辣椒秸稈不同部位化學(xué)組分及厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣潛力

畢金華,陳廣銀,陳 樂,李云龍,黑昆侖,張應(yīng)鵬,霍立嬌,常志州*

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辣椒秸稈不同部位化學(xué)組分及厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣潛力

畢金華1,2,陳廣銀1,陳 樂1,李云龍1,黑昆侖1,2,張應(yīng)鵬1,2,霍立嬌1,2,常志州1*

(1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所,農(nóng)業(yè)部農(nóng)村可再生能源開發(fā)利用華東科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站,江蘇 南京 210014；2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京 210095)

以辣椒蘇椒16號(hào)為試驗(yàn)材料,調(diào)查統(tǒng)計(jì)了辣椒生物量和產(chǎn)廢系數(shù),并在實(shí)驗(yàn)室條件下,研究了辣椒秸稈不同部位理化特性及厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣潛力,及各部位對(duì)辣椒整株的影響.結(jié)果表明:辣椒秸稈生物量高達(dá)21t/hm2,產(chǎn)廢系數(shù)為0.36.辣椒秸稈各部位間理化特性及產(chǎn)沼氣潛力具有顯著性差異(<0.05),產(chǎn)沼氣潛力大小順序?yàn)?葉(185.2mL/gVS)>莖(104.2mL/gVS)>根(68.9mL/gVS).各部位對(duì)辣椒整株的影響主要表現(xiàn)在纖維素和碳水化合物的相對(duì)含量對(duì)其產(chǎn)沼氣的影響.且根據(jù)經(jīng)驗(yàn)分子式推測(cè)的理論產(chǎn)沼氣量,對(duì)辣椒秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣轉(zhuǎn)化率進(jìn)行了評(píng)估,各部位轉(zhuǎn)化率均較低,其原因有待進(jìn)一步研究.

化學(xué)組分；不同部位；辣椒秸稈；厭氧發(fā)酵

辣椒是世界上栽培最普遍的果菜之一,據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織數(shù)據(jù)庫,2013年我國辣椒種植面積71.21萬hm2,辣椒產(chǎn)量1582萬t[1],其生產(chǎn)伴生的大量秸稈己成為蔬菜廢棄物的重要來源之一.目前,大多數(shù)辣椒秸稈被直接丟棄,部分直接或燃燒后還田[2].但在辣椒秸稈還田過程中,腐解物中的化感物質(zhì)會(huì)對(duì)作物生長發(fā)育有較強(qiáng)的抑制作用,不易直接還田[3].燃燒間接還田雖能消除化感物質(zhì)的影響,但會(huì)造成大氣污染.辣椒秸稈高含水率的特點(diǎn)非常適合于厭氧發(fā)酵處理,實(shí)現(xiàn)廢棄物處理與資源回收利用[4-6].近年來,蔬菜秸稈厭氧發(fā)酵的研究越來越多,羅娟等[7]對(duì)設(shè)施園藝廢棄物厭氧消化產(chǎn)沼氣特性進(jìn)行了研究,結(jié)果表明西瓜蔓產(chǎn)氣潛力最佳,且設(shè)施園藝廢棄物對(duì)分離式兩相厭氧消化工藝(STP)具有良好的適應(yīng)性.邵艷秋等[8]研究了不同物料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的野菠菜厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣潛力,研究結(jié)果表明6%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的野菠菜累計(jì)產(chǎn)氣量最高,達(dá)15870mL.陳廣銀等[9]對(duì)水葫蘆不同部位的厭氧消化特性進(jìn)行了研究,結(jié)果表明水葫蘆整株較根、莖更有利于直接發(fā)酵.但大多側(cè)重于產(chǎn)沼氣潛力比較及工藝研究,而各部位對(duì)整株秸稈理化特性及厭氧消化產(chǎn)沼氣潛力的影響鮮有報(bào)道.

