不同温度条件粪秆结构配比及尿素纤维素酶对沼气产量的影响1

第25卷第2期农业工程学报Vol.25No.21882009年2月TransactionsoftheCSAEFeb.2009不同温度条件粪秆结构配比及尿素、纤维素酶对沼气产量的影响白洁瑞1,2，李轶冰1,2※，郭欧燕2,3，杨改河1,2，任广鑫1,2，冯永忠1,2，李勇4（1．西北农林科技大学农学院，杨凌712100；2．陕西省循环农业工程技术研究中心，杨凌712100；3．西北农林科技大学资源环境学院，杨凌712100；4．金坛市农林局土肥站，金坛213200）摘要：提高农村户用沼气的产气量和秸秆等农业废弃物利用效率，是当前循环农业领域面临的主要问题。通过利用自行设计的可控性厌氧发酵装置，在室内模拟农村户用沼气发酵过程，研究在不同温度条件下作物秸秆和禽畜粪便配比以及添加尿素和纤维酶对沼气产量的影响。结果表明，20～35℃范围内，粪秆配比的产气量随温度升高而升高。35℃条件下，2.5kg料液发酵50d，鸡粪和秸秆配比（干物质量比）以2︰1的产气量高于其它粪秆比例，其中鸡粪与玉米秆2︰1(干物质量比)总产气量最高，达51120mL。在发酵中期（发酵后28d），向2.5kg发酵料液中添加2.5g尿素和2.0g纤维素酶，均显著提高沼气产量，平均增加99.8%和40.8%，且鸡粪与麦秆2︰1配比产气量增幅最大，分别为261.2%，117.3%。研究20℃粪秆厌氧发酵环境pH值动态变化，表明其呈动态变化，发酵初期pH值平均为6.8，发酵中期平均为6.4，随后缓慢回升至6.6。因此，适宜的温度，合理的秸秆配比、添加一定量酶和尿素是提高产气量的有效措施。关键词：尿素，沼气，纤维素酶，粪秆配比，产量中图分类号：X382，X503.231文献标识码：A文章编号：1002-6819(2009)-2-0188-06白洁瑞，李轶冰，郭欧燕，等.不同温度条件粪秆结构配比及尿素、纤维素酶对沼气产量的影响[J].农业工程学报，2009，25(2)：188－193.BaiJierui,LiYibing,GuoOuyan,etal.Effectsofratiosofmanureandstraw,ureaandcelluloseonbiogasyieldsatdifferenttemperatures[J].TransactionsoftheCSAE,2009,25(2)：188－193.(inChinesewithEnglishabstract)0引言如何利用秸秆和粪便提高沼气产量已成为亟待解决的问题。国内外在这方面做了大量研究。刘德江研究表明，与羊粪、猪粪相比，牛粪能提高发酵气体中的CH4含量[1]。张瑞红在用稻草发酵产沼气中,采用研磨和切碎两种物理预处理方法处理稻草[2]。发现研磨比切碎的预处理方法可提高产气量12.5%。罗清明等用NaOH化学处理玉米秸秆，秸秆细胞壁结构和化学成分发生了明显变化，提高沼气产量[3]。一般农作物秸秆的碳氮比为70︰1，畜禽粪便为15︰1，微生物产生沼气的最佳碳氮比为25︰1。因而研究秸秆和粪便的合理配比具有重要意义。微生物产生沼气不仅受原料配比的影响，而且还受温度及一些外源物的影响。向沼气发酵壶中添加的外源物即指从产沼气发酵系统以外加入的以期提高沼气产量、甲烷含量的物质,如微生物、酶、营养物质、代谢促进物、吸附剂、螯合剂[4]。沼气发酵与温度有密切关系,微生物活性一般在30～40℃最大，过高或过低都会影响沼气产量。Nalik等人研究发现添加尿素能调节碳氮比，沼气产量可提高8%～11%[5]。吕淑霞等研究表明，发酵物中添加固体纤维收稿日期：2008-06-06修订日期：2008-12-15基金项目：国家自然科学基金（30700482）；陕西省自然科学基础研究计划项目（2007C103）；西北农林科技大学生物质能源研究专项（07ZR050）作者简介：白洁瑞，女，山西侯马人，主要从事沼气发酵研究。