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          冰糖橙皮沼氣池發酵潛力的實驗研究
          時間 : 2019-03-28 瀏覽量 : 104

          橙子是蕓香科柑橘屬植物橙樹的果實,亦稱為黃果、柑子、金環、柳丁。橙子是一種柑果,是柚子與橘子的雜交品種,富含大量的蛋白質,果膠以及鈣,鐵,磷元素和多種維生素與抗氧化物質。橙子主要分為甜橙、臍橙、血橙3個品種。甜橙系列有:冰糖橙、紅肉臍橙、褚橙、新奇士橙、夏橙等,果一般為圓形,橙色,果頂無臍。糖橙又稱無酸甜橙,果形與普通甜橙相似。因含酸量極低,果汁含量達到適當程度時即可采收、上市,是極早熟的甜橙品種。

          橙皮可做粥、做菜品的調味品,橙皮中胡蘿卜素和核黃素含量也較高,同時還富含揮發油成分,揮發油除了有抑菌作用外,對腸道有溫和的刺激作用,可促進消化液的分泌,增加食欲2。橙皮還可以提取果膠,減少對環境的污染3。橙子多種物質的豐富含量,為沼氣沼氣池發酵提供了必要條件,然而目前以廢橙皮作為沼氣池發酵沼氣的原料的實驗和案例還未見相關的


          報道。因此,文章以冰糖橙皮作為沼氣池發酵沼氣的原料進行批量式沼氣池發酵實驗,目的在于為橙子皮的資源化利用提供新的依據。


          1實驗材料與方法


          1.1實驗材料


          沼氣池發酵原料為廢冰糖橙皮,經測定TS(總固體含量)為24.35%,VS(揮發性固體含量)為95.16%。

          接種物為實驗室長期馴化的厭氧沼氣池發酵活化污泥,經測定TS分別為6.58%,8.04%,11.76%;VS分別為45.88%,68.43%,60.79%;pH值分別為6.8,7.0,7.0。


          1.2試驗裝置


          采用實驗室自制的容積為500mL的批量式沼氣池發酵裝置,裝置示意圖如圖1所示。


          1.3實驗方法


          1.3.1原料預處理


          將冰糖橙皮表面的雜物、污物洗盡后切碎成小于1cm的小塊,使其能夠充分與接種物混合均勻。1.3.2試驗設計

          沼氣池發酵模式:采取批量式中溫厭氧沼氣池發酵(溫度設為29℃±1℃)。

          根據接種物TS含量的不同,試驗共設置3個樣,每個樣分別設置1個試驗組和1個對照組,每組分別設3個平行。為保證試驗的一致性,進行單瓶配料,料液的配比如下;試驗1(接種物TS6.58%):120mL的接種物,46.88g的冰糖橙皮,加水至400mL,pH值6.5;對照1:120mL的接種物,加水至400mL,pH值6.8。試驗2(接種物TS8.04%):120mL的接種物,42.51g的冰糖橙皮,加水至400mL,pH值65;對照2:120mL的接種物,加水至400mL,pH值7.0。試驗3(接種物Ts11.76%):120mL的接種物,24.28g的冰糖橙皮,加水至400mL,pH值6.8;對照3:120mL的接種物,加水至400mL,pH值7.0。


          1.3.3測試項目


          (1)產氣量測定:采用排水集氣法測定4,實驗啟動以后,每天定時記錄各組的產氣量,并計算各平行組的平均值,以此來表征沼氣池發酵過程每天的產氣量。

          (2)甲烷含量測定:試驗1,采用火焰顏色比色卡法,根據點燃時火焰的顏色確定沼氣中甲烷的含量。試驗2、3采用實驗室GC9790氣象色譜儀測定其甲烷、氫氣、二氧化碳的含量。

          (3)TS(總固體含量)測定:將樣品在105℃±2℃下烘至恒重,計算樣品除水分后干物質的質量分數6。


          3(%)=×100

          式中:W。為樣品重量,g;W為樣品烘干至M  后的重量,g  (4)VS(揮發性固體含量)測定:將TS測完后  恒重的總固體在550℃±20℃下燒至恒重,計算  發性物質的質量分數。

