不同溫度條件下農(nóng)作物秸稈產(chǎn)氣效率研究

1、第 26卷第 2期 干 旱 地 區(qū) 農(nóng) 業(yè) 研 究Vol. 26No. 2收稿日期 :2007208203; 修改日期 :2007210229基金項目 :農(nóng)業(yè)科技成果轉化項目 (05EFN217100423 ; 國家科技支撐計劃 (2006BAD17B01-01 ; 國家自然科學基金 (30700482作者簡介 :楚莉莉 (1981 , 女 , 河南鄭州人 , 在讀碩士 , 研究方向為生態(tài)農(nóng)業(yè)技術集成研究。 E 2mail :chulilimouse163. com 。 3通訊作者 :楊改河 (1957 , 男 , 陜西耀縣人 , 教授 , 博士生導師 , 主要從事生態(tài)農(nóng)業(yè)與循環(huán)農(nóng)業(yè)技術研究。

2、 E 2mail :yghnwsuaf. edu. cn 。不同溫度條件下農(nóng)作物秸稈產(chǎn)氣效率研究楚莉莉 1,3, 楊改河 2,33, 張翠麗 1,3, 任廣鑫 2,3, 馮永忠 2,3(1. 西北農(nóng)林科技大學資源環(huán)境學院 , 陜西 楊凌 712100; 2. 西北農(nóng)林科技大學農(nóng)學院 , 陜西 楊凌 712100;3. 陜西省循環(huán)農(nóng)業(yè)工程技術研究中心 , 陜西 楊凌 712100 摘 要 :采用自行設計的可控性恒溫發(fā)酵裝置 , 選取了小麥秸稈 、 水稻秸稈和玉米秸稈 3種單一原料為發(fā)酵原 料 , 以 5 為一個步長 , 設定了 7個恒定溫度 10 、 15 、 20 、 25 、 30 、 35

3、 、 40 下的發(fā)酵方案 ; 試驗結果表明7個溫度梯度下 ,3種原料均能正常發(fā)酵產(chǎn)生沼氣 , 原料產(chǎn)氣率隨溫度上升而上升 ;40 下的產(chǎn)氣效率最好 (小麥秸稈的峰值為 2520. 0mL , 干物質產(chǎn)氣率為 187. 1mL/g , 水稻秸稈的峰值為 2100. 0mL , 干物質產(chǎn)氣率 195. 0mL/g , 玉米秸稈的峰值為 2395. 0mL , 干物質產(chǎn)氣率為 228. 5mL/g ,10 377. 5mL , 干物質產(chǎn)氣率為 20. 1mL/g , 水稻秸稈的峰值為 305. 0mL , 252. 5mL , 干物質產(chǎn)氣率為 15. 0mL/g 關鍵詞 :秸稈 ; 中圖分類號 :A

4、 文章編號 :100027601(2008 0220190204我國農(nóng)村每年生產(chǎn)大量的農(nóng)作物秸稈約 7億 t 左右 1, 除少量秸稈被作為牲畜飼料 、 農(nóng)家肥和農(nóng) 村燃料外 , 大多數(shù)秸稈被堆放或直接焚燒 , 使生物質 資源浪費巨大 , 造成了嚴重的環(huán)境污染問題 。大量 焚燒田間秸稈已影響了飛機起降 、 車輛行駛 , 造成空 氣質量下降 , 危害人類健康 。有關秸稈的資源化利 用已成為大家矚目關注的問題 , 已有很多專家提出 秸稈還田 、 秸稈氣化等解決方法 24, 但這些解決 方法的成本太高 , 推廣效果不好 。李燕紅等研究了 農(nóng)作物秸稈的生物制氫技術 5, 探討了小麥秸稈的 產(chǎn)氫基理 。

5、徐琰等研究不同纖維素類生物質廢棄物 的產(chǎn)氫能力 6, 發(fā)現(xiàn)不同底物的產(chǎn)氫過程基本相 似 。 李冬敏以汽爆秸稈為原料研究變溫條件下的產(chǎn) 氫過程 7, 發(fā)現(xiàn)變溫可以提高產(chǎn)氫量 。周俊虎等進 行了影響秸稈發(fā)酵產(chǎn)氫因素的研究 8, 發(fā)現(xiàn)不同處 理方法對秸稈產(chǎn)氫效果有顯著影響 。 秸稈中含有較 多的大分子物質 , 分解較慢 , 投入沼氣池后易形成漂 浮層影響產(chǎn)氣效率 , 再加上出料困難 , 因此很少有人 選用秸稈作為厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的原料 , 關于此方面 的研究報道也較少 。因此本試驗選小麥秸稈 、 水稻 秸稈 、 玉米秸稈作為發(fā)酵的原料 , 以 5 為一個步 長 , 設定了 7個恒定溫度 10 、 15

