基于生物質原料的二氧化碳施肥器效果試驗

高瑞龍，王琨琦，郭文忠，賈冬冬，聶銘君，劉　楠，趙　倩

(1.西安工業大學 機電工程學院，西安　710021；2.國家農業智能裝備工程技術研究中心，北京　100097)

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基于生物質原料的二氧化碳施肥器效果試驗

高瑞龍1，王琨琦1，郭文忠2，賈冬冬2，聶銘君2，劉楠1，趙倩1

(1.西安工業大學 機電工程學院，西安710021；2.國家農業智能裝備工程技術研究中心，北京100097)

摘要：針對溫室作物秋冬季節CO2氣肥嚴重不足的問題，設計了適用于普通溫室大棚的基于生物質原料發酵的二氧化碳施肥器。采用作物秸稈在好氧發酵作用下進行發酵，制取二氧化碳。同時，采用合理的自動控制策略，獲取生物質發酵過程中適宜的溫度及水分等條件，并試驗研究了生物質發酵制取CO2的最佳條件，驗證了該施肥器用于溫室補施二氧化碳的可行性。試驗結果表明：利用秸稈等農作物廢棄物(秸稈+好氧發酵菌)生物發酵產生CO2的最佳條件為：溫度45℃、含水量為70%、初始碳氮比為40：1，產氣速率最快；碳氮比對CO2的釋放影響最大，溫度影響次之，含水量影響最小；在此條件下一次上料可以連續12天讓面積120m2的溫室CO2濃度保持在1 200×10-6以上，滿足溫室使用需求。

關鍵詞：生物質；CO2；施肥器；溫度；含水量；碳氮比

0引言

我國作為一個農業發展大國，農業生態系統中存在碳循環很不合理的現象，如大量秸稈就地焚燒增加了CO2的排放并對環境造成了嚴重污染。據粗略統計，我國年產農作物秸稈約7億t，禽蓄糞便17.5億t，生物質資源豐富但利用率低，造成了巨大的資源浪費。然而，我國棚室中CO2虧缺十分普遍，嚴重影響了作物產量和品質[1-2]。農作物秸稈的資源化利用技術主要有廢物還田、加工飼料、固化炭化及氣化等，而在氣化過程中，無論是燃燒還是堆肥，都可以直接向溫室提供CO2。目前，基于溫室生物質原料的二氧化碳施肥方法主要有兩種：一種是農田堆疊式，把農田廢棄物層層堆放在地壟上，為了微生物更好地發酵，每天不斷地給廢棄物噴灑水和加農家肥料[3-4]；另一種是浙江大學針對農田廢棄物利用，設計了一種簡易的發酵裝置[5-6]。這幾種方式可以實現對溫室二氧化碳的供給，但由于采用開放式，容易造成資源的浪費，且自動化程度較低，沒有得到推廣使用。

針對上述問題，采用有效方法使農業有機廢棄物堆肥過程產生大量CO2，既可解決大量的農業廢棄物的處置問題，又可緩解目前大棚溫室中CO2嚴重不足的現象。本文主要是利用農作物秸稈在好氧發酵菌的作用下發酵制取CO2的方法，采用自動控制的方式，設計了一種自動化程度高、易操作的二氧化碳施肥器。同時，在此基礎上進行了關于該裝置產氣量及發酵條件的基礎性試驗研究，得到了生物質發酵制取CO2的最佳條件，并驗證了該施肥器用于溫室補施二氧化碳的可行性。

1整機的結構與工作原理

1.1　整機結構

基于生物質原料二氧化碳施肥器主要由發酵箱體、加熱裝置、加水裝置、通風裝置、物料箱及空壓機等組成，如圖1所示。其中，加熱裝置位于裝置的左上側，主要由加熱器及加熱管道組成，加熱管道位于裝置內的左側；加水裝置主要由水箱、潛水泵、電磁閥及排水管道組成，排水管主要位于兩側物料箱的上側，對管道采用均勻開孔處理；通風裝置在發酵箱上側，通過控制兩側的電推桿來執行對通風板的開啟；排氣管位于發酵箱下部，與外界空壓機相連，便于收集產生的CO2。