          S(%)=1二2×100  W

          式中:W2為灰分重量,go

          (5)pH值的測定:采用精密pH值試紙測定。


          2結果與分析


          2.1沼氣池發酵前后沼氣池發酵液的TS、VS及pH值變化

          試驗1,2,3分別進行了45d,38d,30d。實驗前后沼氣池發酵料液的TS,VS及pH值變化詳見表1。


          由表1可以看出,沼氣池發酵前后,試驗組和對照組的  TS和VS都有不同程度的降低,說明在厭氧沼氣池發酵沼  氣的過程中,原料被不同程度的分解利用。沼氣池發酵前  后pH值有所降低,試驗1,2的pH值略低于沼氣發  酵的較佳范圍,試驗3維持在沼氣沼氣池發酵的較佳范圍  內。通過計算可知,試驗組TS降解率分別為  15.56%,18.05%,19.15%,VS降解率分別為  6.95%,7.96%,11.39%;對照組的TS降解率分別  為8.61%,6.91%,6.01%,VS降解率分別為6.53%,7.87%,8.07%,可見對照組沼氣池發酵前后的TS,VS降解率都低于試驗組,對照組幾乎不產氣,原料的TS和VS降解率都高于對照組,這與產氣量的規律是相符的。


          2.2產氣情況分析


          2.2.1日產氣量  試驗啟動后,每天定時記錄產氣情況,通過分析  計算冰糖橙皮厭氧沼氣池發酵產沼氣時間與日產氣量的關


          試察么白圖2可知,冰糖橙皮沼氣池發酵實驗啟動較快,3個  第1天就達到了日產氣的高峰。其中試驗1  (TS6.58%)第1天產氣量為40mL,但點燃氣體  完全沒有火焰,這是因為剛開始冰糖橙皮被水解產  生大量的CO2;第2天產氣量有所下降,氣體被點燃  時呈現淡藍色火焰,但不能連續燃燒由火焰燃燒顏  色分析可知,此時的甲烷的含量較低(40%以下),  說明此時產甲烷細菌不占主導作用或原料水解不夠  充分,底物分解較少;第3-4天,產氣量呈上升趨  勢,第4天再次出現了產氣高峰,為370mL,在這段沼氣池發酵時期內,點燃氣體,火焰呈藍色,且能連續燃燒,從沼氣燃燒顏色可判斷甲烷的含量在50%-70%說明此階段產甲烷細菌占主導作用,能夠快速的利用水解的小分子,并將其轉化為甲烷。第5~6天產氣量總體呈下降趨勢,期間從沼氣燃燒顏色可以判斷甲烷的含量為60%~70%。但第7天開始突然不產氣,經測定pH值為5.5,沼氣池發酵體系出現了酸化,加入適量的碳酸鈉溶液調節pH值至7.0,則沼氣池發酵體系第9天開始恢復正常,產氣量又達到了200mL。之后的10~17d,產氣量總體呈下降趨勢,在這段沼氣池發酵時間內,由火焰顏色可以判斷甲烷的含量為50%左右。從第18天開始雖然每天略有氣體,但均不能持續燃燒,甲烷含量較低,說明此時底物基本消耗殆盡,反應終止,試驗完成

          試驗2(TS8.04%)第1天產氣量為880mL,達到了產氣量的高峰,第2天開始下降,第3-4天呈  現上升的趨勢,第5~22天總體呈現下降的趨勢,第23天以后幾乎不產氣。氣體成分詳見圖3。試驗3  (T11.76%)第1天產氣量為550mL達到了產氣  量的高峰,第2天開始下降,第3~6天呈現上升的


          趨勢,第7~16天總體呈現下降的趨勢,第17天以后幾乎不產氣。氣體成分詳見圖4。

          由圖3,圖4可知,沼氣池發酵初期甲烷的含量較低,氫氣的含量較高,但隨著沼氣池發酵時間的增長,在產甲烷菌的作用下,甲烷的含量在逐漸增加,氫氣的含量在逐漸降低。到沼氣池發酵末期時,由于底物即將消耗殆盡,甲烷和氫氣的含量都降低直至反應終止。