6、 、 20 、 25 、 30 、 35 、 40 下的發(fā)酵方案 , 研究 3種秸稈的產(chǎn) 氣情況 , 以期為解決農(nóng)村秸稈焚燒污染環(huán)境以及能 源短缺問題提供理論依據(jù) 。1 材料與方法1. 1 材 料1. 1. 1 發(fā)酵原料 試驗材料為風干的小麥秸稈 、 水稻秸稈和玉米秸稈 。將 50kg 的小麥秸稈 、 水稻秸 稈 、 玉米秸稈粉碎成長度為 2cm 左右 , 裝入 125L 的塑料桶內加入 15kg 的水和 10kg 的沼液蓋上塑 料薄膜進行堆漚 。堆漚時間為 15d (各原料的干物 質量見表 1 。表 1 發(fā)酵原料的碳氮比 、 干物質含量Table 1 The C/N and TS of 7f

7、ermented materials項目Item小麥秸稈 Wheat straw 水稻秸稈 Rice straw玉米秸稈Corn stalk碳氮比C/N302323發(fā)酵前干物質 TS (%Before fermented7. 78. 07. 6 注 :此碳氮比和干物質量為堆漚后測得。Note :The C/N ratio and TS was determined after compost maturity.1. 1. 2 原料的預處理 接種物是通過對常年進行厭氧發(fā)酵的沼氣池中的發(fā)酵底物進行馴化得到 , 發(fā)酵底物取自西北農(nóng)林科技大學附近沼氣示范村 (崔 西溝 。在 125L 的塑料桶內加入

8、30kg 的牛糞并 加入 70kg 的沼液攪拌均勻 , 蓋上塑料薄膜進行馴 化 , 馴化時間為 15d , 接種物的干物質量為 10. 8%。 脲酶是一種高度專性的酶 , 能酶促尿素的水解 , 脲酶活性可以表征接種物氮素狀況 , 測得接種物的脲酶 活性為 0. 967mg/(g 37 24h 。 1. 2 試驗裝置本試驗所用試驗裝置為陜西省循環(huán)農(nóng)業(yè)工程技 術研究中心實驗室自行設置的可控性恒溫厭氧發(fā)酵 裝置 , 主要由發(fā)酵裝置 、 集氣裝置及控溫裝置 3部分 組成如圖 1所示 。選用 5L 塑料壺作為發(fā)酵瓶 , 塑料壺用 6號的橡膠塞密封 , 橡膠塞上設有導氣口 。 集氣裝置由 1000mL 的

9、三角瓶和 1000mL 的量筒 連接而成 , 三角瓶用 8號橡膠塞密封 。發(fā)酵裝置和 集氣裝置由橡膠管連接 。 將準備好的發(fā)酵裝置放置 于水槽內 , 設 2個重復 。 用 1000W 地熱絲加熱 , 智 能溫度控制儀 (PC -1000 和繼電器控制和顯示發(fā) 酵溫度 , 溫度波動范圍為 ±1 。1. 2controlling box ; 2. 溫度傳感器 Temperature sensor ; 3. 加熱絲 Heating wire ;4. 發(fā)酵罐 Fermentor ;5. 恒溫水槽 Water thermostat system ; 6. 集氣瓶 Biogas 2collect

10、ing bottle ; 7. 量筒 Measuring cylinder圖 1 可控性恒溫厭氧發(fā)酵裝置Fig. 1 Controllable constant 2temperature fermenting equipment1. 3 試驗方案 發(fā)酵原料的總固體濃度為 8%, 在 5L 塑料壺里裝入 3000g 攪拌均勻的發(fā)酵原料 (按照表 2的配 比 和 500g 的接種物 。設置 7個恒定溫度 10 、 15 、 20 、 25 、 30 、 35 、 40 。表 2 發(fā)酵料液的配制表 T able 2 The quantity of materials and water of fer