本文以辣椒秸稈為原料,研究了其生物量、秸稈理化特性及厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣特性進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究,分析了辣椒產(chǎn)廢系數(shù)、秸稈理化特性及發(fā)酵過程中日產(chǎn)氣量、甲烷含量等指標(biāo),評(píng)估了辣椒秸稈生物轉(zhuǎn)化率及不同部位對(duì)整株厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的貢獻(xiàn)率,以期為蔬菜秸稈資源量統(tǒng)計(jì)和沼氣化利用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

辣椒秸稈取自江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院六合基溫室大棚,辣椒品種為蘇椒16號(hào),種植面積為20m2(6.3m×3.3m),大棚試驗(yàn)自2014年3月25日開始,2014年8月7日結(jié)束,辣椒產(chǎn)量為第一次采摘至結(jié)束時(shí)所有收獲辣椒的總量.辣椒植株生物量的測(cè)定:在辣椒采摘結(jié)束后,20m2種植區(qū)內(nèi)生物量總和,現(xiàn)場(chǎng)稱量統(tǒng)計(jì),并取21.92kg辣椒整株,其中一部分葉、根、莖進(jìn)行分開處理,統(tǒng)計(jì)各自占整株的比例,將所有樣品經(jīng)105℃殺青0.5h, 60 ℃烘干至恒重,粉碎過1mm篩后,于干燥陰涼處備用[10].接種物取自宜興市某豬場(chǎng)沼氣工程,經(jīng)1mm網(wǎng)袋過濾去除大顆粒物后在實(shí)驗(yàn)室經(jīng)馴化后使用,接種物總固體含量(TS)為2.27%、揮發(fā)性固體含量(VS)為47.61%、pH 7.48.

1.1 實(shí)驗(yàn)方法

采用1000mL廣口瓶模擬厭氧反應(yīng)器,將TS質(zhì)量35g辣椒秸稈放入瓶中,接種,接種物量按辣椒秸稈TS重的40%投加,加水至發(fā)酵物總質(zhì)量為700g,混合均勻,通入N22min,密封后于(35± 2) ℃下進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣實(shí)驗(yàn).發(fā)酵過程中每天測(cè)定產(chǎn)氣量、甲烷含量.每個(gè)處理設(shè)3個(gè)平行,取平均值進(jìn)行分析.

1.2 測(cè)定指標(biāo)及方法

每日產(chǎn)氣量采用排水集氣法測(cè)定;甲烷含量采用GC-9890A氣相色譜儀測(cè)定(TCD檢測(cè)器). TS、水分采用105℃烘24h差重法測(cè)定; 550℃灼燒4h,差重法測(cè)定VS、灰分.樣品過100目篩后采用Vario EL III型元素測(cè)定儀分析C、H、O、N元素含量.植株樣品經(jīng)H2SO4-H2O2消煮后,分別采用釩鉬黃比色法、火焰光度法[10]測(cè)定全磷、全鉀;采用范氏法(Van Soest)測(cè)定辣椒秸稈纖維素、半纖維素和木質(zhì)素(FIWE-6,Velp Scientifica)[11];采用索式抽提法測(cè)定樣品粗脂肪[10].樣品粗蛋白質(zhì)含量根據(jù)全氮量的6.25換算系數(shù)計(jì)算[12];碳水化合物根據(jù)公式(1)計(jì)算[13].

碳水化合物(%)=100?(水分+灰分+粗蛋白質(zhì)+粗脂肪)(%) (1)

1.3 數(shù)據(jù)分析

使用SPSS 17.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)顯著性統(tǒng)計(jì)分析,各處理間差異采用單因素方差分析(Analysis of Variance, ANOVVA),均值比較采用最小顯著性差法(Least Significant Difference, LSD),顯著性水平=0.05.

根據(jù)元素分析結(jié)果,采用生物體經(jīng)驗(yàn)分子式推測(cè)樣品化學(xué)式[14-15],依據(jù)公式(2)計(jì)算理論產(chǎn)沼氣量及甲烷含量,并以生物轉(zhuǎn)化率(即實(shí)際值與理論值比值)對(duì)實(shí)際厭氧發(fā)酵進(jìn)行評(píng)估[16].

