳遞功能的細菌和參與直接種間電子傳遞（DIET）的產甲烷菌的富集，提升了系統運行速率。楊波等[10]研究GAC 的投加對污泥厭氧發酵過程的影響并對微生物群落進行分析，結果發現，投加GAC 提高了系統內微生物活性，促進了產甲烷菌的富集，產甲烷速率提高了68.18%。María 等[11]發現，在餐廚垃圾厭氧發酵體系內加入GAC，能有效增強互營微生物種間電子傳遞能力，提高甲烷產量。

咖啡皮渣厭氧發酵過程中揮發性脂肪酸容易積累，引發系統酸化，造成難降解物質降解不充分，產氣速率低，產氣總量較少[12-13]。本實驗以咖啡皮渣為原料，添加不同工藝制備的活性炭，以增加厭氧發酵系統內微生物密度和活性，加快VFAs 分解，促進系統產氣。

1 材料與方法

1.1 實驗材料及裝置

本實驗研究的咖啡皮渣取自普洱市思茅區某咖啡初加工廠，接種物為課題組長期馴化培養的活性污泥。咖啡皮渣及接種物的特性見表1。

表1 實驗原料特性

實驗發酵裝置如圖1，在恒溫（35±2）℃。下進行序批式厭氧消化實驗，發酵瓶容積為1000mL，采用便攜式氣體檢測儀（型號：SKY2000-CH4，規格：0～100% vol）測定氣體成分及含量。

圖1 實驗裝置圖

1.2 實驗過程

根據文獻［14］的制備方法，采用KOH 為化學活化劑制備高性能活性炭，制備工藝圖如圖2 所示。先將咖啡殼烘干研磨過60 目篩子后，用馬弗爐（SX-5-12 型）在500 ℃炭化1 h 制得炭化料，按不同用堿量（KOH 與炭化料質量比，2∶1、4∶1）浸漬24 h，干燥后在500 ℃下活化一段時間（10 min、20 min、30 min），所得活性炭經酸洗、水洗、烘干即成品活性炭[15]。

圖2 咖啡殼活性炭制備工藝圖

結果表明，用堿量和活化時間對活性炭得率有顯著影響，在用堿量2∶1、活化時間10 min 條件下，成品活性炭得率最高為29.65%；在用堿量4∶1、活化時間30 min 條件下，成品活性炭得率最低為25.34%，平均得率為27.50%。

將咖啡皮渣和接種物混合后在恒溫（35±2）℃條件下進行批序式厭氧發酵，探究不同條件下（活化時間、用堿量）活性炭對咖啡皮渣厭氧消化產氣性能的影響特性。發酵濃度為10%，接種量占總TS 的30%，設置1 個對照組和6 個實驗組，對照組不添加活性炭，實驗組參考文獻［16］按濃度5%（占總固體質量百分比）添加活性炭進行厭氧發酵實驗，每組重復2 次，共14個發酵實驗，發酵時間30 d。具體參數如表2。

表2 厭氧發酵實驗參數

1.3 性能參數

咖啡皮渣和接種物總固體質量分數（TS）測定參照標準ASTM E1756-08 測定；揮發性固體質量分數（VS）測定參照標準ASTM E1755-01 測定；pH 測定采用精密pH 試紙測定；通過監測厭氧發酵日產氣量，氣體檢測儀測定甲烷含量計算累計產氣量、日產甲烷量，計算TS 降解率、VS 降解率，公式如下：

TS 降解率（TSD，%）由公式（1）計算：

式中：TS1—發酵前干物質的量，g；

TS2—發酵后干物質的量，g。

VS 降解率（VSD，%）由公式（2）計算：

式中：VS1—發酵前干物質的量，g；

VS2—發酵后干物質的量，g。

2 結果與分析

2.1 不同工藝活性炭對咖啡皮渣日產氣特性影響

咖啡皮渣添加不同工藝活性炭后厭氧發酵日產沼氣量特性如圖3 所示，在整個發酵過程中對照組和實驗組在第1 d 均能平穩啟動且產氣特性變化趨勢大致相同，說明活性炭的添加對咖啡皮渣厭氧發酵日產氣特性影響不顯著；產氣主要集中在第2～20 d，日產氣量大多保持在300 mL 以上，占總產氣量90.95%～95.36%。

圖3 日產沼氣量變化圖

在發酵初期日產氣量迅速上升，其中對照組CK組在第7 d 達到最大值610 mL；實驗組C1—C4 均在第8 d 達到最大值，分別為667.5 mL、725 mL、727.5 mL、685mL；實驗組C5、C6 第9 天達到最大值，分別為715mlL、720 mL；活性炭具有緩沖作用，能減緩有機物水解，避免發生酸化，實驗組日產氣最大值相比于CK 組推遲1～2 d。