11、menting liquid發(fā)酵原料Materials原料量 (g Materials quantity水量 (g Water quantity小麥秸稈堆漚物Composted wheat straw293565水稻秸稈堆漚物Composted rice straw2840160玉米秸稈堆漚物Composted corn straw298515料液濃度計算公式 :M 0=X imi X i+W式中 , M 0為料液濃度 (% ; X i 為物料重量 (g ; m i 為總固體含量 (TS , % ; W 為所需增加水量 (g 。 1. 4測定項目及方法(1 干物質含量 (TS :采用烘干法 。

12、 計算方法 如公式所示 :TS =B×100%。 式中 , A 為樣品烘干后的重量 (g ; B 為樣品鮮重 (g 。(2 脲酶活性 :采用苯酚鈉比色法 。(3 碳氮比 :碳以 VS (揮發(fā)性干物質含量 估算 C =0. 47VS , 氮以凱氏定氮法測定 。(4 產(chǎn)氣量 :待所產(chǎn)的氣體能正常點燃后 , 開始記錄數(shù)據(jù) , 每天早上 9點定時測量 。(5 干物質產(chǎn)氣率 :mL/g , 計算方法如公式所 示 :干物質產(chǎn)氣率 =B, 式中 , A 為各發(fā)酵料液的總 產(chǎn)氣量 (mL ; B 為各發(fā)酵料液中干物質量 (g 。2 結果與分析2. 1 3種秸稈的產(chǎn)氣速率分析在發(fā)酵產(chǎn)甲烷的過程中 ,3

13、種秸稈在 7個溫度 梯度的產(chǎn)氣速率如圖 2、 3、 4、 5、 6、 7、 8所示 。從圖 2、 3、 4、 5、 6、 7可以看出在 40 、 35 、 30 、 25 、 20 、 15 的恒溫發(fā)酵條件下 ,3種秸稈厭氧發(fā)酵啟動快 , 均能在較短的時間內開始正常產(chǎn) 氣 , 這與發(fā)酵原料的碳氮比有關 , 前人研究結果表 明 , 原料的碳氮比以 2030 1搭配比較適宜 911, 從表 1得知麥稈 、 稻稈 、 玉米稈的碳氮比在 2030 1之間 。 小麥秸稈 、 水稻秸稈 、 玉米秸稈均在正常產(chǎn)氣后的較短時間內達到產(chǎn)氣高峰 。 不同溫度條件下 個原料的峰值不同 :從 40 到 15 , 小麥

14、秸稈的峰 值分 別 為 2520. 0、 2093. 3、 1926. 7、 1403. 3、 745. 0、 410. 0mL ; 水 稻 秸 稈 的 峰 值 為 2100. 0、 1995. 0、 1746. 7、 1266. 7、 875. 0、 555. 0mL ; 玉米秸稈的峰值為 2395. 0、 2425. 0、 2289. 3、 1525. 0、 402. 5、 580. 0mL 。 3種秸稈的日產(chǎn)氣變化曲線基本相似 , 產(chǎn)氣高峰過后產(chǎn)氣速率急劇下降 , 但在 20 和 15 下 ,3種秸稈產(chǎn)氣速率變化波動較大 。191第 2期 楚莉莉等 :不同溫度條件下農(nóng)作物秸稈產(chǎn)氣效率研究

15、 秸稈中含有較多的高分子物質如纖維素 、 半纖維素 、 果膠和木質素等 , 這些物質的分解比較慢 , 但 秸稈經(jīng)過預處理 , 使這些復雜的高分子有機物質在 此過程中被降解成簡單的小分子物質 , 為甲烷菌提 供適宜的環(huán)境和原料 , 提高了產(chǎn)氣速度和產(chǎn)氣速率 , 使產(chǎn)氣高峰提前出現(xiàn) 911。從圖 8可以看出在 10 的恒溫發(fā)酵條件下 ,3種秸稈的厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣速率波動較大 , 小麥秸稈產(chǎn) 氣速率最大值為 377. 5mL ; 水稻秸稈產(chǎn)氣速率最大 值為 305. 0mL ; 玉米秸稈產(chǎn)氣速率最大值 252. 5mL 。 3種秸稈的產(chǎn)氣速率明顯低于其它溫度 , 這是291 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究 第 26