CHON+1/4(4--2+7)H2O→1/8(4+-2-3)CH4+1/8(4-+2-5)CO2+NH4HCO3(2)

2 結(jié)果與討論

2.1 辣椒生物量及不同部位比例分布

由表1可知,溫室辣椒產(chǎn)廢系數(shù)為0.36,與甜菜(0.37)、甘蔗(0.34)秸稈系數(shù)相當(dāng)[17],遠(yuǎn)小于水稻、小麥、玉米3大糧食作物秸稈系數(shù)(秸稈系數(shù)均大于1)[17-19],但辣椒單位面積產(chǎn)量高達(dá)59.1t/hm2,是水稻、小麥、玉米產(chǎn)量的近10 倍[20],辣椒秸稈產(chǎn)生量不容忽視.辣椒秸稈主要以葉為主,占整株鮮重比高達(dá)55.42%,其次是莖,為33.73%,根最少,為10.85%,而葉的比重高是因?yàn)槔苯分仓耆~片數(shù)多,含水率高(表2),比重較莖和根大.

表1 辣椒生物量及不同部位比例分布 Table 1 Biomass and the distribution of chili straw morphological fractions

注:產(chǎn)廢系數(shù)即為秸稈產(chǎn)量與辣椒產(chǎn)量之比(鮮重比).

2.2 辣椒秸稈不同部位理化特性

從表2可以看出,各部位間理化特性差異顯著(<0.05),辣椒葉中含水率、TS、灰分、全P、K、粗脂肪和粗蛋白含量均明顯高于辣椒根、莖,而VS、C/N、纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和碳水化合物含量則相反.VS/TS值是厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中衡量原料有機(jī)物質(zhì)組成的重要指標(biāo)[21],辣椒葉中VS/TS值為81.78%,小于根(90.25%)、莖(96.79%),這是由于礦質(zhì)元素在葉中富集較多[22],導(dǎo)致葉中灰分含量(22.63%)相比根、莖高,有機(jī)物質(zhì)相對(duì)降低所致.辣椒葉中粗蛋白質(zhì)含量高達(dá)31.38%,是根和莖的近3倍,且粗脂肪含量(3.58%)遠(yuǎn)高于根(0.55%)和莖(0.69%),兩者總和為34.96%,是厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的主要貢獻(xiàn)者.

由表2可知,辣椒根、莖的C/N分別為25.99、27.81,在厭氧微生物最適C/N 為20:1~30:1范圍內(nèi)[23-26],而辣椒葉的C/N僅為7.79,遠(yuǎn)小于厭氧微生物的最適要求,但在實(shí)際發(fā)酵過程中,仍能正常進(jìn)行,且產(chǎn)沼氣潛力高于辣椒根、莖(表3).這一現(xiàn)象說明在厭氧發(fā)酵過程中,原料最佳初始C/N并非是產(chǎn)沼氣潛力的影響因素,Sanchez E等[26-28]研究也證實(shí)了這一點(diǎn),其相關(guān)研究表明原料初始C/N遠(yuǎn)低于或高于20:1~30:1,系統(tǒng)厭氧發(fā)酵過程仍可正常進(jìn)行.

在厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中,半纖維素相比纖維素更易被微生物消化利用,木質(zhì)素則幾乎不被消耗[29-30].從表2的結(jié)果來看,辣椒根、莖的成分主要是纖維素,分別為40.3%,39.27%,其次為木質(zhì)素(24.42%,21.07%),半纖維素含量分別為21.14%、18.96%,這兩部位屬于木質(zhì)纖維素類原料[31].而辣椒葉纖維素、木質(zhì)素含量分別僅為6.99%、2.78%,半纖維素含量為18.18%.辣椒葉與根、莖成分的不同可能影響產(chǎn)沼氣潛力,這一推測(cè)與表3結(jié)果相符.

表2 辣椒秸稈的理化特性(%) Table 2 Physico-chemical properties of chili stalks (%)

注:除含水率以鮮重計(jì)外,其它測(cè)定結(jié)果均以干重計(jì),同行不同字母表示差異顯著(<0.05),下同.

