柚子皮发酵产沼气潜力的试验研究

张少朋， 陈玉保， 肖庆超， 张无敌， 尹　芳， 赵兴玲， 杨顺平， 高燕妮， 郝亚杰， 王昌梅， 杨　红

(1．云南师范大学 能源与环境科学学院， 云南 昆明　650500； 2．云南鑫田环境分析测试有限公司， 云南 昆明　650000)



柚子皮发酵产沼气潜力的试验研究

张少朋1， 陈玉保1， 肖庆超2， 张无敌1， 尹芳1， 赵兴玲1， 杨顺平1， 高燕妮1， 郝亚杰1， 王昌梅1， 杨红1

(1．云南师范大学 能源与环境科学学院， 云南 昆明650500； 2．云南鑫田环境分析测试有限公司， 云南 昆明650000)

文章以柚子皮为原料，在中温(30℃±1℃)条件下进行批量式沼气发酵试验，发酵时间为38 d，结果表明，柚子皮产气潜力分别为647 mL·g-1TS和690 mL·g-1VS，是一种较好的沼气发酵原料，为柚子皮提供了新的资源化利用途径。

柚子皮； 厌氧发酵； 沼气； 产气潜力

柚子，又名文旦、香栾、朱栾、内紫等，是芸香科植物柚的成熟果实。柚子果心实但松软，果肉呈白色、粉红或鲜红色，隔分成瓣，瓣间易分离，味酸可口，但有时略带苦味。柚子单重常达1 kg以上，皮厚耐藏，在自然状况下可以存放数月之久而不失香味。

柚子原产于中国、印度和马来西亚。我国栽培柚子树的历史悠久，夏书《禹贡》中曾有记载。方岩雄[3]等的研究表明：通过对柚子皮的综合提取，最终可以制得果胶、柚皮黄色素和柚皮精油。但目前以柚子皮作为沼气发酵原料的实验和案例尚未见报道。为此，文章以柚子皮作为沼气发酵原料进行实验研究，为柚子皮的资源化利用提供一条合理的途径。

1　材料与方法

1.1材料

发酵原料为柚子皮，经测定TS(总固体含量) 为20.58%，VS(挥发性固体含量) 为93.80%。

接种物为实验室长期驯化的厌氧发酵活化污泥，经测定TS为16.24%，VS 为58.32%， pH值为7.0。

1.2试验装置

采用实验室自制的容积为500 mL 的批量式发酵装置，装置示意图如图1 所示。

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.取样口； 9.玻璃三通； 10.集气瓶； 11.计量瓶图1　试验装置

1.3方法

1.3.1原料预处理

将柚子皮表面的杂物、污物清除后切碎成小于2 cm的小段，以便充分与接种物混合均匀。

1.3.2试验设计。

发酵模式采取批量式中温厌氧发酵(温度设为30℃±1℃)。试验分别设置一个试验组和一个对照组，每组分别设3个平行。为保证试验的一致性，进行单瓶配料，料液的配比如下。试验组: 120 mL 的接种物，22 g 的柚子皮，加水至400 mL; 对照组: 120 mL 的接种物，加水至400 mL。

1.3.3测试项目

(1)产气量测定：采用排水集气法测定[4]，实验启动以后，每天定时记录各组的产气量，并计算各平行组的平均值，以此来表征发酵过程每天的产气量。

(2)甲烷含量测定：采用火焰颜色比色卡法[5]，根据点燃时火焰的颜色估计沼气中甲烷的含量。

(3)TS(总固体含量) 测定：将样品在105℃±2℃下烘至恒重，计算样品除水分后干物质的质量分数[6]。

式中：W0取为样品重量,g；W1为样品烘干至恒重后的重量g。

(4)VS(挥发性固体含量) 测定：将TS测定后恒重的总固体在550℃±20℃下烧至恒重，计算挥发性物质的质量分数[6]。

式中：W2为灰分重量,g。

(5)pH值的测定：采用5.7 ～8.5 的精密pH 试纸测定pH值。

2　结果与分析

2.1发酵前后发酵液的TS，VS及pH值变化

实验共进行了38 d，实验前后发酵料液的TS，VS及pH值变化见表1。

表1　实验前后发酵料液的TS，VS和pH值　(%)

从表1可以看出，发酵前后，试验组和对照组的TS和VS都有不同程度的降低，这说明在厌氧发酵过程中，原料被不同程度的利用。发酵前后pH值有所降低，但都维持在沼气发酵较佳范围内。通过计算可知，试验组TS降解率为24.35%，VS降解率为19.24%，而对照组发酵前后的TS和VS降解率较小，TS降解率仅为8.01%，VS降解率为5.67%，与实际试验产气规律是相符合的，对照组几乎不产气。原料的TS和VS降解率都高于对照组，这与产气量的规律是相符的。

