柑橘渣和茶渣共發(fā)酵產(chǎn)甲烷及動力學(xué)特性

王 銳， 康淑君， 謝佳玉， 江 滔， 馬旭光

(樂山師范學(xué)院 化學(xué)學(xué)院， 四川 樂山 614000)

四川省是中國柑橘和茶葉的主要生產(chǎn)地，但在柑橘和茶葉加工過程中，每年會產(chǎn)生大量的橘皮和茶渣。據(jù)統(tǒng)計，四川省柑橘和茶葉的年產(chǎn)量分別36萬噸和23萬噸[1]，由此粗略估計，柑橘渣和茶渣的年產(chǎn)量約為9～14.4萬噸和2～3萬噸[2]，而且隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，柑橘和茶葉的年產(chǎn)量呈逐年增加的趨勢。但目前大部分柑橘皮渣和茶渣均未得到充分利用，傳統(tǒng)的堆棄或填埋處置方式既浪費(fèi)資源又污染環(huán)境。為此，如何實現(xiàn)農(nóng)副產(chǎn)加工廢棄物的清潔化和資源化利用對于推動四川省循環(huán)農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

柑橘渣是柑橘加工業(yè)中產(chǎn)生的固體廢棄物，含水量較高，主要成分為可溶性糖、果膠等碳水化合物[3]，目前對其再利用途徑主要包括提取精油、色素、果膠等生物活性物質(zhì)[4]，發(fā)酵生產(chǎn)飼料[5]，制取酶制劑和食品添加劑[6]和生產(chǎn)有機(jī)肥[7]等。茶渣是在茶葉生產(chǎn)和深加工等過程產(chǎn)生的一種有機(jī)固體廢棄物，主要成分為粗蛋白(26%～35%)、粗纖維(13%～20%左右)、粗脂肪(1.5%～4.5%)、茶多酚(1%～2%)以及少量的咖啡堿等[8]。我國對茶渣的再利用目前仍處于探索階段，主要包括生產(chǎn)飼料[9]、生產(chǎn)土壤肥料[10]、接種栽培基質(zhì)[11]和提取營養(yǎng)物質(zhì)[12]等。但上述各利用途徑由于受成本、技術(shù)、安全性和生態(tài)環(huán)境等因素的影響，限制了其規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

厭氧發(fā)酵技術(shù)是在不同代謝功能的微生物協(xié)同作用下將大分子的木質(zhì)纖維素、蛋白質(zhì)、脂肪等有機(jī)物轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳的過程，因能減少溫室氣體的排放并產(chǎn)生清潔能源，是目前處理農(nóng)副產(chǎn)品加工中產(chǎn)生的有機(jī)廢棄物的主要途徑[13]。大量研究表明，柑橘渣具有較高的產(chǎn)甲烷潛力[14]，但由于其含有大量可溶性物質(zhì)，在厭氧發(fā)酵初期會導(dǎo)致大量揮發(fā)性脂肪酸(Volatile fatty acids, VFAs)積累進(jìn)而抑制產(chǎn)甲烷菌活性，需要對原料進(jìn)行生物預(yù)處理[15-16]，因此單一柑橘渣并不適宜厭氧發(fā)酵。白娜等認(rèn)為，茶渣是良好的產(chǎn)甲烷原料[17]。但在規(guī)?；瘧?yīng)用中，柑橘渣和茶渣均受季節(jié)性產(chǎn)生的限制，難以維持周年性穩(wěn)定原料供給。另外，二者的含水率、碳氮比均有互補(bǔ)性。因此，利用這兩種原料進(jìn)行厭氧共發(fā)酵在理論上可行的，但目前還見有相關(guān)報道。

基于此，本試驗通過批次厭氧發(fā)酵工藝，在中溫條件(37℃±1℃)下，研究橘皮和茶渣不同混合比例的產(chǎn)甲烷特性，并通過分析各處理產(chǎn)甲烷效率、物料轉(zhuǎn)化效率和動力學(xué)特性，明確橘皮和茶渣混合產(chǎn)甲烷的最適比例以及最適發(fā)酵周期，以期為橘皮和茶渣共發(fā)酵高效產(chǎn)甲烷提供可靠的工藝參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

