酸木瓜籽产沼气潜力的实验探究*

张加稳， 林卫东， 张无敌， 尹芳， 王昌梅，赵兴玲， 柳静， 杨红， 刘士清， 陈玉保

(云南师范大学，云南 昆明 650500)

1 引 言

酸木瓜为蔷薇科木瓜属(Chaenomeles.L)植物，是我国特有的一种古老果树[1].由于酸木瓜对土壤的适应性较强，耐贫瘠和耐旱，所以其种植面积较广，仅云南的年产量就达500多万千克，在云南部分地区已经成为一种重要的经济植物.酸木瓜果实内部含有丰富的营养物质，主要成分为糖、有机酸、粗纤维、单宁、果胶和黄酮等，据《本草纲目》记载，酸木瓜具有强身健体、保肝益肾、舒经活络、消除疲劳、和胃化寒及祛风除湿等功效[2].目前国内对酸木瓜的研究开发仍处于基础阶段，主要集中在果实营养价值的开发利用，部分学者也对木瓜籽油的成分及食用安全性作了探究[3-7]，但对酸木瓜籽提油后剩余残渣的研究利用尚未见报道.本文以酸木瓜籽提油后的剩余残渣为原料进行沼气发酵实验来初步探究其产气潜力，旨在为酸木瓜籽利用后的有机废弃物提供一条新的利用途径，这既可以避免废弃物对环境的污染，也可以使酸木瓜资源得到更加充分合理的利用.

2 材料与方法

2.1 材料

2.1.1 发酵原料

发酵原料取自实验室酸木瓜籽提油后剩余的残渣，经测定其TS(总固体含量)为94%，VS(挥发性固体含量)为96%.

2.1.2 接种物

接种物为本实验室以牛粪为原料长期驯化的活性污泥，经测定其TS为11.54%，VS为56.79%.

2.1.3 实验装置

该实验装置由发酵产气和排水集气装置两部分组成，如图1.

1.温控仪；2.交流接触器；3.水槽；4.电热管；5.热电偶；6.循环水泵；7.发酵瓶；8.玻璃三通；9.集气瓶；10.计量瓶

2.2 方法

2.2.1 原料预处理

将酸木瓜籽残渣用粉碎机磨成粉末，以便增加与接种物的接触面积，使其降解更充分.

2.2.2 实验设计和发酵料液的配制

⑴实验设计

在30 ℃恒温水浴条件下采用批量工艺模式厌氧发酵，分别设计实验组和对照组，在相同条件下各设置3个平行组发酵(编号1-6),1-3号为实验组，4-6号为对照组.

⑵发酵料液的配制

实验组：称取120 g接种物和13 g酸木瓜籽残渣混合均匀，加水稀释至400 mL,配制成浓度为6%发酵液，摇匀并测得其pH为7.1.

对照组：称取120 g接种物，加水稀释至400 mL,摇匀并测得其pH为7.0.

2.2.3 测试参数及方法[8]：

⑴TS(总固体含量)的测定：将预处理后的原料放在(105±5)℃的电热恒温烘箱中烘干至恒重，并计算出TS.

⑵VS(挥发性固体含量)的测定：将上述烘干水分的原料放入(550±20)℃的箱形电阻炉中灼烧至恒重，并计算出VS.

⑶pH：采用精密pH试纸测定.

⑷产气量：排水集气法收集沼气，每天定时记录产气量，分别以实验组和对照组中3个平行组的平均排水量记数，数据相差较大的一组可排除，然后排气点火，观察记录火焰颜色，根据火焰颜色来判断沼气中的甲烷含量[9]，以上操作重复至不再产气为止.

3 结果与讨论

3.1 发酵前后料液分析

在实验过程中，实验组和对照组料液在发酵前后的TS、VS及pH值等指标测定结果如表1.

