香蕉皮中温厌氧发酵产沼气性能研究

2021-07-29苏有勇闫红心徐惠媛王瑞娜

农业工程 2021年6期

巴克，苏有勇，闫红心，徐惠媛，王瑞娜

(昆明理工大学农业与食品学院，云南昆明 650500)

0 引言

现如今，能源问题已经成为社会和经济发展的决定性因素，使用传统化石燃料的生产生活方式已经出现了许多弊端，可再生能源和绿色能源的优势已经显露出来，而且可再生能源与绿色能源可在一定程度上解决环境问题[1]。自2003年以来，云南的生态环境不断遭受破坏，主要污染物的排放面积不断扩大，可持续发展面临着前所未有的压力。厌氧发酵是一个相对成熟的废物处理技术，可以利用有机废弃物产生清洁能源，对于生态环境保护和能源利用具有较大的意义[2]。

香蕉是一种热带和亚热带水果，也是中国最受欢迎的水果之一[3]。据联合国粮农组织(Food and Agriculture Organization of the United Nations，FAO)统计，2017年中国香蕉收获面积约38.13万hm2，产量1 142.3万t，收获面积和总产量分别位居全球第6位和第2位，香蕉产业已成为中国南亚热带地区农民脱贫致富的重要支柱产业[4]。一般来说，香蕉皮质量占香蕉总质量的30%～50%，如果这些香蕉皮处理不当，将会成为污染源，对人类和动物的健康构成威胁[5]。

此外，香蕉皮中含有果胶、维生素、矿物质和微量元素等丰富的营养成分，并且香蕉皮富含含有酸性有机化合物的纤维素和半纤维素，如果将其用作沼气生产的底物，不仅解决了香蕉皮污染的问题，还提出一条新的清洁能源生产途径[6-9]。

1 试验材料

1.1 香蕉皮

本试验所用香蕉皮原料取自昆明理工大学恬园水果店，用切碎机粉碎后混合均匀得到发酵原料，原料特性分析结果如表1所示。其中，TS为总固体含量，指试样在一定温度下蒸发至干时所剩余的固体的量；VS为挥发性固体含量，指原料总固体中除去灰分以后剩下的固体物质的量。

表1 香蕉皮原料分析

1.2 接种物

接种物来源于昆明理工大学农业与食品学院农业生物环境与能源工程研究室利用牛粪厌氧发酵完全后的活性污泥，其特性分析结果如表2所示。

表2 接种物相关指标

1.3 试验装置

采用的装置为一种经典的“物料反应+气体收集”装置模式，批量试验发酵装置原理如图1所示，实物如图2所示。发酵装置主要由发酵瓶、存气瓶、计量瓶和恒温水浴锅组成。在进行沼气发酵试验之前，对装置进行气密性检查，确保密封后再投料[10]。

1.储水集气瓶 2.发酵瓶 3.水浴锅

图2 试验装置实物

2 试验方法

2.1 试验设计

本次试验在35℃的条件下，采取批量发酵方式，试验设计如表3所示，每组再做一组平行对照试验，且做空白对照试验[11]。表3中用量是以TS占发酵体积百分比计算。

表3 试验设计

2.2 发酵料液配制

(1)根据接种物的TS含量计算需要的接种物用量(质量和体积可近似相等)，用量筒量取所需接种物加入发酵瓶中，接种物用量=(接种物用量百分比×发酵总体积)/接种物TS含量。

(2)根据香蕉皮的TS含量计算需要的香蕉皮用量，称取所需的香蕉皮(事先切碎至1～2 mm)加入发酵瓶中，香蕉皮用量=(香蕉皮用量百分比×发酵总体积)/香蕉皮TS含量。