16、卷因為 , 厭氧發(fā)酵的溫度低 , 菌種的活性弱 。 產(chǎn)氣后期 產(chǎn)氣速率有所上升可能是因為菌種已經(jīng)適應了低溫 環(huán)境 , 活性增強 。從上述的 3種秸稈在不同溫度條件下的產(chǎn)氣速 率可以看出 , 隨著溫度的降低 , 各原料的產(chǎn)氣速率也 隨之下降 。2. 2 3種秸稈的產(chǎn)氣效率 、 發(fā)酵周期比較產(chǎn)氣效率通過干物質產(chǎn)氣率來反應 , 通過對 7個溫度梯度 3種秸稈的干物質產(chǎn)氣率進行分析 (見 表 3 可以看出 :3種秸稈中的干物質產(chǎn)氣率均隨著 溫度的上升而上升 , 小麥秸稈和水稻秸稈在 40 時 干物質產(chǎn)氣率最大分別為 187. 1mL/g 和 195. 0 mL/g , 10 時的干物質產(chǎn)氣率最低分別為

17、 20. 1 mL/g 和 17. 2mL/g 。 玉米秸稈的干物質產(chǎn)氣率在 40 時最大為 228. 5mL/g , 而 20 時的干物質產(chǎn) 氣率最低為 14. 1mL/g , 這是因為 20 的恒溫發(fā)酵 條件下玉米秸稈的發(fā)酵周期僅為 27d , 總產(chǎn)氣量低 于在其它恒溫發(fā)酵條件下的玉米秸稈 。 從表中可以 看出 :3種秸稈在 7個溫度梯度下的干物質產(chǎn)氣率 相差不大 (20 下的玉米秸稈除外 , 在 40 、 35 、 30 和 25 恒溫發(fā)酵條件下 , 玉米秸稈的干物質產(chǎn) 氣率最大 , 而在 20 、 15 和 10 的恒溫發(fā)酵條件 下 , 小麥秸稈的干物質產(chǎn)氣量最大 。表 3 73of

18、TS 3perature40 35 30 25 20 15 10干物質產(chǎn)氣率 (mL/g Rate of TSWheat straw 187. 1188. 0169. 193. 661. 747. 620. 1水稻秸稈 Rice straw 195. 0163. 7138. 7122. 753. 020. 817. 2玉米秸稈 Corn straw 228. 5194. 8174. 6132. 214. 134. 815. 0發(fā)酵周期 Fermentation period 小麥秸稈 Wheat straw 83888863868457水稻秸稈 Rice straw 8888888773265

19、0玉米秸稈 Corn straw 88888871276152 從發(fā)酵周期來看 ,3種原料的發(fā)酵周期持續(xù)時 間較長 , 均超過 50d , 變化不明顯 (20 下的玉米秸 稈和 15 下的水稻秸稈除外 。 玉米秸稈和水稻秸 稈的發(fā)酵過程突然停止 , 可能是因為低溫條件下菌 種的活性降低 , 不產(chǎn)甲烷菌而又產(chǎn)生了大量的有機 酸 , 使發(fā)酵罐內 p H 值下降 , 抑制了產(chǎn)甲烷菌的活 性 , 使發(fā)酵提前停止 911。3 結論與討論1 小麥秸稈 、 水稻秸稈和玉米秸稈經(jīng)過 15d 的堆漚 , 在 10、 15、 20、 25、 30、 35 和 40 的恒溫條 件下均能在較短時間內開始產(chǎn)氣 。在 2

20、5 40 較高溫度范圍內 , 玉米秸稈的產(chǎn)氣效率明顯高于其 他兩種秸稈 , 但在 1020 較低溫度范圍內 , 小麥 秸稈的產(chǎn)氣效率高于其他兩種秸稈 。 從干物質產(chǎn)氣 率和發(fā)酵周期來看 ,3種秸稈的產(chǎn)氣率基本上都隨 溫度的上升而上升 , 發(fā)酵周期變化不明顯 , 但堆漚時 間的長短還需進一步研究 。2 研究是在理想的恒溫條件下的厭氧發(fā)酵 , 這 與農(nóng)村戶用沼氣池的變溫發(fā)酵的產(chǎn)氣結果有一定的 差別 , 但在理論上揭示了發(fā)酵原料的產(chǎn)氣規(guī)律 , 為秸 稈資源化利用提供了理論依據(jù) , 對凈化環(huán)境 、 解決秸 稈焚燒具有一定的促進作用 。參 考 文 獻 :1 張雪松 , 朱建良 . 秸稈的利用與深加工 J

