柑橘渣和茶渣共发酵产甲烷及动力学特性

王 锐， 康淑君， 谢佳玉， 江 滔， 马旭光

(乐山师范学院 化学学院， 四川 乐山 614000)

四川省是中国柑橘和茶叶的主要生产地，但在柑橘和茶叶加工过程中，每年会产生大量的橘皮和茶渣。据统计，四川省柑橘和茶叶的年产量分别36万吨和23万吨[1]，由此粗略估计，柑橘渣和茶渣的年产量约为9～14.4万吨和2～3万吨[2]，而且随着产业结构的调整，柑橘和茶叶的年产量呈逐年增加的趋势。但目前大部分柑橘皮渣和茶渣均未得到充分利用，传统的堆弃或填埋处置方式既浪费资源又污染环境。为此，如何实现农副产加工废弃物的清洁化和资源化利用对于推动四川省循环农业的发展具有重要意义。

柑橘渣是柑橘加工业中产生的固体废弃物，含水量较高，主要成分为可溶性糖、果胶等碳水化合物[3]，目前对其再利用途径主要包括提取精油、色素、果胶等生物活性物质[4]，发酵生产饲料[5]，制取酶制剂和食品添加剂[6]和生产有机肥[7]等。茶渣是在茶叶生产和深加工等过程产生的一种有机固体废弃物，主要成分为粗蛋白(26%～35%)、粗纤维(13%～20%左右)、粗脂肪(1.5%～4.5%)、茶多酚(1%～2%)以及少量的咖啡碱等[8]。我国对茶渣的再利用目前仍处于探索阶段，主要包括生产饲料[9]、生产土壤肥料[10]、接种栽培基质[11]和提取营养物质[12]等。但上述各利用途径由于受成本、技术、安全性和生态环境等因素的影响，限制了其规模化和产业化应用。

厌氧发酵技术是在不同代谢功能的微生物协同作用下将大分子的木质纤维素、蛋白质、脂肪等有机物转化为甲烷和二氧化碳的过程，因能减少温室气体的排放并产生清洁能源，是目前处理农副产品加工中产生的有机废弃物的主要途径[13]。大量研究表明，柑橘渣具有较高的产甲烷潜力[14]，但由于其含有大量可溶性物质，在厌氧发酵初期会导致大量挥发性脂肪酸(Volatile fatty acids, VFAs)积累进而抑制产甲烷菌活性，需要对原料进行生物预处理[15-16]，因此单一柑橘渣并不适宜厌氧发酵。白娜等认为，茶渣是良好的产甲烷原料[17]。但在规模化应用中，柑橘渣和茶渣均受季节性产生的限制，难以维持周年性稳定原料供给。另外，二者的含水率、碳氮比均有互补性。因此，利用这两种原料进行厌氧共发酵在理论上可行的，但目前还见有相关报道。

基于此，本试验通过批次厌氧发酵工艺，在中温条件(37℃±1℃)下，研究橘皮和茶渣不同混合比例的产甲烷特性，并通过分析各处理产甲烷效率、物料转化效率和动力学特性，明确橘皮和茶渣混合产甲烷的最适比例以及最适发酵周期，以期为橘皮和茶渣共发酵高效产甲烷提供可靠的工艺参数。

1 材料与方法

1.1 试验材料

柑橘皮渣(citrus peel, CP)：收集于乐山市某农贸市场，粉碎至3～5 mm，置于冰箱冷冻室中备用。茶渣(Tea residue, TR)：取自泸州市某茶叶加工厂，经自然晾干后粉碎至粒径<1 mm，置于干燥器中备用。厌氧活性污泥：取自本实验室以牛粪和油菜秸秆为原料产甲烷正常运行的连续厌氧反应器。

1.2 试验装置

本研究所采用的试验器材主要包括1 L自制的厌氧发酵反应器，1 L的铝箔采样集气袋(CYD-1，大连海得科技有限公司)、生化培养箱(LRH-250型，上海一恒科学仪器有限公司)和便携式沼气分析仪(Biogas 5000,德国Geotech)。

