辣椒秸秆不同部位化学组分及厌氧发酵产沼气潜力

毕金华,陈广银,陈 乐,李云龙,黑昆仑,张应鹏,霍立娇,常志州*



辣椒秸秆不同部位化学组分及厌氧发酵产沼气潜力

毕金华1,2,陈广银1,陈 乐1,李云龙1,黑昆仑1,2,张应鹏1,2,霍立娇1,2,常志州1*

(1.江苏省农业科学院农业资源与环境研究所,农业部农村可再生能源开发利用华东科学观测实验站,江苏 南京 210014；2.南京农业大学资源与环境科学学院,江苏 南京 210095)

以辣椒苏椒16号为试验材料,调查统计了辣椒生物量和产废系数,并在实验室条件下,研究了辣椒秸秆不同部位理化特性及厌氧发酵产沼气潜力,及各部位对辣椒整株的影响.结果表明:辣椒秸秆生物量高达21t/hm2,产废系数为0.36.辣椒秸秆各部位间理化特性及产沼气潜力具有显著性差异(<0.05),产沼气潜力大小顺序为:叶(185.2mL/gVS)>茎(104.2mL/gVS)>根(68.9mL/gVS).各部位对辣椒整株的影响主要表现在纤维素和碳水化合物的相对含量对其产沼气的影响.且根据经验分子式推测的理论产沼气量,对辣椒秸秆厌氧发酵产沼气转化率进行了评估,各部位转化率均较低,其原因有待进一步研究.

化学组分；不同部位；辣椒秸秆；厌氧发酵

辣椒是世界上栽培最普遍的果菜之一,据联合国粮农组织数据库,2013年我国辣椒种植面积71.21万hm2,辣椒产量1582万t[1],其生产伴生的大量秸秆己成为蔬菜废弃物的重要来源之一.目前,大多数辣椒秸秆被直接丢弃,部分直接或燃烧后还田[2].但在辣椒秸秆还田过程中,腐解物中的化感物质会对作物生长发育有较强的抑制作用,不易直接还田[3].燃烧间接还田虽能消除化感物质的影响,但会造成大气污染.辣椒秸秆高含水率的特点非常适合于厌氧发酵处理,实现废弃物处理与资源回收利用[4-6].近年来,蔬菜秸秆厌氧发酵的研究越来越多,罗娟等[7]对设施园艺废弃物厌氧消化产沼气特性进行了研究,结果表明西瓜蔓产气潜力最佳,且设施园艺废弃物对分离式两相厌氧消化工艺(STP)具有良好的适应性.邵艳秋等[8]研究了不同物料质量分数的野菠菜厌氧发酵产气潜力,研究结果表明6%质量分数的野菠菜累计产气量最高,达15870mL.陈广银等[9]对水葫芦不同部位的厌氧消化特性进行了研究,结果表明水葫芦整株较根、茎更有利于直接发酵.但大多侧重于产沼气潜力比较及工艺研究,而各部位对整株秸秆理化特性及厌氧消化产沼气潜力的影响鲜有报道.

本文以辣椒秸秆为原料,研究了其生物量、秸秆理化特性及厌氧发酵产沼气特性进行了较系统的研究,分析了辣椒产废系数、秸秆理化特性及发酵过程中日产气量、甲烷含量等指标,评估了辣椒秸秆生物转化率及不同部位对整株厌氧发酵产沼气的贡献率,以期为蔬菜秸秆资源量统计和沼气化利用提供基础数据.

1 材料与方法

1.1 实验材料

辣椒秸秆取自江苏省农业科学院六合基温室大棚,辣椒品种为苏椒16号,种植面积为20m2(6.3m×3.3m),大棚试验自2014年3月25日开始,2014年8月7日结束,辣椒产量为第一次采摘至结束时所有收获辣椒的总量.辣椒植株生物量的测定:在辣椒采摘结束后,20m2种植区内生物量总和,现场称量统计,并取21.92kg辣椒整株,其中一部分叶、根、茎进行分开处理,统计各自占整株的比例,将所有样品经105℃杀青0.5h, 60 ℃烘干至恒重,粉碎过1mm筛后,于干燥阴凉处备用[10].接种物取自宜兴市某猪场沼气工程,经1mm网袋过滤去除大颗粒物后在实验室经驯化后使用,接种物总固体含量(TS)为2.27%、挥发性固体含量(VS)为47.61%、pH 7.48.

1.1 实验方法

采用1000mL广口瓶模拟厌氧反应器,将TS质量35g辣椒秸秆放入瓶中,接种,接种物量按辣椒秸秆TS重的40%投加,加水至发酵物总质量为700g,混合均匀,通入N22min,密封后于(35± 2) ℃下进行厌氧发酵产沼气实验.发酵过程中每天测定产气量、甲烷含量.每个处理设3个平行,取平均值进行分析.

