不同水果废弃物厌氧发酵试验研究

宫亚斌，周丽烨,2，李乃诚

(1.杭州能源环境工程有限公司，浙江 杭州 310020；2.江苏维尔利环保科技股份有限公司，江苏 常州 213125)

2016年全国水果产量2.83亿t[1]，水果除可食用部分外还有较大比例的果皮及核渣。以香蕉、脐橙、榴莲为例，香蕉皮占香蕉总重的35%～40%[2]，脐橙在加工生产果汁后剩余的皮渣占脐橙重量的20%～35%[3]，榴莲壳占榴莲总重的60%以上[4]。这些水果废弃物中有机物含量较高，尤其是糖类、蛋白质、纤维素、脂肪等，同时也富含多种微量元素[5]，这些废弃物如不妥善处置极易腐败酸化造成空气、水、土壤等环境污染问题。

目前，有关水果废弃物中果皮的综合利用及处理，主要是被用来提取附加值较高的香精油、果胶、色素、黄酮、膳食纤维、生物活性成分、生物吸附剂等[6-10]，也有研究者利用果皮进行发酵，制取饲料、肥料、乙醇、酶制剂等[11～14]。笔者以香蕉皮、脐橙渣和榴莲壳为原料，分别探讨其生物水解酸化及厌氧产沼气性能，为后续水果废弃物的资源化、减量化和无害化利用及处理提供依据。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

实验原材料为香蕉皮、脐橙渣和榴莲壳，其中香蕉皮和脐橙渣分别来自广西南宁某香蕉加工厂和江西赣州某脐橙加工厂剩余废弃物，榴莲壳则来自杭州市江干区某农贸市场，实验所用接种泥为本公司长期运转不产气厌氧泥，表1是各原料和接种污泥基本特性。

注：上表中TS为干物质、VS为挥发性固体、TC为总碳、TN为总氮，其中TC、TN含量为基于干物质比例。

1.2 实验装置

水解酸化实验装置利用电热恒温水浴锅、立式搅拌器、500 mL烧杯组成，水解酸化温控制在度35℃±0.5℃，水解酸化时间24 h。

厌氧发酵试验利用1 L蓝盖瓶组成，包括1 L发酵瓶(有效容积800 mL)、1L集气瓶和1 L集水瓶，装置见图1。发酵温度38℃±0.5℃，每组试验设置3个平行，对照组为接种污泥空白试验。

1.3 试验设计

香蕉皮、脐橙渣和榴莲壳三种原料先经过剪切处理至1～2 cm，再加水调配至TS8.0%，最后利用豆浆机将其进一步破碎制浆，以提高原料均一性。

水解酸化试验：取200g制浆后的原料置于35℃±0.5℃恒温水浴锅中，并采用搅拌器进行搅拌，转速控制在40～50 r·min-1，水解时间24 h，水解结束后取样分析各原料pH和VFA的情况。

厌氧发酵试验：将水解结束后的完全原料转移至1 L发酵瓶中，并投加600 g接种污泥，混合均匀后将其置于38℃±0.5℃恒温水浴锅中进行厌氧发酵，每日定时测量沼气产量。

1.4 测定项目及方法

pH值的测定采用上海三信pH-3S测量；干物质的测定采用105 ℃烘干至恒重，差重法测定；挥发性固体的测定采用605 ℃灼烧2 h，差重法测定；挥发性脂肪酸采用哈希DR3900分光光度计比色测定；总氮采用H2SO4-H2O2消煮蒸馏定氮法测定；沼气产量采用排水法收集和测量。

图1 厌氧发酵装置

2 试验结果与分析

2.1 水解酸化试验

下图2、图3是香蕉皮、脐橙渣和榴莲壳经破碎制浆后于中温35℃±0.5℃下进水水解酸化24h结束后取样测定的pH和挥发性脂肪酸结果。

水果废弃物中含大量糖分、纤维素、半纤维素、脂肪和蛋白质，桑利伟等[15研究显示蕉皮中含(4.65±1.81)%总糖和(4.57±1.74)%粗纤维]，李焕霞等[3]研究结果显示脐橙渣的主要成为则为膳食纤维，王章姐[16]研究表明榴莲壳中多糖含量达到12.3%～18.7%；在兼氧条件下及适宜的pH和温度条件下，有机物中的大分子物质会被微生物分解的各类酶将其水解成单糖、多肽和脂肪酸等一些易溶有机小分子物质[17]，产氢产乙酸菌将这些有机小分子物质转化生产乙酸、氢气、二氧化碳等。本试验中控制水解酸化温度35℃±0.5℃，通过机械搅拌携带少量溶解氧进入水解液中，形成一定的兼氧环境，从而促使有机物进行生物水解及酸化进程的发生。从图2和图3可以看出，水解酸化24 h后各物料的pH明显下降，均降至4.0左右，挥发性脂肪酸(VFA)浓度达到了6 000～8 000 mg·L-1，水解及产酸速率较快，为后续甲烷化提供了基础保障。