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计

本试验共设5个处理，橘皮和茶渣按挥发性固体含量(volatile solid content，VS)分别按比例10∶0，7∶3，5∶5，3∶7，0∶10混合，各处理料泥比(按VS计)均为1∶2，每个处理设3个重复，以不加原料的活性污泥为对照，发酵有效容积为600 mL左右，发酵体系含固率(total solid content, TS)为9%。配料方案见表1。

表1 柑橘渣和茶渣混合配料表

1.3.2 操作方法

按表1中的试验方案将发酵物料与活性污泥充分混匀后装入厌氧发酵瓶，塞紧带有导气管的橡胶塞，通N24～5 min，以保证反应器中厌氧发酵环境，然后连接密封性良好的集气袋，置于恒温(37℃±1℃)培养箱中，每天用手摇动2～3次，并测产气量和甲烷含量，当日产气体量<50 mL时停止发酵。

1.3.3 测试方法

1.3.3.1 物料理化性质测定方法

按参考文献[17]所述方法测定。TS：采用105℃±5℃烘干恒重法测定；VS：采用灼烧法，在550℃马弗炉灼烧4～6 h，冷却称重；全碳(Total carbon content, TC)：采用重铬酸钾容量法测定；全氮(Total nitrogen content, TN)：采用凯氏定氮法测定。

1.3.3.2 沼气产量及其成分的测定

沼气产量采用排水法，并在标准状况下(0℃，1.01×105 Pa)对气体体积进行矫正[18]。气体中甲烷和二氧化碳含量采用便携式沼气分析仪(Biogas 5000, 英国Geotech公司)测定。

1.3.4 分析方法

1.3.4.1 甲烷效率分析方法

物料产甲烷效率(special methane production rate,SMPR)：用整个发酵周期内累计产甲烷量(mL)除以添加的发酵物料总VS质量，单位为mL·g-1VSadded。

容积产甲烷速率(methane volumetric production rate，MVPR)的计算公式如下：

MVPR=V1/(V2×T80)

(1)

式中：MVPR为容积产甲烷效率，mL·L-1d-1；V1为整个发酵周期累计甲烷产量的80%，mL；V2装料量的容积(本文按0.6 L计)，L；T80(the shortest technical digestion time)为最短工艺发酵时间，用达到整个发酵周期累计甲烷产量80%时所需发酵天数来表示，d。

1.3.4.2 物料分解效率计算方法

物料分解效率能反映厌氧发酵过程中原料转化利用效率，其计算公式如下：

C=(W1-W2)/W1×100%

(2)

式中：C表示物料分解效率，%；W1表示原料在发酵初始时的添加量TS(或VS)，%；W2表示原料在发酵结束时剩余量TS(或VS)，%。

1.3.5 产甲烷动力学模型分析方法

对于批式厌氧发酵产甲烷过程而言，甲烷产量可表示为微生物生长的一个函数[19]。因此，本研究采用目前被认为最适于描述S 型曲线产甲烷潜力的动力学模型Modified Gompertz 方程对各处理产甲烷过程进行拟合[20]：

(3)

式中：M为t时刻的累计甲烷产量，mL·g-1VS；P为最终甲烷产量，mL·g-1VS；Rm为最大产甲烷速率，mL·g-1VS·d-1； λ 为延滞期，d。P，Rm和λ 均可通过批式发酵实验数据拟合获得。

1.3.6 数据统计与处理方法

原始数据用Excel 软件标准化处理后，采用Sigmaplot 10.0 软件(Systat 国际软件公司，美国)制图和Modified Gompertz 方程拟合产甲烷动力学，采用SPSS17.0(IBM，美国)软件在α=1%和α=5%水平上分析方差显著性。