2.2产气情况分析

2.2.1日产气量

试验启动后，每天定时记录产气情况，通过计算分析柚子皮厌氧发酵产沼气时间与日产气量的关系，如图2所示。

图2　日产气量曲线图

由图2可知，柚子皮发酵实验启动较快，第2 d就达到了日产气的高峰，为220 mL，但点燃气体，完全没有火焰，这是因为刚开始柚子皮被水解产生大量的CO2；第3 d和第4 d，产气量的总体趋势是下降的，点燃气体有微弱的淡蓝色火焰，且不能连续燃烧，由火焰燃烧颜色分析可知，此时的甲烷的含量较低(40%左右)，说明此时产甲烷细菌不占主导作用或原料水解不充分，底物较少；第5 d～10 d，产气量呈上升趋势，第10 d再次出现产气高峰，为180 mL，这段发酵时期，点燃气体，火焰呈蓝色或黄色略带蓝色，且能连续燃烧，从沼气燃烧颜色可判断甲烷的含量在60%～70%，说明此阶段产甲烷细菌占主导作用，能迅速的利用水解的小分子，并将其转化为甲烷。第11 d～29 d，产气量总体呈下降趋势，中间略有波动，但起伏不大，期间从沼气燃烧颜色可以判断甲烷的含量为55%左右。第30 d～38 d，虽然每天可以产少量气体，但均不能持续燃烧，甲烷含量较低，说明此时底物基本消耗殆尽，反应终止，试验完成。综上分析，柚子皮厌氧发酵产气曲线符合沼气发酵产气的一般规律：实验开始时产气较少，随后逐渐增加，达到产气高峰后，又逐渐下降。

2.2.2产气速率

试验的累积产气量见表2。

表2　柚子皮累积产气量

由表2可以看出，在整个柚子皮的发酵过程中，第5 d～10 d产气量增加较快，累积产气量达到1880 mL。第10 d～15 d和15 d～20 d产气量的增加幅度相差不大。而25 d～30 d和30 d～38 d增加的幅度不明显。由上述规律可知，柚子皮发酵产沼气主要集中在前25 d，最快的产气阶段集中在5 d～10 d。

图3　产气速率

对柚子皮整个发酵过程产气速率变化进行分析可知(见图3)：在整个发酵过程中，产气速率是先增加，后趋于平缓。在发酵的前30 d呈上升趋势，特别是第5 d～20 d曲线最为陡峭。到第25 d时已达到总产气量2930 mL的86%。

2.3产气潜力分析

结合图2和图3对柚子皮厌氧发酵的产气潜力进行统计分析。

表3　柚子皮厌氧发酵的产气潜力

为了更全面的评价柚子皮的产气潜力，对以下常见的几种水果皮的发酵时间及TS产气潜力做了统计，结果见表4。

表4　不同水果皮的产气潜力

由表4可以看出，由于各种水果皮富含大量的淀粉和糖类，所以TS的产气潜力普遍较高。对于柚子皮，发酵时间为38 d，与其他各种原料相比，发酵时间相对较长，但差距并不是很明显，仅低于哈密瓜皮和西瓜皮，且和葡萄皮的发酵时间接近；TS的产气潜力仅高于菠萝皮，且和西瓜皮的产气潜力接近，除了葡萄皮，柚子皮和其他果皮的TS产气潜力相差无几，表明柚子皮的产气潜力较好，是一种较理想的沼气发酵原料。

3　结论

(1)以柚子皮作为原料，在30℃下进行批量式厌氧发酵试验，发酵时间为38 d，产气启动较快，且主要集中在前25 d，到第25 d时累积的产气量已达到总产气量的86%。

(2)柚子皮是一种良好的发酵原料，整个发酵过程共产气2930 mL，发酵前后pH值变化不大，维持在沼气发酵的较佳范围内。经过计算，柚子皮的日平均产气量为77 mL，原料产气率为133 mL·g-1，TS产气潜力为647 mL·g-1，VS产气潜力为690 mL·g-1。该试验结果为柚子皮的后续利用提供了理论依据，也提供了新的资源化利用途径。

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Experimental on Biogas Production Potential of Pomelo Peel /

ZHANG Shao-peng1, CHEN Yu-bao1, XIAO Qing-chao2, ZHANG Wu-di1, YIN Fang1, ZHAO Xing-ling1, YANG Shun-ping1, GAO Yan-ni1, HAO Ya-jie1, WANG Chang-mei1, YANG Hong1/

(1. School of Energy and Environmental Science, Yunnan Normal University, Kunming 650500，China; 2. Yunnan Xintian Environmental Analysis and Testing Co Ltd, Kunming 650000，China)

Biogas fermentation of pomelo peel was studied at (30 ℃± 1℃) by batch fermentation. The results showed that the gas production rate was 647 mL· g-1TS and 690 mL· g-1VS in 38 days of anaerobic fermentation. It was a good raw material for biogas fermentation.

pomelo peel; anaerobic fermentation; methane; biogas production potential

2015-10-14

2015-11-04

项目来源： 国家自然科学基金项目(21266032)； 云南省应用基础研究面上项目(2010CD050)； 云南省科技条件平台建设项目(2010DH012)

张少朋(1991-)，男，河南省巩义人，硕士，研究方向为生物质能，E-mail:1543982158@qq.com

陈玉保，E-mail:c20072007@163.com

S216.4

B

1000-1166(2016)05-0047-03