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不同温度条件下农作物秸秆产气效率研究

第26卷第2期干旱地区农业研究

Vol.26No.2　

收稿日期:

2007208203;修改日期:

2007210229

基金项目:

农业科技成果转化项目（05EFN217100423;国家科技支撑计划（2006BAD17B01-01;国家自然科学基金（30700482

作者简介:

楚莉莉（1981—,女,河南郑州人,在读硕士,研究方向为生态农业技术集成研究。

E2mail:

chulilimouse@163.com。

　　　3通讯作者:

杨改河（1957—,男,陕西耀县人,教授,博士生导师,主要从事生态农业与循环农业技术研究。

E2mail:

ygh@nwsuaf.edu.cn。

不同温度条件下农作物秸秆产气效率研究

楚莉莉1,3,杨改河2,33,张翠丽1,3,任广鑫2,3,冯永忠2,3

（1.西北农林科技大学资源环境学院,陕西杨凌712100;2.西北农林科技大学农学院,陕西杨凌712100;

3.陕西省循环农业工程技术研究中心,陕西杨凌712100

　　摘　要:

采用自行设计的可控性恒温发酵装置,选取了小麦秸秆、水稻秸秆和玉米秸秆3种单一原料为发酵原料,以5℃为一个步长,设定了7个恒定温度10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃下的发酵方案;试验结果表明

7个温度梯度下,3种原料均能正常发酵产生沼气,原料产气率随温度上升而上升;40℃下的产气效率最好（小麦秸

秆的峰值为2520.0mL,干物质产气率为187.1mL/g,水稻秸秆的峰值为2100.0mL,干物质产气率195.0mL/

g,玉米秸秆的峰值为2395.0mL,干物质产气率为228.5mL/g,10℃377.5mL,干物质产气率为20.1mL/g,水稻秸秆的峰值为305.0mL,252.5mL,干物质产气率为15.0mL/g关键词:

秸秆;中图分类号:

:

A　　文章编号:

100027601（20080220190204

　　我国农村每年生产大量的农作物秸秆约7亿t左右[1],除少量秸秆被作为牲畜饲料、农家肥和农村燃料外,大多数秸秆被堆放或直接焚烧,使生物质资源浪费巨大,造成了严重的环境污染问题。

大量焚烧田间秸秆已影响了飞机起降、车辆行驶,造成空气质量下降,危害人类健康。

有关秸秆的资源化利用已成为大家瞩目关注的问题,已有很多专家提出秸秆还田、秸秆气化等解决方法[2~4],但这些解决方法的成本太高,推广效果不好。

李燕红等研究了农作物秸秆的生物制氢技术[5],探讨了小麦秸秆的产氢基理。

徐琰等研究不同纤维素类生物质废弃物的产氢能力[6],发现不同底物的产氢过程基本相似。

李冬敏以汽爆秸秆为原料研究变温条件下的产氢过程[7],发现变温可以提高产氢量。

周俊虎等进行了影响秸秆发酵产氢因素的研究[8],发现不同处理方法对秸秆产氢效果有显著影响。

秸秆中含有较多的大分子物质,分解较慢,投入沼气池后易形成漂浮层影响产气效率,再加上出料困难,因此很少有人选用秸秆作为厌氧发酵产沼气的原料,关于此方面的研究报道也较少。

因此本试验选小麦秸秆、水稻秸秆、玉米秸秆作为发酵的原料,以5℃为一个步长,设定了7个恒定温度10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃下的发酵方案,研究3种秸秆的产气情况,以期为解决农村秸秆焚烧污染环境以及能源短缺问题提供理论依据。

1　材料与方法

1.1　材　料

1.1.1　发酵原料　试验材料为风干的小麦秸秆、水

稻秸秆和玉米秸秆。

将50kg的小麦秸秆、水稻秸秆、玉米秸秆粉碎成长度为2cm左右,装入125L的塑料桶内加入15kg的水和10kg的沼液盖上塑料薄膜进行堆沤。

堆沤时间为15d（各原料的干物质量见表1。

表1　发酵原料的碳氮比、干物质含量

Table1　TheC/NandTSof7fermentedmaterials

项目

Item

小麦秸秆Wheatstraw水稻秸秆Ricestraw

玉米秸秆

Cornstalk

碳氮比

C/N

302323发酵前干物质TS（%

Beforefermented

7.7

8.0

7.6

　　注:

此碳氮比和干物质量为堆沤后测得。

Note:

TheC/NratioandTSwasdeterminedaftercompostmaturity.