杨凌西北农林科技大学农学院，712100。Email：[e-mail]※通讯作者：李轶冰，女，河南鹤壁人，博士，主要从事生态农业与循环农业技术研究。杨凌西北农林科技大学农学院，712100。Email:[e-mail]素酶,甲烷产率可提高52.1%，添加液体纤维素酶,提高幅度可高达88.8%[6]。然而综合研究粪秆配比、温度及外源物质对沼气产量的研究较少。本试验研究不同温度下，鸡粪和稻秆、麦秆、玉米秆等3种秸秆的不同配比对沼气产量的影响，并探索尿素和纤维酶对沼气产量的作用，旨在为提高沼气产量提供理论依据。1材料和方法1.1厌氧消化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。为了便于实际操作和节约成本，选用5L塑料壶作为发酵瓶。塑料壶用6号橡胶塞密封，橡胶塞上设有导气口。集气装置由1000mL集气瓶和2.5L塑料壶连接而1.温控箱2.温度传感器3.加热丝4.发酵壶5.恒温水槽6.集气瓶7.量筒图1可控性恒温厌氧发酵装置Fig.1Controllableandconstanttemperatureanaerobicfermentationdevice第2期白洁瑞等：不同温度条件粪秆结构配比及尿素、纤维酶对沼气产量的影响189成。发酵装置和集气装置由橡胶管连接。将发酵装置放置于水槽内，用1000W地热丝加热，智能温度控制仪（型号为PC-1000）、继电器控制和显示发酵温度，温度波动范围为±1℃。1.2试验材料试验原料：风干秸秆（水稻、小麦和玉米秸秆），取自杨凌崔西沟村，采用锤式粉碎机粉碎成3～5cm左右，便于生物降解；鸡粪取自西北农林科技大学附近一养鸡场。试验接种物：常温厌氧发酵沼气池的发酵底物，取自西北农林科技大学附近沼气示范村（崔西沟村）。其它材料：尿素，相对分子质量60.06，含N量46.6%，天津市天力化学试剂有限公司提供（生产）。纤维素酶，活性为1000U/g，北京雯博星生物技术有限责任公司提供（生产）。1.3试验设计1.3.1试验方法秸秆预处理：将秸秆（水稻秸秆，小麦秸秆，玉米秸秆）粉碎后喷施同一沼液，喷施量为秸秆质量的30%，充分搅拌后密闭放置室外发酵7d。每2d搅拌一次，使其充分发酵。鸡粪预处理：鸡粪自然发酵7d，每2d搅拌一次。接种物预处理：接种物由沼液和鲜牛粪按4︰1配比后自然发酵7d，每2d搅拌一次。厌氧消化：发酵原料的总固体浓度为8%，在5L塑料壶里装入2000g搅拌均匀的发酵原料（按照表1的配比）和500g接种物。依据干物质量设置9个处理分为：鸡粪︰稻秆1︰1、鸡粪︰稻秆2︰1、鸡粪︰稻秆3︰1、鸡粪︰麦秆1︰1、鸡粪︰麦秆2︰1、鸡粪︰麦秆3︰1、鸡粪︰玉米秆1︰1、鸡粪︰玉米秆2︰1、鸡粪︰玉米秆3︰1。设置5个恒定温度20、25、30、35、40℃。表1发酵料液的配制表Table1Quantityofmaterialsandwateroffermentedliquid发酵原料原料量/g水量/g鸡粪：稻秆1︰11076924鸡粪：稻秆2︰19721028鸡粪：稻秆3︰19211079鸡粪：麦杆1︰11104896鸡粪：麦杆2︰19911009鸡粪：麦杆3︰19351065鸡粪：玉米秆1︰11137863鸡粪：玉米秆2︰11013987鸡粪：玉米秆3︰195110491.3.2采样及分析测定方法以排水集气法收集气体，每日用量筒测量水的体积以确定产气量。发酵液的pH值用智能pH计（pHs-3CT型）每7d测定一次。2结果与分析2.1不同处理pH值的动态变化适宜的酸碱度是沼气微生物生长的必要条件，通常沼气池中的产甲烷细菌适宜的pH值范围为6.5～7.8。图2显示，9种配比的pH值范围在6.23～7.68之间，且处于动态变化之中。整个发酵过程中，pH值先下降后缓慢回升至稳定。与pH值变化相似，除鸡粪︰麦秆1︰1和鸡粪︰玉米秆1︰1处理外，阶段产气量在发酵初期高，后期降低。