2.3 辣椒秸稈不同部位元素分析及厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣特性

根據(jù)表3的結(jié)果,采用生物體經(jīng)驗(yàn)分子式方法[14-15],辣椒葉、根、莖的經(jīng)驗(yàn)分子式分別為C9H16.8O10.2N1、C30.3H46.2O24.9N1、C32.4H50.9O24.4N1,經(jīng)公式(2)相關(guān)計(jì)算,理論產(chǎn)氣量分別為596.2, 798.2,833.0mL/gVS,而實(shí)際產(chǎn)氣量分別為185.2, 68.9,104.2mL/gVS,生物轉(zhuǎn)化率低,分別僅為31.06%、8.63%、12.50%,其原因可能是辣椒葉中碳水化合物含量較低(37.01%),辣椒根、莖中木質(zhì)素含量較高(分別為24.42%、21.07%),木質(zhì)化程度高,厭氧消化過程中易被微生物食用的有機(jī)物質(zhì)較少.且辣椒根占整株鮮重比僅為10.85%,轉(zhuǎn)化率不足10%,在以后辣椒秸稈收獲時(shí)可去根處理.在實(shí)際厭氧發(fā)酵過程中,辣椒葉、根、莖甲烷含量與理論值相當(dāng),分別為50.30% (45.83%)、47.56%(48.85%)、47.95%(51.27%),且無顯著性差異,這說明在正常的厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中,甲烷含量不會(huì)因辣椒秸稈部位的不同產(chǎn)生明顯變化,且能達(dá)到理論值.

表3 辣椒秸稈元素分析及厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣特性 Table 3 Elements content and the biogas production during anaerobic fermentation of chili straw

注:1.秸稈厭氧發(fā)酵周期為33d,葉、根、莖分別在23, 9, 9d累計(jì)產(chǎn)氣量達(dá)總產(chǎn)氣量的90%以上,之后基本不產(chǎn)氣.2.厭氧生物轉(zhuǎn)化率為產(chǎn)氣量比理論產(chǎn)氣量,理論值是指由元素測(cè)定結(jié)果根據(jù)公式(2)計(jì)算所得值,下同.3.同行不同字母表示差異顯著(<0.05).

2.4 不同部位分布對(duì)辣椒整株厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣潛力的影響

表4 辣椒整株測(cè)定值與核算值的比較 Table 4 Comparison between the accounted value and the measured value of chili straw

注:1.核算值是根據(jù)辣椒各部位占整株比例(以干物質(zhì)計(jì))計(jì)算所得,下同.2.辣椒整株秸稈厭氧發(fā)酵周期為33d,其第18d累積產(chǎn)氣量可達(dá)總產(chǎn)氣量90%以上,之后產(chǎn)氣較少.

由表4可以看出,大部分指標(biāo)核算值均與測(cè)定值相當(dāng),僅纖維素、碳水化合物含量兩者之間相差較大.其中碳水化合物含量測(cè)定值和核算值分別為55.98%、52.97%,纖維素含量測(cè)定值則較核算值(22.97%)增加了4.09%,兩者疊加效應(yīng)使得辣椒整株厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量升高,測(cè)定值與核算值分別為166.9,141.8mL/gVS.

由圖1可以看出,葉不僅是辣椒秸稈的主要組成部分,也是厭氧發(fā)酵過程中主要的貢獻(xiàn)者,其所占秸稈干重比及產(chǎn)氣貢獻(xiàn)率分別為50.83%、48.49%,出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是辣椒葉片數(shù)較多,含水率、粗脂肪、粗蛋白質(zhì)含量高,木質(zhì)素含量較低[30],而產(chǎn)氣貢獻(xiàn)率相對(duì)降低可能是辣椒葉中灰分含量較高,有機(jī)質(zhì)相對(duì)下降引起.辣椒根、莖則表現(xiàn)出相反的效應(yīng),辣椒莖(39.07%)產(chǎn)氣貢獻(xiàn)率僅為31.79%,而占辣椒整株比例為10.10%的辣椒根卻貢獻(xiàn)了19.72%的產(chǎn)氣率,其原因可能是辣椒根中纖維素、半纖維素含量相比莖相對(duì)高.