2 结果与讨论

2.1 发酵原料理化性质

发酵原料与接种污泥的基本理化性质见表2。由表2可知，茶渣的固体含量极显著高于(p=0.004)柑橘渣，说明茶渣的含水量低于柑橘渣；柑橘渣的挥发性固体含量显著高于(p=0.014)茶渣，说明柑橘渣的可被微生物利用的有机物较高。两种原料的C/N分别约为42.36和10.42，从微生物生长繁殖的营养需求而言，均不适宜单一物料厌氧发酵[21]；但由于柑橘渣的含碳量较高而茶渣的含氮量较高，二者混合共发酵为厌氧发酵体系中微生物提供平衡的营养物质是可行的。

表2 发酵原料与接种污泥的基本理化性质 (%)

注：a表示基于原料湿重；b表示基于原料干重；ND表示未检测。

2.2 日产气动态过程

日产气体动态过程如图1所示。从图1可知，各处理在第1天均开始产气，说明接种物具有良好的活性；产气量主要集中在前14 d，产气周期在各处理没有显著差异，均为25 d。但产气动态过程却有明显差异：各处理先后出现了2次产气高峰，随着茶渣添加量的增加，第1次产气高峰出现的时间越早。第1天单一茶渣的产气量最高(1135±7.1 mL)，单一柑橘渣的产气量最低(450±14 mL)；第3天，单一柑橘渣出现了第1次产气高峰(1083±18 mL)。第2次产气高峰出现在第8～12天，且高峰时间随茶渣添加量的增加而延迟，高峰期产气量单一柑橘渣最高(798±11 mL)，其次是混合比为5∶5的处理(760±14 mL)。上述结果可能与柑橘渣和茶渣的组成成分及其结构有关，发酵初期茶渣具有较高产气量的原因可能在于：茶渣中含有被厌氧微生物易利用转化的可溶性糖、酸类和寡肽等简单小分子物质[12]，而第2次产气高峰的延迟与茶渣中含有较高的纤维素和半纤维等大分子碳水化合物有关[17]；而柑橘渣中大量的可溶性碳水化合物在发酵初期会产生大量的挥发性脂肪酸而抑制产甲烷菌活性[22-23]。

图1 日产气量

2.3 沼气成分动态变化

沼气成分动态变化过程如图2和图3所示。由图2和图3可知，在前8 d，各处理甲烷含量逐渐上升，之后趋于稳定；而二氧化碳的含量从第1天开始逐渐下降，且柑橘渣越多的处理，二氧化碳含量也越高，说明发酵前期各处理的沼气成分主要是二氧化碳，这可能是水解酸化细菌的生长繁殖速度较产甲烷菌快的原因所致[24]。在稳定产甲烷期(9～25 d)，各处理的甲烷含量有明显差异：处理CP∶TR=5∶5的平均甲烷含量最高(64.9%±2.3%)，而单一茶渣(CP∶TR=0∶10)的甲烷含量(59.0±2.8%)显著(p=0.038)高于单一柑橘渣(CP∶TR=10∶0)的甲烷含量(54.9%±1.3%)，茶渣甲烷含量与白娜[17]等人的研究一致。各处理在整个发酵周期的甲烷含量从高到低依次为：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，且混合物料因协同效应较单一物料明显提高了气体中的甲烷含量。

图3 二氧化碳含量

图2 甲烷含量

2.4 产气效率

各处理特殊气体产率和容积气体产率分别见图4和图5。由图4可知，随着茶渣添加量的增加，原料产气率呈下降趋势，处理CP∶TR=10∶0，7∶3，5∶5的原料产气率显著高于(p<0.05)CW∶TW=3∶7 和10∶0，二氧化碳原料产率的变化规律与此相似，而甲烷原料产率先升高后降低，甚至处理CP∶TR=10∶0和7∶3的二氧化碳原料产率高于甲烷原料产率，这可能与柑橘渣较高的C/N(42.36)有关。CP∶TR=5∶5 的原料甲烷产率最高(143 mL·g-1VSadded)，显著高于(p<0.05)其他处理。由图5可知，容积产气率的变化趋势与原料产气率一致。CP∶TR=5∶5的容积甲烷产率最高(0.48 L·L-1d-1)，与处理CP∶TR =10∶0(0.45 L·L-1d-1)，7∶3(0.43 L·L-1d-1)之间的差异不显著(p>0.05)，但显著高于(p<0.05)高于处理CW∶TW=3∶7(0.38 L·L-1d-1)和0∶10(0.39 L·L-1d-1)。上述结果说明适宜比例混合发酵原料会产生显著的协同效应并有效提高甲烷产量，马旭光[25]等在利用碳氮比互补的油菜秸秆和鸡粪产甲烷研究中也发现了类似现象。鉴于多样化原料较单一原料在可供给性方面的优越性，本研究可确定柑橘渣和茶渣混合发酵产甲烷的最优比例为5∶5。