柑橘皮渣(citrus peel, CP)：收集于樂山市某農(nóng)貿(mào)市場，粉碎至3～5 mm，置于冰箱冷凍室中備用。茶渣(Tea residue, TR)：取自瀘州市某茶葉加工廠，經(jīng)自然晾干后粉碎至粒徑<1 mm，置于干燥器中備用。厭氧活性污泥：取自本實驗室以牛糞和油菜秸稈為原料產(chǎn)甲烷正常運(yùn)行的連續(xù)厭氧反應(yīng)器。

1.2 試驗裝置

本研究所采用的試驗器材主要包括1 L自制的厭氧發(fā)酵反應(yīng)器，1 L的鋁箔采樣集氣袋(CYD-1，大連海得科技有限公司)、生化培養(yǎng)箱(LRH-250型，上海一恒科學(xué)儀器有限公司)和便攜式沼氣分析儀(Biogas 5000,德國Geotech)。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗設(shè)計

本試驗共設(shè)5個處理，橘皮和茶渣按揮發(fā)性固體含量(volatile solid content，VS)分別按比例10∶0，7∶3，5∶5，3∶7，0∶10混合，各處理料泥比(按VS計)均為1∶2，每個處理設(shè)3個重復(fù)，以不加原料的活性污泥為對照，發(fā)酵有效容積為600 mL左右，發(fā)酵體系含固率(total solid content, TS)為9%。配料方案見表1。

表1 柑橘渣和茶渣混合配料表

1.3.2 操作方法

按表1中的試驗方案將發(fā)酵物料與活性污泥充分混勻后裝入?yún)捬醢l(fā)酵瓶，塞緊帶有導(dǎo)氣管的橡膠塞，通N24～5 min，以保證反應(yīng)器中厭氧發(fā)酵環(huán)境，然后連接密封性良好的集氣袋，置于恒溫(37℃±1℃)培養(yǎng)箱中，每天用手搖動2～3次，并測產(chǎn)氣量和甲烷含量，當(dāng)日產(chǎn)氣體量<50 mL時停止發(fā)酵。

1.3.3 測試方法

1.3.3.1 物料理化性質(zhì)測定方法

按參考文獻(xiàn)[17]所述方法測定。TS：采用105℃±5℃烘干恒重法測定；VS：采用灼燒法，在550℃馬弗爐灼燒4～6 h，冷卻稱重；全碳(Total carbon content, TC)：采用重鉻酸鉀容量法測定；全氮(Total nitrogen content, TN)：采用凱氏定氮法測定。

1.3.3.2 沼氣產(chǎn)量及其成分的測定

沼氣產(chǎn)量采用排水法，并在標(biāo)準(zhǔn)狀況下(0℃，1.01×105 Pa)對氣體體積進(jìn)行矯正[18]。氣體中甲烷和二氧化碳含量采用便攜式沼氣分析儀(Biogas 5000, 英國Geotech公司)測定。

1.3.4 分析方法

1.3.4.1 甲烷效率分析方法

物料產(chǎn)甲烷效率(special methane production rate,SMPR)：用整個發(fā)酵周期內(nèi)累計產(chǎn)甲烷量(mL)除以添加的發(fā)酵物料總VS質(zhì)量，單位為mL·g-1VSadded。

容積產(chǎn)甲烷速率(methane volumetric production rate，MVPR)的計算公式如下：

MVPR=V1/(V2×T80)

(1)

式中：MVPR為容積產(chǎn)甲烷效率，mL·L-1d-1；V1為整個發(fā)酵周期累計甲烷產(chǎn)量的80%，mL；V2裝料量的容積(本文按0.6 L計)，L；T80(the shortest technical digestion time)為最短工藝發(fā)酵時間，用達(dá)到整個發(fā)酵周期累計甲烷產(chǎn)量80%時所需發(fā)酵天數(shù)來表示，d。

1.3.4.2 物料分解效率計算方法

物料分解效率能反映厭氧發(fā)酵過程中原料轉(zhuǎn)化利用效率，其計算公式如下：

C=(W1-W2)/W1×100%

(2)