表1 发酵料液前后的TS、VS及pH变化

从表1可以看出，混合料液发酵前后，实验组的TS和VS降解明显，其降解率远大于对照组，原因可能是该接种物是实验室经过了长期驯化的活性污泥，其中的有机质已几乎被降解，所以对照组降解率较低,此外，也说明了内部的微生物群落具有活性，能在厌氧条件下对发酵料液中的有机质进行有效利用.经计算，实验组料液的TS和VS降解率分别为27.26%和19.2%，这表明了提油后的酸木瓜籽残渣中的部分有机质在发酵过程被微生物菌群有效代谢降解，但降解率仍不高，料液中还有大量有机质被浪费，说明在今后的实验中还需对沼气发酵工艺参数进一步做出优化，以提高原料利用率.测得实验组和对照组发酵料液前后的pH如上表所示，均处于厌氧发酵产沼气的正常范围(pH为6.6～7.5)[8]，但实验组在发酵的初期曾出现过短暂的酸化，测得的酸化体系PH为5.5，一段时间后pH又逐渐恢复正常直至发酵结束，说明了厌氧发酵体系具有一定的酸碱缓冲能力，这也给实际生产作出指导，沼气发酵工程若遇到酸化现象，开始应该让体系微生物进行自身缓冲调节其pH，不必人为调节，因为人为加入化学物质可能会打破发酵体系微生物的平衡性，进而影响发酵过程的正常运行.

3.2 产气情况及分析

3.2.1 日产气量

本发酵实验发酵周期为29天，通过对每天的净产气量作图，得到酸木瓜籽的产气规律如图2所示.

图2 产气量随发酵时间的变化曲线

图2显示了酸木瓜籽在整个发酵过程中日净产气量随发酵时间的变化.在发酵的第1天，原料即开始产气，且产气量达到320 mL，但不能点燃，经测定其甲烷含量仅有25%左右；在随后的第2～6天里发酵体系停止产气，从第7天又恢复产气，体积下降到20 mL；在第7～13天这个阶段，其产气量逐渐增加，从第8天开始，所得的沼气能连续燃烧，火焰为淡蓝色，经测定其甲烷含量为42%左右，至第13天达到产气高峰，体积为200 mL，火焰颜色内黄外蓝，经测定其甲烷含量为58%左右；在之后的发酵时间里，体系产气量又逐渐下降，至第28天停止产气.总体来看，整个发酵周期的日产气量在第1天出现反常，产气最高，说明体系出现酸化现象，但随着体系恢复正常之后，还是符合沼气发酵过程的日产气量中间高两边低的规律.

根据沼气发酵三阶段学说，在发酵的初期，发酵体系第1天出现反常，主要原因可能是该发酵原料属于酸性物质，这对产甲烷菌的生长繁殖影响较大，而非产甲烷菌对环境的适应能力和繁殖速率都强于产甲烷菌，这样体系微生物主要以非产甲烷菌(水解菌和产氢产酸菌)为主.由于产甲烷菌的数量不多，前两个阶段代谢所产生的有机酸不能快速被产甲烷菌降解为甲烷，直接导致了体系有机酸积累，产甲烷菌的生长进一步被抑制，所以尽管第1天产气较高，气体主要成分实质为二氧化碳，这是体系酸化的标志.随后体系停止产气，原因是有机酸的大量积累对产氢产酸菌也产生了反馈抑制，在经历一段时间后，随着产甲烷菌对体系的适应和缓慢富集，积累的有机酸被逐渐降解，体系微生物群落的代谢也随之趋于平稳，进入正常产气阶段.在第7～13天，随着产甲烷菌数量的积累，体系产气量依次增多，气体的甲烷含量也逐渐升高，且至第13天达产气高峰，随后，随着发酵原料的有机质被逐渐降解，产气量减少至停止产气，即发酵结束.

3.2.2 累积产气量

对发酵实验中原料的净产气量每隔5天累积计算一次，整个周期的统计结果如表2所示.

表2 实验组累积产气量

从表2中可以看出，整个发酵实验中，实验组的净累积产气量在前5～10天内增长较慢，其主要原因是发酵体系经历了酸化到自动调整恢复产气的过程，这个时间段一般都是开始产气很高，随后产气很低甚至停止产气，所以累积产气量增长也较慢.在第10～15天内累积产气量呈快速增长趋势，在第15～20天内仍保持较高的增长速率，至第20天时累计产气量为1 818 mL，占总产气量的81%左右，说明这个时间段内发酵体系已恢复正常，微生物菌群能有效的对原料中的有机质进行利用，保持较高的产气速率.在第20～30天内，体系累积产气量快速减少，10 d内总共产气405 mL，说明该时间段内原料中易于降解的有机质含量已较低，直接导致了微生物代谢的产气量减少，至最终停止产气.总体来说，该发酵原料虽然在实验前期会出现酸化现象，但随后体系恢复正常后，发酵微生物在短时间内即可把原料中的有机质充分降解，所以酸木瓜籽可以用作厌氧发酵原料来对其能量进行充分转化利用.

