炭化基质促进咖啡皮渣厌氧发酵的实验研究

晏和滇，杨德龙，周淼，3，周清鹭，李舷绫，王跃，4，赵龙，4，姜平红，4，李燕

（1. 滇西应用技术大学 普洱茶学院，云南普洱 665000；2. 云南农业大学 资源与环境学院，云南 昆明 650051；3. 云南农业大学 茶学院，云南 昆明 650051；4. 安琪酵母（普洱）有限公司，云南 普洱 665600）

咖啡在加工过程中产生的大量皮渣，包括咖啡壳、果胶、银皮及其他杂质，这些废物处理不当不仅影响人居环境质量，而且造成资源浪费[1]。咖啡皮渣的主要成分为纤维素、半纤维素、蛋白质、脂肪等[2-3]，是一种良好的厌氧发酵原料。但由于厌氧发酵过程复杂多变，发酵效率和稳定性受pH、温度、有机负荷率、水力停留时间、微量元素等诸多因素影响[4]，致使目前仍未广泛使用。

活性炭具有丰富孔隙结构、比表面积大和特异性吸附能力强等特点[5-6]。在厌氧发酵体系内加入活性炭能增加微生物密度，同时能保持对微生物生长有利的环境，从而使微生物更好地降解有机物质，加快挥发性脂肪酸（VFAs）的消耗提高产气量，有效提高发酵效率[7-8]。许跃等[9]在食用油厌氧消化过程中投加活性炭（GAC）并分析其对厌氧菌群群落结构的影响，研究发现，添加GAC 加快乙酸的降解和甲烷的转化，增强了胞外电子传递功能的细菌和参与直接种间电子传递（DIET）的产甲烷菌的富集，提升了系统运行速率。杨波等[10]研究GAC 的投加对污泥厌氧发酵过程的影响并对微生物群落进行分析，结果发现，投加GAC 提高了系统内微生物活性，促进了产甲烷菌的富集，产甲烷速率提高了68.18%。María 等[11]发现，在餐厨垃圾厌氧发酵体系内加入GAC，能有效增强互营微生物种间电子传递能力，提高甲烷产量。

咖啡皮渣厌氧发酵过程中挥发性脂肪酸容易积累，引发系统酸化，造成难降解物质降解不充分，产气速率低，产气总量较少[12-13]。本实验以咖啡皮渣为原料，添加不同工艺制备的活性炭，以增加厌氧发酵系统内微生物密度和活性，加快VFAs 分解，促进系统产气。

1 材料与方法

1.1 实验材料及装置

本实验研究的咖啡皮渣取自普洱市思茅区某咖啡初加工厂，接种物为课题组长期驯化培养的活性污泥。咖啡皮渣及接种物的特性见表1。

表1 实验原料特性

实验发酵装置如图1，在恒温（35±2）℃。下进行序批式厌氧消化实验，发酵瓶容积为1000mL，采用便携式气体检测仪（型号：SKY2000-CH4，规格：0～100% vol）测定气体成分及含量。

图1 实验装置图

1.2 实验过程

根据文献［14］的制备方法，采用KOH 为化学活化剂制备高性能活性炭，制备工艺图如图2 所示。先将咖啡壳烘干研磨过60 目筛子后，用马弗炉（SX-5-12 型）在500 ℃炭化1 h 制得炭化料，按不同用碱量（KOH 与炭化料质量比，2∶1、4∶1）浸渍24 h，干燥后在500 ℃下活化一段时间（10 min、20 min、30 min），所得活性炭经酸洗、水洗、烘干即成品活性炭[15]。

图2 咖啡壳活性炭制备工艺图

结果表明，用碱量和活化时间对活性炭得率有显著影响，在用碱量2∶1、活化时间10 min 条件下，成品活性炭得率最高为29.65%；在用碱量4∶1、活化时间30 min 条件下，成品活性炭得率最低为25.34%，平均得率为27.50%。

将咖啡皮渣和接种物混合后在恒温（35±2）℃条件下进行批序式厌氧发酵，探究不同条件下（活化时间、用碱量）活性炭对咖啡皮渣厌氧消化产气性能的影响特性。发酵浓度为10%，接种量占总TS 的30%，设置1 个对照组和6 个实验组，对照组不添加活性炭，实验组参考文献［16］按浓度5%（占总固体质量百分比）添加活性炭进行厌氧发酵实验，每组重复2 次，共14个发酵实验，发酵时间30 d。具体参数如表2。

表2 厌氧发酵实验参数

1.3 性能参数

咖啡皮渣和接种物总固体质量分数（TS）测定参照标准ASTM E1756-08 测定；挥发性固体质量分数（VS）测定参照标准ASTM E1755-01 测定；pH 测定采用精密pH 试纸测定；通过监测厌氧发酵日产气量，气体检测仪测定甲烷含量计算累计产气量、日产甲烷量，计算TS 降解率、VS 降解率，公式如下：

TS 降解率（TSD，%）由公式（1）计算：

式中：TS1—发酵前干物质的量，g；

TS2—发酵后干物质的量，g。

VS 降解率（VSD，%）由公式（2）计算：

式中：VS1—发酵前干物质的量，g；

VS2—发酵后干物质的量，g。

2 结果与分析

2.1 不同工艺活性炭对咖啡皮渣日产气特性影响

咖啡皮渣添加不同工艺活性炭后厌氧发酵日产沼气量特性如图3 所示，在整个发酵过程中对照组和实验组在第1 d 均能平稳启动且产气特性变化趋势大致相同，说明活性炭的添加对咖啡皮渣厌氧发酵日产气特性影响不显著；产气主要集中在第2～20 d，日产气量大多保持在300 mL 以上，占总产气量90.95%～95.36%。