1.1.2　原料的预处理　接种物是通过对常年进行

厌氧发酵的沼气池中的发酵底物进行驯化得到,发

酵底物取自西北农林科技大学附近沼气示范村（崔西沟。

在125L的塑料桶内加入30kg的牛粪并加入70kg的沼液搅拌均匀,盖上塑料薄膜进行驯化,驯化时间为15d,接种物的干物质量为10.8%。

脲酶是一种高度专性的酶,能酶促尿素的水解,脲酶

活性可以表征接种物氮素状况,测得接种物的脲酶活性为0.967mg/（g・37℃・24h。

1.2　试验装置

本试验所用试验装置为陕西省循环农业工程技术研究中心实验室自行设置的可控性恒温厌氧发酵装置,主要由发酵装置、集气装置及控温装置3部分组成如图1所示。

选用5L塑料壶作为发酵瓶,塑

料壶用6号的橡胶塞密封,橡胶塞上设有导气口。

集气装置由1000mL的三角瓶和1000mL的量筒连接而成,三角瓶用8号橡胶塞密封。

发酵装置和集气装置由橡胶管连接。

将准备好的发酵装置放置于水槽内,设2个重复。

用1000W地热丝加热,智能温度控制仪（PC-1000和继电器控制和显示发酵温度,温度波动范围为±1℃

。

1.

2controllingbox;2.温度传感器Temperaturesensor;3.加热丝Heatingwire;

4.发酵罐Fermentor;5.恒温水槽Waterthermostatsystem;6.集气瓶Biogas2collectingbottle;7.量筒Measuringcylinder

图1　可控性恒温厌氧发酵装置

Fig.1　Controllableconstant2temperaturefermentingequipment

1.3　试验方案发酵原料的总固体浓度为8%,在5L塑料壶

里装入3000g搅拌均匀的发酵原料（按照表2的配比和500g的接种物。

设置7个恒定温度10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃。

表2　发酵料液的配制表Table2　Thequantityofmaterialsandwateroffermentingliquid

发酵原料

Materials

原料量（g

Materialsquantity

水量（g

Waterquantity

小麦秸秆堆沤物

Compostedwheatstraw

293565水稻秸秆堆沤物

Compostedricestraw

2840160玉米秸秆堆沤物

Compostedcornstraw

2985

15

　　料液浓度计算公式:

M0=

Xi

m

i∑Xi

+W

式中,M0为料液浓度（%;Xi为物料重量（g;mi为总固体含量（TS,%;W为所需增加水量（g。

1.4　测定项目及方法

（1干物质含量（TS:

采用烘干法。

计算方法如公式所示:

TS=B

×100%。

式中,A为样品烘干

后的重量（g;B为样品鲜重（g。

（2脲酶活性:

采用苯酚钠比色法。

（3碳氮比:

碳以VS（挥发性干物质含量估算C=0.47VS,氮以凯氏定氮法测定。

（4产气量:

待所产的气体能正常点燃后,开始

记录数据,每天早上9点定时测量。

（5干物质产气率:

mL/g,计算方法如公式所示:

干物质产气率=

B

式中,A为各发酵料液的总产气量（mL;B为各发酵料液中干物质量（g。

2　结果与分析

2.1　3种秸秆的产气速率分析

在发酵产甲烷的过程中,3种秸秆在7个温度梯度的产气速率如图2、3、4、5、6、7、8所示。

从图2、3、4、5、6、7可以看出在40℃、35℃、30℃、25℃、20℃、15℃的恒温发酵条件下,3种秸秆

厌氧发酵启动快,均能在较短的时间内开始正常产气,这与发酵原料的碳氮比有关,前人研究结果表明,原料的碳氮比以20~30∶1搭配比较适宜[9~11],从表1得知麦秆、稻秆、玉米秆的碳氮比在20~30∶1之间。

小麦秸秆、水稻秸秆、玉米秸秆均在正常产

气后的较短时间内达到产气高峰。

不同温度条件下个原料的峰值不同:

从40℃到15℃,小麦秸秆的峰值分别为2520.0、2093.3、1926.7、1403.3、745.0、410.0mL;水稻秸秆的峰值为2100.0、1995.0、1746.7、1266.7、875.0、555.0mL;玉米