鸡粪︰麦秆1︰1和鸡粪︰玉米秆1︰1pH值变化趋势与产气量变化趋势一致，当pH值达到7.6左右时，该阶段总产气量也达到最高，分别为5480mL和5435mL；当pH值为6.8左右时，该阶段总产气量最低，分别为1350mL和1468mL。其它配比产气量与pH值变化不明显，pH值在6.6附近波动。表明，料液pH值在发酵过程中呈动态变化。图2不同处理的pH值与阶段产气量变化Fig.2VariationsofpHvaluesandbiogasyieldsindifferenttreatments2.2不同温度对沼气产量的影响温度是影响沼气产量的重要因素。图3显示，沼气产量因温度而异。总体来看，各原料配比产气量随温度的升高逐渐升高，而后下降，处理中鸡粪稻杆3︰1，鸡粪麦秆1︰1，鸡粪麦秆2︰1，鸡粪麦秆3︰1在30℃时产气量达到最大，平均为39525mL；其他处理为35℃时产量达到最大，平均为45069mL；到40℃时产气量又有所降低。考察产气量增加幅度与温度关系时发现，从20～25℃，25～30℃，30～35℃，35～40℃，9个处理平均产气量增加幅度分别为152.0%，37.4%，3.2%，-16.6%，说明沼气产量与温度关系类似报酬递减现象，35～40℃中产量出现负增长。就温度间差异而言，方差分析表明差异达到极显著（F=46.75**），说明在中温发酵范围内升高温度能增加沼气产量。多重分析表明（LSD0.05=2894，LSD0.01=3888），除30℃和35℃无显著差异，其他处理差异均达到极显著水平，表明鸡粪秸秆配比的沼气最佳发酵温度为30～35℃。190农业工程学报2009年2.3不同原料配比对沼气产量的影响原料配比影响微生物活性，进而影响沼气产量。图4显示，同一温度下粪秆比例为2︰1处理的沼气产量均高于同一秸秆的其它处理，分别比1︰1和3︰1高出7.1%～29.0%和17.3%～73.1%。从秸秆类型来看，粪秆比相同条件下，鸡粪和玉米秆配比产气量高于稻秆和麦秆与鸡粪配比，鸡粪和玉米秆1︰1分别比鸡粪稻秆1︰1，鸡粪麦秆1︰1高出0.7%～47.7%和13.4%～34.4%；2︰1高出7.6%～39.4%和4.7%～28.1%；3︰1高出14.6%～72.4%和13.4%～51.4%。图3不同处理在不同温度中的沼气产量Fig.3Biogasyieldsatdifferenttemperaturesindifferenttreatments图4不同温度下不同处理的沼气产气量Fig.4Biogasyieldsindifferenttreatmentsatdifferenttemperatures2.4尿素对沼气产气量的影响氮素是沼气微生物细胞主要成分之一。发酵28d后各对照组加入2.5g尿素，添加后结果见图5。总体上看，加入尿素后的日均产量比对照组都有所增加，说明加入尿素后调节了生物的碳氮比，能够有效促进沼气产量。就处理间差异而言，方差分析表明区处理间差异显著（P＜0.01）。鸡粪与秸秆配比为2︰1组产气量增加最多。从加入尿素后22d的总产气量上看，鸡粪稻秆2︰1组增107.9%，鸡粪麦秆2︰1组增261.2%，鸡粪玉米秆2︰1组增158.6%。2.5纤维素酶对沼气产量的影响秸秆中纤维素类物质的含量较高，不易被微生物降解，成为整个沼气发酵过程中的限速因素。沼气发酵28d时向对照组中加入20g纤维素酶，添加后的结果见图6，加入纤维素酶组的沼气产量比空白组均有增加，增加幅度在2.2%～117.3%。就处理间而言，不同配比对纤维素第2期白洁瑞等：不同温度条件粪秆结构配比及尿素、纤维酶对沼气产量的影响191酶响应度不一。其中鸡粪麦秆2︰1的配比产气量增加最多，增加117.3%，鸡粪玉米秆2︰1增加最低，这可能是由于纤维素酶对麦秆降解效果最好造成的。图5加入尿素的沼气产量Fig.5Biogasyieldsindifferenttreatmentsaddedurea图6加入纤维素酶的沼气产量