式中：C表示物料分解效率，%；W1表示原料在發(fā)酵初始時的添加量TS(或VS)，%；W2表示原料在發(fā)酵結(jié)束時剩余量TS(或VS)，%。

1.3.5 產(chǎn)甲烷動力學(xué)模型分析方法

對于批式厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷過程而言，甲烷產(chǎn)量可表示為微生物生長的一個函數(shù)[19]。因此，本研究采用目前被認(rèn)為最適于描述S 型曲線產(chǎn)甲烷潛力的動力學(xué)模型Modified Gompertz 方程對各處理產(chǎn)甲烷過程進(jìn)行擬合[20]：

(3)

式中：M為t時刻的累計甲烷產(chǎn)量，mL·g-1VS；P為最終甲烷產(chǎn)量，mL·g-1VS；Rm為最大產(chǎn)甲烷速率，mL·g-1VS·d-1； λ 為延滯期，d。P，Rm和λ 均可通過批式發(fā)酵實驗數(shù)據(jù)擬合獲得。

1.3.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與處理方法

原始數(shù)據(jù)用Excel 軟件標(biāo)準(zhǔn)化處理后，采用Sigmaplot 10.0 軟件(Systat 國際軟件公司，美國)制圖和Modified Gompertz 方程擬合產(chǎn)甲烷動力學(xué)，采用SPSS17.0(IBM，美國)軟件在α=1%和α=5%水平上分析方差顯著性。

2 結(jié)果與討論

2.1 發(fā)酵原料理化性質(zhì)

發(fā)酵原料與接種污泥的基本理化性質(zhì)見表2。由表2可知，茶渣的固體含量極顯著高于(p=0.004)柑橘渣，說明茶渣的含水量低于柑橘渣；柑橘渣的揮發(fā)性固體含量顯著高于(p=0.014)茶渣，說明柑橘渣的可被微生物利用的有機(jī)物較高。兩種原料的C/N分別約為42.36和10.42，從微生物生長繁殖的營養(yǎng)需求而言，均不適宜單一物料厭氧發(fā)酵[21]；但由于柑橘渣的含碳量較高而茶渣的含氮量較高，二者混合共發(fā)酵為厭氧發(fā)酵體系中微生物提供平衡的營養(yǎng)物質(zhì)是可行的。

表2 發(fā)酵原料與接種污泥的基本理化性質(zhì) (%)

注：a表示基于原料濕重；b表示基于原料干重；ND表示未檢測。

2.2 日產(chǎn)氣動態(tài)過程

日產(chǎn)氣體動態(tài)過程如圖1所示。從圖1可知，各處理在第1天均開始產(chǎn)氣，說明接種物具有良好的活性；產(chǎn)氣量主要集中在前14 d，產(chǎn)氣周期在各處理沒有顯著差異，均為25 d。但產(chǎn)氣動態(tài)過程卻有明顯差異：各處理先后出現(xiàn)了2次產(chǎn)氣高峰，隨著茶渣添加量的增加，第1次產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)的時間越早。第1天單一茶渣的產(chǎn)氣量最高(1135±7.1 mL)，單一柑橘渣的產(chǎn)氣量最低(450±14 mL)；第3天，單一柑橘渣出現(xiàn)了第1次產(chǎn)氣高峰(1083±18 mL)。第2次產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)在第8～12天，且高峰時間隨茶渣添加量的增加而延遲，高峰期產(chǎn)氣量單一柑橘渣最高(798±11 mL)，其次是混合比為5∶5的處理(760±14 mL)。上述結(jié)果可能與柑橘渣和茶渣的組成成分及其結(jié)構(gòu)有關(guān)，發(fā)酵初期茶渣具有較高產(chǎn)氣量的原因可能在于：茶渣中含有被厭氧微生物易利用轉(zhuǎn)化的可溶性糖、酸類和寡肽等簡單小分子物質(zhì)[12]，而第2次產(chǎn)氣高峰的延遲與茶渣中含有較高的纖維素和半纖維等大分子碳水化合物有關(guān)[17]；而柑橘渣中大量的可溶性碳水化合物在發(fā)酵初期會產(chǎn)生大量的揮發(fā)性脂肪酸而抑制產(chǎn)甲烷菌活性[22-23]。