秸秆的峰值为2395.0、2425.0、2289.3、1525.0、402.5、580.0mL。

3种秸秆的日产气变化曲线基本

相似,产气高峰过后产气速率急剧下降,但在20℃和15℃下,3种秸秆产气速率变化波动较大。

1

91第2期　　　　　　　　楚莉莉等:

不同温度条件下农作物秸秆产气效率研究

　　秸秆中含有较多的高分子物质如纤维素、半纤

维素、果胶和木质素等,这些物质的分解比较慢,但秸秆经过预处理,使这些复杂的高分子有机物质在此过程中被降解成简单的小分子物质,为甲烷菌提供适宜的环境和原料,提高了产气速度和产气速率,使产气高峰提前出现[9~11]。

从图8可以看出在10℃的恒温发酵条件下,3种秸秆的厌氧发酵产气速率波动较大,小麦秸秆产气速率最大值为377.5mL;水稻秸秆产气速率最大值为305.0mL;玉米秸秆产气速率最大值252.5mL。

3种秸秆的产气速率明显低于其它温度,这是

2

91　　　　　　　　　　　　　　　　　　　干旱地区农业研究　　　　　　　　　　　　　　　第26

卷

因为,厌氧发酵的温度低,菌种的活性弱。

产气后期产气速率有所上升可能是因为菌种已经适应了低温环境,活性增强。

从上述的3种秸秆在不同温度条件下的产气速率可以看出,随着温度的降低,各原料的产气速率也随之下降。

2.2　3种秸秆的产气效率、发酵周期比较

产气效率通过干物质产气率来反应,通过对7个温度梯度3种秸秆的干物质产气率进行分析（见表3可以看出:

3种秸秆中的干物质产气率均随着温度的上升而上升,小麦秸秆和水稻秸秆在40℃时干物质产气率最大分别为187.1mL/g和195.0mL/g,10℃时的干物质产气率最低分别为20.1mL/g和17.2mL/g。

玉米秸秆的干物质产气率在40℃时最大为228.5mL/g,而20℃时的干物质产气率最低为14.1mL/g,这是因为20℃的恒温发酵条件下玉米秸秆的发酵周期仅为27d,总产气量低于在其它恒温发酵条件下的玉米秸秆。

从表中可以看出:

3种秸秆在7个温度梯度下的干物质产气率相差不大（20℃下的玉米秸秆除外,在40℃、35℃、30℃和25℃恒温发酵条件下,玉米秸秆的干物质产气率最大,而在20℃、15℃和10℃的恒温发酵条件下,小麦秸秆的干物质产气量最大。

表3　73

ofTS3perature

40℃35℃30℃25℃20℃15℃10℃

干物质产气率（mL/gRateofTS

Wheatstraw187.1188.0169.193.661.747.620.1水稻秸秆Ricestraw195.0163.7138.7122.753.020.817.2玉米秸秆Cornstraw228.5194.8174.6132.214.134.815.0

发酵周期Fermentationperiod小麦秸秆Wheatstraw83888863868457水稻秸秆Ricestraw88888887732650玉米秸秆Cornstraw88888871276152

　　从发酵周期来看,3种原料的发酵周期持续时间较长,均超过50d,变化不明显（20℃下的玉米秸秆和15℃下的水稻秸秆除外。

玉米秸秆和水稻秸秆的发酵过程突然停止,可能是因为低温条件下菌种的活性降低,不产甲烷菌而又产生了大量的有机酸,使发酵罐内pH值下降,抑制了产甲烷菌的活性,使发酵提前停止[9~11]。

3　结论与讨论

1小麦秸秆、水稻秸秆和玉米秸秆经过15d的堆沤,在10、15、20、25、30、35℃和40℃的恒温条件下均能在较短时间内开始产气。

在25℃~40℃较高温度范围内,玉米秸秆的产气效率明显高于其他两种秸秆,但在10~20℃较低温度范围内,小麦秸秆的产气效率高于其他两种秸秆。

从干物质产气率和发酵周期来看,3种秸秆的产气率基本上都随温度的上升而上升,发酵周期变化不明显,但堆沤时间的长短还需进一步研究。

2研究是在理想的恒温条件下的厌氧发酵,这与农村户用沼气池的变温发酵的产气结果有一定的差别,但在理论上揭示了发酵原料的产气规律,为秸秆资源化利用提供了理论依据,对净化环境、解决秸秆焚烧具有一定的促进作用。

参考文献:

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1—5.

[2]　杨治平,周怀平,李红梅,等.旱地玉米秸秆还田秋施肥的增产培肥效应[J].干旱地区农业研究,1999,17（4:

10—15.