(3)用沼液定容至400 mL。

发酵料液配比如表4所示。

表4 发酵料液配比

2.3 试验数据记录

(1)每天记录产沼气量，并观察气体燃烧火焰情况。

(2)试验完成后，测定发酵后发酵体系的pH值。

3 结果与分析

3.1 香蕉皮浓度对日产气量的影响

香蕉皮浓度对日产气量的影响如图3所示。从图中可以看出，在相同的接种物浓度下，不同香蕉皮浓度的日产气量均呈现先上升再平稳后下降的趋势。在发酵初期1～2 d即达到峰值，主要原因是在发酵开始阶段接种物与香蕉皮接触，水解产酸细菌通过一系列的生化反应消耗香蕉皮产生气体，这时主要是二氧化碳。最开始的阶段，水解产酸细菌活性较好，发酵环境也比较适合水解产酸细菌的生长繁殖，反应速度较快，产生大量的二氧化碳，使日产气量达到一个峰值。但香蕉皮易酸化，在发酵中末期，发酵体系中产酸菌产酸较多，造成酸堆积，发酵体系酸化，影响了产甲烷菌的活性，抑制了产甲烷菌的生理活动，使甲烷产生较少甚至消失[12]。

从图3a可以看出，香蕉皮浓度的不同，对日产气量的影响很大。香蕉皮浓度较低时，产气量很少，反应周期很短，基本1周左右完成反应。随着香蕉皮浓度的增加，反应周期逐渐增长，日产气量也逐渐增加。接种物浓度3%条件下，3%香蕉皮浓度日产气量最佳，在第7天时，产气达760 mL，燃烧情况最好，火势最大，焰色最佳。但在第12天时，日产气量出现明显下滑，主要是因为发酵体系酸化，抑制了甲烷的产生。

从图3b和图3c中可以看出，日产气量趋势与图3a相似。但随着发酵进行，在发酵中后期，香蕉皮浓度2.5%的日产气量会高于并稳定高于香蕉皮浓度3%的日产气量，且接种物浓度越高越明显。主要因为接种物浓度增大，发酵体系中细菌数量增多，反应速度加快，更快的产生酸，影响产甲烷菌的活性。并且发酵中后期，易降解的有机物利用完后，剩余难降解的物质降解速率下降，产酸减少，同时产甲烷菌可以利用产生的酸生成甲烷，也会使酸浓度降低，对其他细菌的活性影响不会很大[10]。

若单从日产气量考虑，香蕉皮浓度3%与接种物浓度3%的发酵体系日产气量较好。选取3%的香蕉皮浓度不变，观察不同接种物浓度的影响，如图3d所示，发酵第1天皆达峰值，但此时产气中主要是二氧化碳。随着发酵时间变长，接种物浓度越高，酸化越快，日产气量下降越快。接种物浓度3%、4%、5%分别在第7天、第4天、第7天再次达到产气峰值，为760、600和700 mL。

图3 香蕉皮浓度对日产气量的影响

3.2 香蕉皮浓度对总产气量的影响

香蕉皮浓度对总产气量的影响如图4所示。从图中可以看出，在相同的接种物浓度下，不同香蕉皮浓度的总产气量均呈现上升趋势。在图4a和图4b中，香蕉皮浓度3%累计产气量比同接种物浓度的其他香蕉皮浓度高许多，但在图4c中香蕉皮浓度3%的累计产气量会在第14天逐渐趋于平稳，逐渐停止产气。从这个角度也可以看出发酵体系酸化会影响产甲烷菌的活性，但不会抑制甲烷的产生，发酵体系酸化会明显影响日产气量，但总体上不会对总产气量造成较大影响[11]。

图4 香蕉皮浓度对总产气量的影响

图4d中香蕉皮浓度3%，可以看出接种物浓度对累计产气量有影响，在前期接种物浓度3%、4%、5%曲线基本保持一致，在中后期接种物浓度4%基本与接种物浓度3%曲线重合，接种物浓度5%要低于两者。

3.3 发酵后pH值的变化情况

如表5所示，初始pH值为9.43，发酵体系内发生一系列生化反应后，pH值都有明显降低。香蕉皮浓度在1%～2%与2.5%～3.0%时pH值会随着浓度的增高而略微变小，变化幅度不大，这可能是因为产酸细菌分解易降解的有机物后，无法迅速分解剩余大分子物质，产酸减少，同时产甲烷菌利用有机酸生成甲烷，形成了一种平衡，pH值保持稳定。香蕉皮浓度在2.0%～2.5%时，pH值变小幅度很大，这是因为产酸细菌分解易降解的有机物后，产生的酸过多，且影响了产甲烷菌的活性，使产甲烷菌无法迅速地利用有机酸生成甲烷，造成大量的酸堆积，使pH值变小。