21、.化工時刊 , 2004, (5 :1 5.2 楊治平 , 周懷平 , 李紅梅 , 等 . 旱地玉米秸稈還田秋施肥的增產(chǎn) 培肥效應 J.干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究 ,1999,17(4 :10 15.3 王旭東 , 于天富 , 陳多仁 , 等 . 玉米秸稈腐解過程物質組成及胡 敏酸的動態(tài)變化 . 物質組成的動態(tài)變化 J.干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研 究 ,2001,19(3 :78 82.4 石 磊 , 趙由才 , 柴曉利 . 我國農(nóng)作物秸稈的綜合利用技術進 展 J.中國沼氣 ,2005,23(2 :11 18.5 李燕紅 , 林 鈺 , 杏 艷 , 等 . 農(nóng)作物秸稈廢棄物厭氧發(fā)酵生物 制氫的研究 J.環(huán)境科學與技

22、術 ,2006,29(11 :8 9.6 徐 琰 , 張茂林 , 杏 艷 , 等 . 纖維素類生物質厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的 研究 J.化學研究 ,2005,16(2 :6 8.7 李冬敏 , 陳洪章 . 變溫調控對汽爆秸稈發(fā)酵產(chǎn)氫的影響 J.生 物質化學工程 ,2007,41(3 :11 14.8 周俊虎 , 戚 峰 , 程 軍 , 等 . 秸稈發(fā)酵產(chǎn)氫的影響因素研究 J.環(huán)境科學 ,2007,28(5 :1153 1157.9 周孟津 , 張榕林 , 藺金印 . 沼氣實用技術 M .北京 :化學工業(yè)出 版社 ,2005. 1 15.10 張全國 . 沼氣技術及其應用 M .北京 :化學工業(yè)出版社 ,

23、 2005. 29 85.11 農(nóng)業(yè)部人事勞動司 . 沼氣生產(chǎn)工 M .北京 :中國農(nóng)業(yè)出版社 , 2004. 67 77.(英文摘要下轉第 199頁 391第 2期 楚莉莉等 :不同溫度條件下農(nóng)作物秸稈產(chǎn)氣效率研究Study on sustainable development of Ningxia basedon the ecological footprint analysis methodDU Ling 2tong 1,2,3, G AO Gui 2ying 1,2,3, ZHAN G Qian 2jin 2,3(1. Key L aboratory f or Restoration

24、and Reconst ruction of Degraded Ecosystem in Northwest China of Minist ry of Education , Yinchuan , N ingxia 750021, China ; 2. Research Center f or Western Development , Yinchuan , N ingxia 750021, China ;3. International Joint Research Institute of N ingxia U niversity , China &S him ane U niv

25、ersity ,Yinchuan , N ingxia 750021, China Abstract :Ecological footprint analysis is a new method for measuring regional economic sustainable devel 2opment. The ecological footprint and ecological capacity of Ningxia Hui Autonomous Region in 1980, 1985, 1990,1995and 19982005are calculated using this

26、 method. The show ecological footprint per capita increased from 0. 61hm 2to 2. 39hm 2except the The pasture , fossil energy land and arable land are the capacity per capita is reduced year by year 1. 2hm 2and pasture are the main parts of ecological capacity. Before 1995was higher than the ecologic

27、al footprint and the economic develop 2ment was sustainable. But , the ecological deficit arose in 1995. The results show that the economic developing model of Ningxia is not sustainable after 1995.K ey w ords :ecological footprints ; ecological capacity ; sustainable development ; ecological defici

28、t ; Ningxia(上接第 193頁 The biogas production eff iciency of crop stra ws at different temperatureCHU Li 2li 1,3, YAN G G ai 2he 2,3, ZHAN G Cui 2li 1,3, REN Guang 2xin 2,3, FEN G Y ong 2zhong 2,3(1. College of Resources and Environment , Northwest A &F U niversity , Yangling , S haanxi 712100;2. C

29、ollege of A gronomy , Northwest A &F U niversity , Yangling , S haanxi 712100;3. Research Center of Recycle A gricultural Engineering and Technology of S haanxi Province , Yangling , S haanxi 712100, China Abstract :The research adapted controllable constant 2temperature fermented equipment designed by our 2selves , and selected wheat straw , rice straw and corn straw for fermented materials , chose 5 as a step 2length and did the study of biogas fermentation at the temperature of 10 , 15 , 20 , 25 , 30 , 35 an