1.2 测定指标及方法

每日产气量采用排水集气法测定;甲烷含量采用GC-9890A气相色谱仪测定(TCD检测器). TS、水分采用105℃烘24h差重法测定; 550℃灼烧4h,差重法测定VS、灰分.样品过100目筛后采用Vario EL III型元素测定仪分析C、H、O、N元素含量.植株样品经H2SO4-H2O2消煮后,分别采用钒钼黄比色法、火焰光度法[10]测定全磷、全钾;采用范氏法(Van Soest)测定辣椒秸秆纤维素、半纤维素和木质素(FIWE-6,Velp Scientifica)[11];采用索式抽提法测定样品粗脂肪[10].样品粗蛋白质含量根据全氮量的6.25换算系数计算[12];碳水化合物根据公式(1)计算[13].

碳水化合物(%)=100−(水分+灰分+粗蛋白质+粗脂肪)(%) (1)

1.3 数据分析

使用SPSS 17.0软件进行数据显著性统计分析,各处理间差异采用单因素方差分析(Analysis of Variance, ANOVVA),均值比较采用最小显著性差法(Least Significant Difference, LSD),显著性水平=0.05.

根据元素分析结果,采用生物体经验分子式推测样品化学式[14-15],依据公式(2)计算理论产沼气量及甲烷含量,并以生物转化率(即实际值与理论值比值)对实际厌氧发酵进行评估[16].

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

2 结果与讨论

2.1 辣椒生物量及不同部位比例分布

由表1可知,温室辣椒产废系数为0.36,与甜菜(0.37)、甘蔗(0.34)秸秆系数相当[17],远小于水稻、小麦、玉米3大粮食作物秸秆系数(秸秆系数均大于1)[17-19],但辣椒单位面积产量高达59.1t/hm2,是水稻、小麦、玉米产量的近10 倍[20],辣椒秸秆产生量不容忽视.辣椒秸秆主要以叶为主,占整株鲜重比高达55.42%,其次是茎,为33.73%,根最少,为10.85%,而叶的比重高是因为辣椒植株叶片数多,含水率高(表2),比重较茎和根大.

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:产废系数即为秸秆产量与辣椒产量之比(鲜重比).

2.2 辣椒秸秆不同部位理化特性

从表2可以看出,各部位间理化特性差异显著(<0.05),辣椒叶中含水率、TS、灰分、全P、K、粗脂肪和粗蛋白含量均明显高于辣椒根、茎,而VS、C/N、纤维素、半纤维素、木质素和碳水化合物含量则相反.VS/TS值是厌氧发酵系统中衡量原料有机物质组成的重要指标[21],辣椒叶中VS/TS值为81.78%,小于根(90.25%)、茎(96.79%),这是由于矿质元素在叶中富集较多[22],导致叶中灰分含量(22.63%)相比根、茎高,有机物质相对降低所致.辣椒叶中粗蛋白质含量高达31.38%,是根和茎的近3倍,且粗脂肪含量(3.58%)远高于根(0.55%)和茎(0.69%),两者总和为34.96%,是厌氧发酵产沼气的主要贡献者.

由表2可知,辣椒根、茎的C/N分别为25.99、27.81,在厌氧微生物最适C/N 为20:1~30:1范围内[23-26],而辣椒叶的C/N仅为7.79,远小于厌氧微生物的最适要求,但在实际发酵过程中,仍能正常进行,且产沼气潜力高于辣椒根、茎(表3).这一现象说明在厌氧发酵过程中,原料最佳初始C/N并非是产沼气潜力的影响因素,Sanchez E等[26-28]研究也证实了这一点,其相关研究表明原料初始C/N远低于或高于20:1~30:1,系统厌氧发酵过程仍可正常进行.

在厌氧发酵系统中,半纤维素相比纤维素更易被微生物消化利用,木质素则几乎不被消耗[29-30].从表2的结果来看,辣椒根、茎的成分主要是纤维素,分别为40.3%,39.27%,其次为木质素(24.42%,21.07%),半纤维素含量分别为21.14%、18.96%,这两部位属于木质纤维素类原料[31].而辣椒叶纤维素、木质素含量分别仅为6.99%、2.78%,半纤维素含量为18.18%.辣椒叶与根、茎成分的不同可能影响产沼气潜力,这一推测与表3结果相符.

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

注:除含水率以鲜重计外,其它测定结果均以干重计,同行不同字母表示差异显著(<0.05),下同.