高峰期過后產氣量明顯下降，各組在第14 d 左右產氣大幅下降，對照組日產氣體量下降至最低點，為172 mL；產甲烷所必須的乙酸等小分子有機酸消耗殆盡，產甲烷菌群活性降低，而添加活性炭具有一定緩沖作用，下降程度較小。乙酸耗盡后，難降解的丙酸等被產甲烷菌群利用產生甲烷[17]，因此各組在第16 d再次出現產氣高峰，最高為C4 組475 mL，CK 組僅為340 mL；運行至第30 d，有機物耗盡產氣結束。

2.2 不同工藝活性炭對甲烷體積分數影響

實驗開始后記錄各組每日甲烷含量繪制出甲烷體積分數變化趨勢圖，如圖4 所示，添加不同條件制備的活性炭呈現不同的甲烷體積分數變化，但各組甲烷體積分數變化趨勢大致相同。各組甲烷體積分數從第1 d 開始迅速上升，第4 d 左右有所下降，根據厭氧發酵三階段理論，甲烷體積分數下降主要是大分子物質被分解產生大量VFAs，導致系統酸化，抑制產甲烷菌群活性，因此甲烷體積分數下降。產甲烷高峰期主要集中在第6～22 d，甲烷體積分數基本保持在25%以上，對照組CK 在第17 d 達到最大值42.36%，實驗組C1-C6 分別在第13、9、10、11、8、16 d，最大甲烷體積分數分別為44.71%、43.28%、44.97%、44.30%、43.16%、44.16%。除此之外，在產氣高峰期內，C5 組甲烷含量高于30%的天數最多，為15 d，其次為C4、C6、C1、C2、C3、CK。從第18 d 開始大部分有機物被利用，甲烷體積分數明顯下降，對照組下降速率最快，18～22 d 甲烷體積分數下降32.48%，而添加活性炭后，豐富的孔隙結構能吸附有機物，在降解過程中逐漸產生甲烷，因此下降速率緩慢。

圖4 甲烷體積分數變化圖

2.3 不同工藝活性炭對累計產氣特性的影響

根據各組日產沼氣量計算得到累計產氣量，如圖5所示。實驗組和對照組運行趨勢呈現先增加后趨于平緩趨勢，對照組CK 達到累計產氣量和累計產甲烷量50%分別在第9 d 和第10 d，實驗組C1-C6 達到累計產氣量和累計產甲烷量50%均在第10 d。累計產氣量大小為C5、C6、C4、C2、C1、C3、CK，累計甲烷含量大小為C5、C6、C1、C4、C3、C2、CK，均以C5 組累計產氣量和累計產甲烷量最高，分別為8 107.5 mL 和2 674.47 mL，相比于對照組提高了9.89%和26.66%。TS 產氣量121.36 mL/g、VS 產氣量170.16 mL/g 相比于對照組都提高了9.39%，因此添加活化時間為20 min，用堿量為4∶1 條件下制備的活性炭，最有利于咖啡皮渣厭氧發酵。

圖5 累計產氣變化圖

添加活性炭后各組累計產沼氣量和累計產甲烷量顯著高于對照組，與文獻［7］研究活性炭對秸稈和豬糞混合厭氧發酵產甲烷得出的結果一致，活性炭能夠為微生物提供適宜的生存環境，增加活性，加快產甲烷菌對揮發性脂肪酸的轉化，并促進種間電子轉移，提高發酵程度和系統產甲烷能力。

2.4 咖啡皮渣厭氧發酵前后料液特性

咖啡皮渣厭氧發酵前后料液變化如表3 所示。添加活性炭后，TS 降解率、VS 降解率都高于對照組，TS降解率和VS 降解率最高的為實驗組C5，相比于CK組分別提高了6.29%、4.79%，說明活性炭可以促進咖啡皮渣厭氧消化，提高發酵基質利用率。

表3 厭氧發酵前后料液特性

3 結論

在咖啡皮渣厭氧發酵系統內加入不同工藝制備的活性炭，探究其對厭氧發酵性能的促進效果，得到如下結論。

3.1 咖啡殼活性炭能促進咖啡皮渣厭氧發酵性能。投加GAC 后咖啡皮渣厭氧發酵最大日產氣量均高于對照組，C3 組最大日產氣量提高了19.26%。

3.2 在添加用堿量4∶1，活化時間20 min 條件下制備的GAC 時，咖啡皮渣厭氧發酵累計產氣量、累計產甲烷量分別為8 107.5 mL、2 674.47 mL，相比于對照組累計產氣量、累計產甲烷量分別提高了9.89%、26.66%，且TS 產氣量、VS 產氣量均為最高，相比于對照組提高了9.39%。

3.3 活性炭的添加還能促進咖啡皮渣降解。TS 降解率和VS 降解率最高為C5 組83.93%、69.78 %，比對照組CK 提高了6.29%、4.79%。因此添加活化時間為20 min，用堿量為4∶1 條件下制備的GAC，對咖啡皮渣厭氧發酵降解率有促進作用。