圖1 日產(chǎn)氣量

2.3 沼氣成分動態(tài)變化

沼氣成分動態(tài)變化過程如圖2和圖3所示。由圖2和圖3可知，在前8 d，各處理甲烷含量逐漸上升，之后趨于穩(wěn)定；而二氧化碳的含量從第1天開始逐漸下降，且柑橘渣越多的處理，二氧化碳含量也越高，說明發(fā)酵前期各處理的沼氣成分主要是二氧化碳，這可能是水解酸化細(xì)菌的生長繁殖速度較產(chǎn)甲烷菌快的原因所致[24]。在穩(wěn)定產(chǎn)甲烷期(9～25 d)，各處理的甲烷含量有明顯差異：處理CP∶TR=5∶5的平均甲烷含量最高(64.9%±2.3%)，而單一茶渣(CP∶TR=0∶10)的甲烷含量(59.0±2.8%)顯著(p=0.038)高于單一柑橘渣(CP∶TR=10∶0)的甲烷含量(54.9%±1.3%)，茶渣甲烷含量與白娜[17]等人的研究一致。各處理在整個發(fā)酵周期的甲烷含量從高到低依次為：56.55%(CP∶TR=5∶5)，54.22%(CP∶TR=3∶7)，52.8%(CP∶TR=0∶10)，49.55%(CP∶TR=7∶3)和47.43%(CP∶TR=10∶0)。由此可知，茶渣有助于提高甲烷菌活性，且混合物料因協(xié)同效應(yīng)較單一物料明顯提高了氣體中的甲烷含量。

圖3 二氧化碳含量

圖2 甲烷含量

2.4 產(chǎn)氣效率

各處理特殊氣體產(chǎn)率和容積氣體產(chǎn)率分別見圖4和圖5。由圖4可知，隨著茶渣添加量的增加，原料產(chǎn)氣率呈下降趨勢，處理CP∶TR=10∶0，7∶3，5∶5的原料產(chǎn)氣率顯著高于(p<0.05)CW∶TW=3∶7 和10∶0，二氧化碳原料產(chǎn)率的變化規(guī)律與此相似，而甲烷原料產(chǎn)率先升高后降低，甚至處理CP∶TR=10∶0和7∶3的二氧化碳原料產(chǎn)率高于甲烷原料產(chǎn)率，這可能與柑橘渣較高的C/N(42.36)有關(guān)。CP∶TR=5∶5 的原料甲烷產(chǎn)率最高(143 mL·g-1VSadded)，顯著高于(p<0.05)其他處理。由圖5可知，容積產(chǎn)氣率的變化趨勢與原料產(chǎn)氣率一致。CP∶TR=5∶5的容積甲烷產(chǎn)率最高(0.48 L·L-1d-1)，與處理CP∶TR =10∶0(0.45 L·L-1d-1)，7∶3(0.43 L·L-1d-1)之間的差異不顯著(p>0.05)，但顯著高于(p<0.05)高于處理CW∶TW=3∶7(0.38 L·L-1d-1)和0∶10(0.39 L·L-1d-1)。上述結(jié)果說明適宜比例混合發(fā)酵原料會產(chǎn)生顯著的協(xié)同效應(yīng)并有效提高甲烷產(chǎn)量，馬旭光[25]等在利用碳氮比互補(bǔ)的油菜秸稈和雞糞產(chǎn)甲烷研究中也發(fā)現(xiàn)了類似現(xiàn)象。鑒于多樣化原料較單一原料在可供給性方面的優(yōu)越性，本研究可確定柑橘渣和茶渣混合發(fā)酵產(chǎn)甲烷的最優(yōu)比例為5∶5。