图5 容积甲烷产率

图4 原料甲烷产率

2.5 物料分解效率

发酵物料TS和VS分解率在能直观反映产甲烷过程中底物被水解、酸化的程度[26]。从图6可知，各处理的TS和VS分解率均分别高于49%和60%，各处理之间TS和VS分解率的变化趋势与产气效率一致。CP∶TR=5∶5处理的TS和VS分解率显著高于(p<0.05)其他处理，分别为58.81%和75.46%。总体而言，柑橘渣添加量多的处理较茶渣的物料分解率高，说明柑橘渣在厌氧发酵过程中较茶渣更易被分解，这可能与本研究采用的新鲜橘皮中可溶性物质含量较高有关[6]。但结合2.3的实验现象和2.4的分析结果可知，大量添加可溶性物质含量较高的橘皮并不利于提高甲烷产量，其原因在于在厌氧发酵体系中水解酸化细菌的生长繁殖速度要快于产甲烷古菌[24]，在发酵初期，经由水解酸化细菌快速分解可溶性物质产生的挥发性脂肪酸，如不能被产甲烷古菌及时代谢转化继而会分解产生二氧化碳，进而会降低物料产甲烷效率[24]，这也是柑橘渣添加量多的物料在前期二氧化碳含量较高的原因。

图6 物料分解率

2.6 产甲烷动力学特性

不同柑橘渣和茶渣混合物料的产甲烷过程动力学特性分析结果见表3。由表3可知，Modified Gompertz模型能较好地反映各处理产甲烷过程(R2为0.997～0.999)，各处理的P，Rm，λ和T80均与实验值基本吻合，再次证明该模型适合分析成分较复杂的有机固体废弃物[27-28]。CP∶TR=5∶5混合物料的Rm值显著(p<0.05)高于其他处理，说明适宜的混料发酵有利于提高原料生物降解效率和特殊甲烷产率。λ和T80随茶渣添加量的增加而延长，可能与茶渣中难以分解分解的粗纤维素物质较柑橘渣高有关。甲烷产率较高的混合物料(CP∶TR=5∶5)的T80为6.7 d，故建议在实际连续工艺产甲烷工程中，不考虑搅拌影响的条件下将水力滞留时间(hydraulic retention time, HRT)定为7 d。

表3 Modified Gompertz模型的拟合动力学参数

3 结论

(1)单一的柑橘皮渣和茶渣在含固率为9%、料泥比为1∶2的条件下均能正常甲烷，但混料发酵能产生显著的协同效应。从发酵物料理化性质的互补性和周年性供给的考虑，混料发酵较单一物料也有优势。

(2)柑橘渣添加量多的混料产沼气效率较茶渣高，但因发酵初期以产生二氧化碳为主，会降低产甲烷效率，而茶渣的添加会提高甲烷产量。当柑橘渣和茶渣按5∶5混合(按VS计)时，产甲烷效率和物料分解率显著高于其他处理，原料甲烷产率、容积甲烷产率、TS和VS分解率分别为143 mL·g-1VSadded，0.48 L·L-1d-1，58.81%和75.46%。

(3)根据Modified Gompertz模型的动力学参数的拟合结果，建议在利用柑橘渣和茶渣的实际连续产甲烷工程中，较优混合比(CP∶TR=5∶5)的物料在不考虑搅拌因素的条件下，适宜的水力停留时间(HRT)为7 d。