2.5 辣椒秸稈厭氧發(fā)酵評(píng)估

由表5可知,除辣椒秸稈中N素含量測(cè)定值小于核算值外, C、H、O 3種元素測(cè)定值與核算值非常接近,這一結(jié)果可能是由于氮素測(cè)定相對(duì)含量較小,人為操作誤差所致.辣椒秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量測(cè)定值和核算值分別為166.9,141.8mL/ gVS,說明在各部位的協(xié)同作用下,產(chǎn)氣量有所增加,但轉(zhuǎn)化率較低,僅為21.94%,原因可能是辣椒秸稈木質(zhì)素含量較高(16.16%),木質(zhì)化程度高.在厭氧發(fā)酵過程中,辣椒秸稈產(chǎn)甲烷含量測(cè)定值、核算值與理論值三者相當(dāng),這一現(xiàn)象說明在該實(shí)驗(yàn)條件下,辣椒整株在各部位的協(xié)同作用下厭氧發(fā)酵處于正常狀態(tài).

表5 辣椒秸稈元素分析及產(chǎn)氣潛力結(jié)果 Table 5 Elements content and the biogas potential of chili straw

注:理論值是指由元素測(cè)定結(jié)果根據(jù)公式(2)計(jì)算所得值.

3 結(jié)論

3.1 辣椒秸稈各部位間理化特性差異顯著(<0.05),辣椒葉含水率、TS、灰分、全P、全K、粗脂肪和粗蛋白含量均明顯高于根、莖,而VS、C/N、纖維素、半纖維、木質(zhì)素和碳水化合物含量則相反.

3.2 辣椒秸稈各部位產(chǎn)沼氣潛力從大到小順序?yàn)?葉(185.2mL/gVS)>莖(104.2mL/gVS)>根(68.9mL/gVS).且各部位對(duì)辣椒整株的影響主要表現(xiàn)在纖維素和碳水化合物的相對(duì)含量對(duì)其產(chǎn)沼氣的影響.

3.3 采用生物體經(jīng)驗(yàn)分子式評(píng)估辣椒秸稈厭氧生物轉(zhuǎn)化率,得出辣椒秸稈厭氧生物轉(zhuǎn)化率較低,最高為葉,僅為31.06%.

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致謝：本實(shí)驗(yàn)中溫室大棚辣椒種植實(shí)驗(yàn)由江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所土壤肥料研究室郭德杰老師負(fù)責(zé),在此表示感謝.

* 責(zé)任作者, 研究員, czhizhou@hotmail.com

Chemical composition of different parts of chili stalks and their biogas production potentials during anaerobic fermentation

BI Jin-hua1,2, CHENG Guang-yin1, CHEN Le1, LI Yun-long1, HEI Kun-lun1,2, ZHANG Ying-peng1,2, HUO Li-jiao1,2, CHANG Zhi-zhou1*

(1.East China Scientific Observing and Experimental Station of Development and Utilization of Rural Renewable Energy, Ministry of Agriculture, Institute of Agricultural Resources and Environment, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing 210014, China；2.College of Resources and Environmental Sciences, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China)., 2016,36(7)：2073~2078

In order to study the physiochemical properties of different parts of chili stalks and their biogas production potentials during anaerobic digestion, chili (Sujiao16) was used as the raw material. The biomass, physicochemical properties and the biogas production of different straw parts of Sujiao16were conducted at bench scale. Results showed that straw yield of Sujiao16was up to 21 t/hm2, and the ratio of chili plants biomass to chili yield was 0.36. Different parts of Sujiao16 straw had significant (<0.05) effects on physicochemical characteristics and biogas production, with the order of leaves (185.2mL/gVS) >stem (104.2mL/gVS) >root (68.9mL/gVS). The relative content of fiber and carbohydrate of different parts of Sujiao16stalks had strong impacts on the biogas production potential of the whole straw. According to the theoretical biogas production based on molecular formula, the biogas production potential of Sujiao16was evaluated, indicating that the bioconversion rates of different straw parts were relatively low during anaerobic fermentation. Thus the reasons needed to be studied in the future.

chemical composition；different parts of straw；chili straw；anaerobic fermentation

X705

A

1000-6923(2016)07-2073-06

畢金華(1986-),男,安徽宣城人,南京農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士研究生,主要從事固體廢物處理與資源化方面的研究.

2015-12-17

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAD15B03);國家水體污染控制與治理重大專項(xiàng)(2012ZX07101-004);國家科技支撐計(jì)劃(2014BAL02B04)