图2 水解酸化前后pH

图3 水解酸化后VFA

2.2 厌氧产沼气试验

图4是香蕉皮在发酵时间30 d内的日产气量和累积产气量变化趋势图，从日产气量变化趋势可以看出，试验第1 d日产气量最高，后续逐渐降低，至第15 d以后产气量较少；从其累积产气量变化趋势可以看出，第1 d～6 d累积产气量迅速增加，第7d以后累积产气量增加趋势放缓，第16 d之后累积产气量趋于平缓。试验过程中，15 d、20 d、25 d时累积产气量分别占总产气量的比例分别达到了92.9%、96.8%和99.4%。由于香蕉皮总糖和纤维含量高，经过水解酸化处理后，易于被微生物降解利用，所以香蕉皮的厌氧消化反应速率提高。

图5是脐橙渣在发酵时间30 d内的日产气量和累积产气量变化趋势图，从日产气量变化趋势可以看出，试验中共有3个产气高峰，分别在试验第1 d，4 d和9 d，后续日产气量逐渐减少，第15 d以后日产气量趋于结束；从其累积产气量变化趋势可以看出，试验第1～12天累积产气量迅速增加，第12 d以后累积产气量趋于平缓，其中15 d、20 d、25 d时累积产气量分别占总产气量的比例分别达到了94.3%、98.1%和99.8%。由于脐橙渣中蛋白质、膳食纤维含量等高，在厌氧发酵过程中其水解、产酸和甲烷化的时间不同，且具有阶段性，故出现了多个产气高峰。

图4 香蕉皮日产气量和累积产气量变化趋势

图5 脐橙渣日产气量和累积产气量变化趋势

图6是榴莲壳在发酵时间30 d内的日产气量和累积产气量的变化趋势图，从日产气量变化趋势可以看出，试验第4 d达到产气高峰，后续日产气量快速减少，至第12 d后产气趋于结束；从累积产气量变化趋势可以看出，试验第1～8天累积产气量迅速增加，第10 d以后累积产气量趋于平缓，其中第15天时累积产气量占总产量的比例已达97.1%，即说明榴莲壳降解速率非常快。榴莲壳中蛋白和多糖含量较高，将其水解酸化处理后，再进行厌氧发酵，这些有机物可被厌氧微生物快速消耗利用。

图6 榴莲壳日产气量和累积产气量变化趋势

2.3 产气潜力数据

表2是各水果废弃物产沼气潜力数据，从表中可以看出，香蕉皮和脐橙渣的TS产气率相近，而榴莲壳的TS产气率较香蕉皮和脐橙渣的TS产气率分别高出7.7%和11.2%；由于含水率不同，榴莲壳的原料产气率与脐橙渣的原料产气率差不大，但两者的原料产气率远大于香蕉皮的原料产气率。

表2 产沼气潜力数据

Khan等[18]研究表明香蕉皮的产沼气率为0.322 m3·kg-1·VS，而赵晨[19]的研究结果显示榴莲壳实际产甲烷潜率仅有0.152 m3·kg-1·VS(折算产沼气率0.253～0.304 m3·kg-1·VS)，均低于本研究结果。笔者试验中香蕉皮、脐橙渣、榴莲壳均经过水解酸化处理，因此厌氧发酵时有机物降解速率和效率明显提高，且发酵产气过程产生主要集中在前两周时间内，即说明高效的原料预处理(生物水解酸化)能加速厌氧发酵的进程，缩短后续厌氧发酵停留时间，减少项目投资成本。

3 结论与讨论

(1)香蕉皮、脐橙渣、榴莲壳的废弃物中有机物含量高(VS/TS大于85%)，在中温35℃±0.5℃下易于进行水解酸化，即说明该类原料可生化性较好；

(2)香蕉皮、脐橙渣、榴莲壳的废弃物在中温38℃±0.5℃下进行厌氧发酵，产沼气速率快，其90%以上的沼气产生主要集中在前两周内；

(3)香蕉皮、脐橙渣、榴莲壳的废弃物在中温38℃±0.5℃下进行厌氧发酵，其TS产气率分别达到348.7 mL·g-1·TS、337.8 mL·g-1·TS和375.6 mL·g-1·TS，有较高的厌氧产沼潜能，将其厌氧处理的技术是可行的；

(4)厌氧发酵技术是水果废弃物的处理中的重要技术，能达到资源化、无害化和减量化目的，对于改善因水果废弃垃圾产生的水、空气、土壤等环境问题有着显著的效果，具有广泛的推广应用价值。同时，厌氧发酵过程产生的沼渣又可还田做有机肥使用，从而实现水果种植业绿色、环保、可持续发展的循环经济模式。