圖5 容積甲烷產(chǎn)率

圖4 原料甲烷產(chǎn)率

2.5 物料分解效率

發(fā)酵物料TS和VS分解率在能直觀反映產(chǎn)甲烷過程中底物被水解、酸化的程度[26]。從圖6可知，各處理的TS和VS分解率均分別高于49%和60%，各處理之間TS和VS分解率的變化趨勢與產(chǎn)氣效率一致。CP∶TR=5∶5處理的TS和VS分解率顯著高于(p<0.05)其他處理，分別為58.81%和75.46%?？傮w而言，柑橘渣添加量多的處理較茶渣的物料分解率高，說明柑橘渣在厭氧發(fā)酵過程中較茶渣更易被分解，這可能與本研究采用的新鮮橘皮中可溶性物質(zhì)含量較高有關(guān)[6]。但結(jié)合2.3的實驗現(xiàn)象和2.4的分析結(jié)果可知，大量添加可溶性物質(zhì)含量較高的橘皮并不利于提高甲烷產(chǎn)量，其原因在于在厭氧發(fā)酵體系中水解酸化細(xì)菌的生長繁殖速度要快于產(chǎn)甲烷古菌[24]，在發(fā)酵初期，經(jīng)由水解酸化細(xì)菌快速分解可溶性物質(zhì)產(chǎn)生的揮發(fā)性脂肪酸，如不能被產(chǎn)甲烷古菌及時代謝轉(zhuǎn)化繼而會分解產(chǎn)生二氧化碳，進(jìn)而會降低物料產(chǎn)甲烷效率[24]，這也是柑橘渣添加量多的物料在前期二氧化碳含量較高的原因。

圖6 物料分解率

2.6 產(chǎn)甲烷動力學(xué)特性

不同柑橘渣和茶渣混合物料的產(chǎn)甲烷過程動力學(xué)特性分析結(jié)果見表3。由表3可知，Modified Gompertz模型能較好地反映各處理產(chǎn)甲烷過程(R2為0.997～0.999)，各處理的P，Rm，λ和T80均與實驗值基本吻合，再次證明該模型適合分析成分較復(fù)雜的有機(jī)固體廢棄物[27-28]。CP∶TR=5∶5混合物料的Rm值顯著(p<0.05)高于其他處理，說明適宜的混料發(fā)酵有利于提高原料生物降解效率和特殊甲烷產(chǎn)率。λ和T80隨茶渣添加量的增加而延長，可能與茶渣中難以分解分解的粗纖維素物質(zhì)較柑橘渣高有關(guān)。甲烷產(chǎn)率較高的混合物料(CP∶TR=5∶5)的T80為6.7 d，故建議在實際連續(xù)工藝產(chǎn)甲烷工程中，不考慮攪拌影響的條件下將水力滯留時間(hydraulic retention time, HRT)定為7 d。

表3 Modified Gompertz模型的擬合動力學(xué)參數(shù)

3 結(jié)論

(1)單一的柑橘皮渣和茶渣在含固率為9%、料泥比為1∶2的條件下均能正常甲烷，但混料發(fā)酵能產(chǎn)生顯著的協(xié)同效應(yīng)。從發(fā)酵物料理化性質(zhì)的互補(bǔ)性和周年性供給的考慮，混料發(fā)酵較單一物料也有優(yōu)勢。

(2)柑橘渣添加量多的混料產(chǎn)沼氣效率較茶渣高，但因發(fā)酵初期以產(chǎn)生二氧化碳為主，會降低產(chǎn)甲烷效率，而茶渣的添加會提高甲烷產(chǎn)量。當(dāng)柑橘渣和茶渣按5∶5混合(按VS計)時，產(chǎn)甲烷效率和物料分解率顯著高于其他處理，原料甲烷產(chǎn)率、容積甲烷產(chǎn)率、TS和VS分解率分別為143 mL·g-1VSadded，0.48 L·L-1d-1，58.81%和75.46%。

(3)根據(jù)Modified Gompertz模型的動力學(xué)參數(shù)的擬合結(jié)果，建議在利用柑橘渣和茶渣的實際連續(xù)產(chǎn)甲烷工程中，較優(yōu)混合比(CP∶TR=5∶5)的物料在不考慮攪拌因素的條件下，適宜的水力停留時間(HRT)為7 d。