2.3 辣椒秸秆不同部位元素分析及厌氧发酵产气特性

根据表3的结果,采用生物体经验分子式方法[14-15],辣椒叶、根、茎的经验分子式分别为C9H16.8O10.2N1、C30.3H46.2O24.9N1、C32.4H50.9O24.4N1,经公式(2)相关计算,理论产气量分别为596.2, 798.2,833.0mL/gVS,而实际产气量分别为185.2, 68.9,104.2mL/gVS,生物转化率低,分别仅为31.06%、8.63%、12.50%,其原因可能是辣椒叶中碳水化合物含量较低(37.01%),辣椒根、茎中木质素含量较高(分别为24.42%、21.07%),木质化程度高,厌氧消化过程中易被微生物食用的有机物质较少.且辣椒根占整株鲜重比仅为10.85%,转化率不足10%,在以后辣椒秸秆收获时可去根处理.在实际厌氧发酵过程中,辣椒叶、根、茎甲烷含量与理论值相当,分别为50.30% (45.83%)、47.56%(48.85%)、47.95%(51.27%),且无显著性差异,这说明在正常的厌氧发酵系统中,甲烷含量不会因辣椒秸秆部位的不同产生明显变化,且能达到理论值.

表3 辣椒秸秆元素分析及厌氧发酵产气特性 Table 3 Elements content and the biogas production during anaerobic fermentation of chili straw

注:1.秸秆厌氧发酵周期为33d,叶、根、茎分别在23, 9, 9d累计产气量达总产气量的90%以上,之后基本不产气.2.厌氧生物转化率为产气量比理论产气量,理论值是指由元素测定结果根据公式(2)计算所得值,下同.3.同行不同字母表示差异显著(<0.05).

2.4 不同部位分布对辣椒整株厌氧发酵产沼气潜力的影响

表4 辣椒整株测定值与核算值的比较 Table 4 Comparison between the accounted value and the measured value of chili straw

注:1.核算值是根据辣椒各部位占整株比例(以干物质计)计算所得,下同.2.辣椒整株秸秆厌氧发酵周期为33d,其第18d累积产气量可达总产气量90%以上,之后产气较少.

由表4可以看出,大部分指标核算值均与测定值相当,仅纤维素、碳水化合物含量两者之间相差较大.其中碳水化合物含量测定值和核算值分别为55.98%、52.97%,纤维素含量测定值则较核算值(22.97%)增加了4.09%,两者叠加效应使得辣椒整株厌氧发酵产气量升高,测定值与核算值分别为166.9,141.8mL/gVS.

由图1可以看出,叶不仅是辣椒秸秆的主要组成部分,也是厌氧发酵过程中主要的贡献者,其所占秸秆干重比及产气贡献率分别为50.83%、48.49%,出现这一现象的原因是辣椒叶片数较多,含水率、粗脂肪、粗蛋白质含量高,木质素含量较低[30],而产气贡献率相对降低可能是辣椒叶中灰分含量较高,有机质相对下降引起.辣椒根、茎则表现出相反的效应,辣椒茎(39.07%)产气贡献率仅为31.79%,而占辣椒整株比例为10.10%的辣椒根却贡献了19.72%的产气率,其原因可能是辣椒根中纤维素、半纤维素含量相比茎相对高.

2.5 辣椒秸秆厌氧发酵评估

由表5可知,除辣椒秸秆中N素含量测定值小于核算值外, C、H、O 3种元素测定值与核算值非常接近,这一结果可能是由于氮素测定相对含量较小,人为操作误差所致.辣椒秸秆厌氧发酵产气量测定值和核算值分别为166.9,141.8mL/ gVS,说明在各部位的协同作用下,产气量有所增加,但转化率较低,仅为21.94%,原因可能是辣椒秸秆木质素含量较高(16.16%),木质化程度高.在厌氧发酵过程中,辣椒秸秆产甲烷含量测定值、核算值与理论值三者相当,这一现象说明在该实验条件下,辣椒整株在各部位的协同作用下厌氧发酵处于正常状态.

表5 辣椒秸秆元素分析及产气潜力结果 Table 5 Elements content and the biogas potential of chili straw

注:理论值是指由元素测定结果根据公式(2)计算所得值.

3 结论

3.1 辣椒秸秆各部位间理化特性差异显著(<0.05),辣椒叶含水率、TS、灰分、全P、全K、粗脂肪和粗蛋白含量均明显高于根、茎,而VS、C/N、纤维素、半纤维、木质素和碳水化合物含量则相反.

3.2 辣椒秸秆各部位产沼气潜力从大到小顺序为:叶(185.2mL/gVS)>茎(104.2mL/gVS)>根(68.9mL/gVS).且各部位对辣椒整株的影响主要表现在纤维素和碳水化合物的相对含量对其产沼气的影响.

3.3 采用生物体经验分子式评估辣椒秸秆厌氧生物转化率,得出辣椒秸秆厌氧生物转化率较低,最高为叶,仅为31.06%.

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致谢：本实验中温室大棚辣椒种植实验由江苏省农业科学院农业资源与环境研究所土壤肥料研究室郭德杰老师负责,在此表示感谢.

* 责任作者, 研究员, 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

毕金华(1986-),男,安徽宣城人,南京农业大学硕士研究生,主要从事固体废物处理与资源化方面的研究.

2015-12-17

国家科技支撑计划项目(2012BAD15B03);国家水体污染控制与治理重大专项(2012ZX07101-004);国家科技支撑计划(2014BAL02B04)