图3 日产沼气量变化图

在发酵初期日产气量迅速上升，其中对照组CK组在第7 d 达到最大值610 mL；实验组C1—C4 均在第8 d 达到最大值，分别为667.5 mL、725 mL、727.5 mL、685mL；实验组C5、C6 第9 天达到最大值，分别为715mlL、720 mL；活性炭具有缓冲作用，能减缓有机物水解，避免发生酸化，实验组日产气最大值相比于CK 组推迟1～2 d。

高峰期过后产气量明显下降，各组在第14 d 左右产气大幅下降，对照组日产气体量下降至最低点，为172 mL；产甲烷所必须的乙酸等小分子有机酸消耗殆尽，产甲烷菌群活性降低，而添加活性炭具有一定缓冲作用，下降程度较小。乙酸耗尽后，难降解的丙酸等被产甲烷菌群利用产生甲烷[17]，因此各组在第16 d再次出现产气高峰，最高为C4 组475 mL，CK 组仅为340 mL；运行至第30 d，有机物耗尽产气结束。

2.2 不同工艺活性炭对甲烷体积分数影响

实验开始后记录各组每日甲烷含量绘制出甲烷体积分数变化趋势图，如图4 所示，添加不同条件制备的活性炭呈现不同的甲烷体积分数变化，但各组甲烷体积分数变化趋势大致相同。各组甲烷体积分数从第1 d 开始迅速上升，第4 d 左右有所下降，根据厌氧发酵三阶段理论，甲烷体积分数下降主要是大分子物质被分解产生大量VFAs，导致系统酸化，抑制产甲烷菌群活性，因此甲烷体积分数下降。产甲烷高峰期主要集中在第6～22 d，甲烷体积分数基本保持在25%以上，对照组CK 在第17 d 达到最大值42.36%，实验组C1-C6 分别在第13、9、10、11、8、16 d，最大甲烷体积分数分别为44.71%、43.28%、44.97%、44.30%、43.16%、44.16%。除此之外，在产气高峰期内，C5 组甲烷含量高于30%的天数最多，为15 d，其次为C4、C6、C1、C2、C3、CK。从第18 d 开始大部分有机物被利用，甲烷体积分数明显下降，对照组下降速率最快，18～22 d 甲烷体积分数下降32.48%，而添加活性炭后，丰富的孔隙结构能吸附有机物，在降解过程中逐渐产生甲烷，因此下降速率缓慢。

图4 甲烷体积分数变化图

2.3 不同工艺活性炭对累计产气特性的影响

根据各组日产沼气量计算得到累计产气量，如图5所示。实验组和对照组运行趋势呈现先增加后趋于平缓趋势，对照组CK 达到累计产气量和累计产甲烷量50%分别在第9 d 和第10 d，实验组C1-C6 达到累计产气量和累计产甲烷量50%均在第10 d。累计产气量大小为C5、C6、C4、C2、C1、C3、CK，累计甲烷含量大小为C5、C6、C1、C4、C3、C2、CK，均以C5 组累计产气量和累计产甲烷量最高，分别为8 107.5 mL 和2 674.47 mL，相比于对照组提高了9.89%和26.66%。TS 产气量121.36 mL/g、VS 产气量170.16 mL/g 相比于对照组都提高了9.39%，因此添加活化时间为20 min，用碱量为4∶1 条件下制备的活性炭，最有利于咖啡皮渣厌氧发酵。

图5 累计产气变化图

添加活性炭后各组累计产沼气量和累计产甲烷量显著高于对照组，与文献［7］研究活性炭对秸秆和猪粪混合厌氧发酵产甲烷得出的结果一致，活性炭能够为微生物提供适宜的生存环境，增加活性，加快产甲烷菌对挥发性脂肪酸的转化，并促进种间电子转移，提高发酵程度和系统产甲烷能力。

2.4 咖啡皮渣厌氧发酵前后料液特性

咖啡皮渣厌氧发酵前后料液变化如表3 所示。添加活性炭后，TS 降解率、VS 降解率都高于对照组，TS降解率和VS 降解率最高的为实验组C5，相比于CK组分别提高了6.29%、4.79%，说明活性炭可以促进咖啡皮渣厌氧消化，提高发酵基质利用率。

表3 厌氧发酵前后料液特性

3 结论

在咖啡皮渣厌氧发酵系统内加入不同工艺制备的活性炭，探究其对厌氧发酵性能的促进效果，得到如下结论。

3.1 咖啡壳活性炭能促进咖啡皮渣厌氧发酵性能。投加GAC 后咖啡皮渣厌氧发酵最大日产气量均高于对照组，C3 组最大日产气量提高了19.26%。

3.2 在添加用碱量4∶1，活化时间20 min 条件下制备的GAC 时，咖啡皮渣厌氧发酵累计产气量、累计产甲烷量分别为8 107.5 mL、2 674.47 mL，相比于对照组累计产气量、累计产甲烷量分别提高了9.89%、26.66%，且TS 产气量、VS 产气量均为最高，相比于对照组提高了9.39%。

3.3 活性炭的添加还能促进咖啡皮渣降解。TS 降解率和VS 降解率最高为C5 组83.93%、69.78 %，比对照组CK 提高了6.29%、4.79%。因此添加活化时间为20 min，用碱量为4∶1 条件下制备的GAC，对咖啡皮渣厌氧发酵降解率有促进作用。