[3]　王旭东,于天富,陈多仁,等.玉米秸秆腐解过程物质组成及胡敏酸的动态变化Ⅰ.物质组成的动态变化[J].干旱地区农业研究,2001,19（3:

78—82.

[4]　石　磊,赵由才,柴晓利.我国农作物秸秆的综合利用技术进展[J].中国沼气,2005,23（2:

11—18.

[5]　李燕红,林　钰,杏　艳,等.农作物秸秆废弃物厌氧发酵生物制氢的研究[J].环境科学与技术,2006,29（11:

8—9.

[6]　徐　琰,张茂林,杏　艳,等.纤维素类生物质厌氧发酵产氢的研究[J].化学研究,2005,16（2:

6—8.

[7]　李冬敏,陈洪章.变温调控对汽爆秸秆发酵产氢的影响[J].生物质化学工程,2007,41（3:

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[8]　周俊虎,戚　峰,程　军,等.秸秆发酵产氢的影响因素研究[J].环境科学,2007,28（5:

1153—1157.

[9]　周孟津,张榕林,蔺金印.沼气实用技术[M].北京:

化学工业出版社,2005.1—15.

[10]　张全国.沼气技术及其应用[M].北京:

化学工业出版社,2005.29—85.

[11]　农业部人事劳动司.沼气生产工[M].北京:

中国农业出版社,2004.67—77.

（英文摘要下转第199页391

第2期　　　　　　　　楚莉莉等:

不同温度条件下农作物秸秆产气效率研究

StudyonsustainabledevelopmentofNingxiabased

ontheecologicalfootprintanalysismethod

DULing2tong1,2,3,GAOGui2ying1,2,3,ZHANGQian2jin2,3

（1.KeyLaboratoryforRestorationandReconstructionofDegradedEcosysteminNorthwestChinaofMinistryofEducation,Yinchuan,Ningxia750021,China;2.ResearchCenterforWesternDevelopment,Yinchuan,Ningxia750021,China;

3.InternationalJointResearchInstituteofNingxiaUniversity,China&ShimaneUniversity,

Yinchuan,Ningxia750021,China

　　Abstract:

Ecologicalfootprintanalysisisanewmethodformeasuringregionaleconomicsustainabledevel2opment.TheecologicalfootprintandecologicalcapacityofNingxiaHuiAutonomousRegionin1980,1985,1990,1995and1998~2005arecalculatedusingthismethod.Theshowecologicalfootprintpercapitaincreasedfrom0.61hm2to2.39hm2excepttheThepasture,fossilenergylandandarablelandarethecapacitypercapitaisreducedyearbyyear1.2hm2andpasturearethemainpartsofecologicalcapacity.Before1995washigherthantheecologicalfootprintandtheeconomicdevelop2mentwassustainable.But,theecologicaldeficitarosein1995.TheresultsshowthattheeconomicdevelopingmodelofNingxiaisnotsustainableafter1995.

Keywords:

ecologicalfootprints;ecologicalcapacity;sustainabledevelopment;ecologicaldeficit;Ningxia

（上接第193页

Thebiogasproductionefficiencyofcropstrawsatdifferenttemperature

CHULi2li1,3,YANGGai2he2,3,ZHANGCui2li1,3,RENGuang2xin2,3,FENGYong2zhong2,3

（1.CollegeofResourcesandEnvironment,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100;

2.CollegeofAgronomy,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100;

3.ResearchCenterofRecycleAgriculturalEngineeringandTechnologyofShaanxiProvince,Yangling,Shaanxi712100,China

　　Abstract:

Theresearchadaptedcontrollableconstant2temperaturefermentedequipmentdesignedbyour2selves,andselectedwheatstraw,ricestrawandcornstrawforfermentedmaterials,chose5℃asastep2lengthanddidthestudyofbiogasfermentationatthetemperatureof10℃,15℃,20℃,25℃,30℃,35℃and40℃.Theresultsshowedthat3kindsofrawmaterialscanallproducebiogasnormallyat7temperaturegrades,thebiogasproductionefficiencyincreasedasthetemperatureincreased.Thebiogasproductionefficiencywasthebestat40℃（themaxvalueofwheatstrawbiogasproductionwas2520.0mL,therateofTSwas187.1mL/g;themaxvalueofricestrawbiogasproductionwas21000.0mL,therateofTSwas195.0mL/g;themaxvalueofcornstrawbiogasproductionwas2395.0mL,