          同時由圖5可以看出,當接種物的TS含量增大時,甲烷的含量也隨之增大。


          2.2.2產氣速率


          對本次試驗1~3的累積產氣量進行了統計,詳見表2。


          由表2可以看出,在整個冰糖橙皮沼氣池發酵過程中第1-5天產氣量增速較快,累積產氣量較高。第10~15天產氣量的增加幅度不大。而15-20d增加的幅度不明顯。第20天以后產氣量幾乎無變化。由上述規律可知,冰糖橙皮沼氣池發酵產沼氣主要集中在前15d,產氣較快階段主要集中在1~5d。


          對圖6分析可知:在冰糖橙皮整個沼氣池發酵過程中,產氣速率是先增加,后趨于平緩的。在沼氣池發酵的前15d這3條曲線總體呈上升趨勢,特別是第1~10天曲線最為陡峭。其中曲線1由于酸化影響,第7~8天未產氣,出現了平緩的現象,后由于加入碳酸鈉溶液調節pH值后,沼氣池發酵體系恢復正常,繼續產氣,曲線又呈上升的趨勢。整個冰糖橙皮沼氣池發酵過程到第20天時已達到總產氣量95%以上,所以在以冰糖橙皮為沼氣池發酵原料的工程設計中,可以將沼氣池發酵的水力滯留時間(HRT)設計為20d,這不僅符合一般沼氣工程的設計參數,還可以減少投資,縮短回收期


          2.3產氣潛力分析


          結合圖2和圖6對冰糖橙皮厭氧沼氣池發酵的產氣潛力進行統計分析。


          由表3可見,隨著接種物TS含量的增加,TS的  產氣率也在增加。當接種物的TS為11.76%時(試  驗3),冰糖橙皮沼氣池發酵TS的產氣率較高。  為了能夠更加全面的評價冰糖橙皮的產氣潛  力,對以下常見的幾種水果皮的沼氣池發酵時間及TS產氣潛力做了統計,結果見表4。


          由表4可以看出,各種水果皮富  和糖類,所以TS的產氣潛力普遍較高。對于冰糖  橙皮,沼氣池發酵時間為30d,與其他各種原料相比,沼氣池發酵  時間相對較短,僅高于菠蘿皮和西番蓮皮,與香蕉皮  和葡萄皮的沼氣池發酵時間接近;Ts的產氣潛力低于以上  各類果皮,但隨著接種物的TS增加,TS產氣潛力呈  現上升的趨勢,表明冰糖橙皮是一種可行的沼氣發

          酵的原料。


          3結論


          (1)以冰糖橙皮為沼氣池發酵原料,在中溫(29℃±1℃)進行批量式的厭氧沼氣池發酵試驗,沼氣池發酵時間分別為45d,38d,30d。試驗產氣啟動較快,且主要集中在前15d,到第20天時累積的產氣量已達到試驗總產氣量的95%以上。

          (2)冰糖橙皮是一種可行的沼氣池發酵原料,3個發試驗分別產氣2360mL,2469mL,2225mL,沼氣池發酵前后試驗1,2的pH值略低,試驗3維持在沼氣沼氣池發酵的較適范圍內,TS利用率分別為15.56%,18.05%,19.15%,VS利用率分別為6.95%,7.9%%,  1139%。當接種物的TS含量增加時,甲烷含量,原  料產氣率,TS產氣潛力,VS產氣潛力都呈現上升的  趨勢,其中當接種物的TS為11.76%(試驗3),較  6539%804%的高,并經過計算得原料產氣率為


          93mL,g-,Ts產氣潛力為386mL·g,S產氣潛力為406mL·g。該試驗結果為冰糖橙皮的后續利用提供了理論依據,也提供了新的資源化利用途徑。


          摘自《中國沼氣》2018第二期 李興勇 陳玉保 張無知 張少朋 張旭 郝亞杰 尹芳 楊紅 王昌梅 蘇林


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