3.2.3 产气速率

对实验组整个发酵周期内的日累计产气量统计分析，得到其产气速率变化曲线如图3所示.

图3 产气速率随发酵时间的变化曲线

从图3可以看出，实验组在整个发酵过程中，第1天即开始产气320 mL，但不能连续燃烧，随后5 d停止产气，经测定体系pH为5.5左右，说明体系在这个时间段出现了酸化现象；从第7天开始体系恢复产气，随后的产气速率是逐渐加快后又减缓，在第7～15天内产气速率呈现陡增趋势，在第15～20天内产气速率尽管有所减缓，但仍保持较高的速率，至第20天时累积产气量占总产气量的81%左右，经测定这段时间内体系pH已经恢复为6.8左右，表明沼气厌氧发酵体系有巨大的酸碱缓冲能力，在酸化下不需要人为调节也能自动恢复正常.其主要原因是产氢产乙酸菌和产甲烷菌的相互协同作用[8].在第20天之后，体系产气速率明显减慢，至最终停止产气，这段时间累计产气量仅占总产气量的18%，其原因是发酵原料中易于降解的有机质在前期已被大量消耗.综上所述，酸木瓜籽发酵产沼气主要集中在前20天，所以在实际发酵工艺中，发酵罐的水力滞留时间(HRT)设计为20 d，这样能减少投资资金，缩短回收周期.

3.3 产气潜力分析

根据酸木瓜籽的TS和VS及相关数据，计算分析出其产气潜力，结果如表3.

表3 酸木瓜籽的产气潜力

3.4 产气潜力的对比

为了综合分析评价酸木瓜籽的产气潜力，将它与其他常规发酵原料的产气潜力进行对比，统计结果如表4所示，表中的“倍数”是指酸木瓜籽TS产气率与其他发酵原料TS产气率的比值.从表4中可以看出，酸木瓜籽和其他发酵原料的产气情况相比，最显著的特点是发酵周期较短，其主要原因可能是原料内部的纤维素和木质素在提油过程中遭到破坏，易于降解，这在实际沼气工程中可以使HRT减短，从而减小发酵罐的容积，降低生产成本，缩短投资回收周期.总体对比，其产气潜力为178 mL/g(TS)，处于一般水平，原因可能是该发酵原料是酸木瓜籽经提油后剩余的残渣，其内部减少了大量的脂类物质，而脂类物质在沼气发酵中又是产气的主要成分之一，所以其产气潜力大幅度降低.

表4 常见发酵原料的产沼气潜力

4 实验结论与展望

⑴经实验测定分析得提油后的酸木瓜籽产气潜力为：TS产气率为178 mL/g，VS产气率为185 mL/g，表明提油后的酸木瓜籽仍可以作为一种有效利用的发酵原料产沼气，这既可实现生物质资源的充分循环利用，也可避免有机废弃物对环境的污染.发酵历时20 d，累积产气量约为总产气量的81%，说明该原料中的有机质易于降解，在实际沼气发酵工艺中，为了减短工艺回收成本，可设计发酵罐的水力滞留时间(HRT)为20 d.

⑵该原料在整个发酵周期中，第1天产气即达到最高峰320 mL，但甲烷含量较低，不能连续燃烧，且第2天至第6天不产气，直到第7天才开始恢复正常产气阶段，说明该原料在发酵初期易出现酸化现象，但一段时间之后，在发酵体系中的复杂微生物的自我调节下又能逐渐恢复正常，在沼气发酵过程中若出现酸化现象，开始不必要人为调节体系的pH，尽量让发酵体系中的微生物自身缓冲调节，因为人为加入化学物质调节pH常常会破坏体系中的微生物平衡，可能反而会影响后续的发酵过程.对于长时间酸化而又无法恢复正常的情况，即使是必须通过人为调节来缓解酸化，加入化学物质也要尽量满足“少量多次”的原则.

⑶本实验对提油后的酸木瓜籽的产沼气潜力做了初步研究，为酸木瓜籽提油后的残渣进行再次利用提供了一条新的途径，但其沼气发酵的最佳工艺参数有待进一步探究.

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