1.2　工作原理

工作時，先由外界人工將秸稈與發酵菌混合補充在物料箱中，并調節好初始最適合有氧發酵的碳氮比；首先堆肥5天，然后系統將開始根據設定好的最佳有氧發酵環境參數，通過傳感器采集模塊實時監測并讀取整個發酵箱中溫度、濕度、酸堿值等數值；由PC機把測得數值與設定的參數進行比較，并發出下一指令，通過外部的加熱、加酸、加熱裝置對其進行調控。在此過程中，通過下部儲氣室的二氧化碳傳感器進行實時監測，當二氧化碳傳感器的值達到設定的最高參數時，開啟空氣壓縮機把二氧化碳抽入外界儲氣罐中；當上部二氧化碳傳感器達到下限設定值時，關閉空氣壓縮機，完成抽取氣體指令，由電推桿開啟密封裝置，利用負壓開始向反應箱中補充有氧發酵所需的空氣，依次循環。在此過程中，達到設定時間以后會提醒需要外界補充所需的碳氮元素。

1.空壓機　2.控制柜　3.電推桿

2試驗與結果分析

試驗地點選在北京小湯山國家精準農業研究示范基地，試驗原料主要為干小麥秸稈和豆餅。對秸稈進行粉碎處理，長度大約5cm左右；豆餅采用研磨處理，發酵菌采用好氧發酵菌劑，所有的菌劑都采用我院自己篩選培養的好氧菌類，并對秸稈和豆餅測得出各自的C、N含量及含水量，如表1所示。

表1　采用有機廢棄物碳、氮含量及C/N比

2.1　試驗設備

試驗主要測量裝置的CO2產氣量及產氣速率最快時的適宜環境因素(溫度、含水量、碳氮比)。試驗樣機的設計按照前面圖1所述施肥器的工作原理及結構圖設計。試驗裝置如圖2所示。

圖2　二氧化碳施肥器試驗裝置

2.2　試驗方法

試驗材料均為粉碎小麥秸稈與好氧發酵菌。試驗主要考察溫度、碳氮比、含水量對生物發酵制取二氧化碳產氣速率的影響。每組試驗重復3次，每次以裝置內CO2產氣量達到1 500×10-6為基準，當達到1 500×10-6后利用壓縮機把CO2排放在溫室中，每次裝置內CO2濃度降到500×10-6以下后重新密閉再次記錄數據；對3次試驗中達到設定CO2氣體濃度所需時間進行記錄并處理。

2.3　試驗結果分析

2.3.1最適環境條件分析

產氣量是反應該裝置性能的主要因素，在優化過程中，首先應確定正交試驗所需要的因素與水平。前期試驗得出影響產氣量的因子主要是溫度、含水量及碳氮比。每個因素取3個水平，本試驗中主要基于不同的碳氮比30:1、40:1、50:1，不同的溫度范圍40、45、50℃，不同的含水量65%、70%、75%的三因子，在正交試驗下考察了對二氧化碳施肥器的產氣效率產生的影響效果。

每次對容器內達到設定的CO2濃度所需時間進行記錄，每組試驗重復3次求得平均值，所得數據如表2所示。

表2　正交試驗設計與結果

2.3.2產氣量的分析

保持碳氮比40:1、溫度45℃、含水量70%的試驗條件，在裝置內加入干質量為8kg的秸稈，記錄每天裝置內CO2濃度達到15 000×10-6時開始排氣的次數，并以此來檢驗該裝置的產氣量；每一次把氣體排入溫室，持續記錄20天，所得數據如圖3所示。

圖3　排氣次數隨時間的變化

由圖3中可以看出：在從9-21日這12天時間周期內，該裝置的排氣次數達到4次以上。每天把氣體排入面積約120m2的溫室中，測量得到溫室內CO2濃度可保持在1 200×10-6以上，完全可以滿足作物的生長需求。從裝置排氣次數變化規律中可以看出：發酵堆肥的第3天，產氣量就開始升高，之后出現平緩階段，這是處于發酵的堆肥階段；而后產氣量開始增加，在10天以后就可達到產氣量的最大值；在持續產氣20天后，產氣量就會明顯下降。這是因為在堆肥的過程中，由于微生物接種到新的底物里，在初始接種的幾天，堆肥菌首先在底物的誘導下將農作物秸稈等廢棄物分解為簡單的無機物，釋放出來的能量能夠滿足微生物增長需求。在此過程中，將一部分有機物轉化為生物體所必須的營養物質，用于合成新的細胞物質，滿足微生物的繁殖需求。在產氣的穩定期，隨著微生物數量的增加及營養物質的增多，內部氧氣量的充足，微生物的活性增強，因而產氣量增加。隨著消化時間的延長，有機物的含量降低，剩余的農作物秸稈等物質越來越難以被微生物降解，微生物的活性降低，使得產氣量也隨著逐漸減少。此外，產氣量還與發酵過程中的酸堿度有關，所以每隔5天就得調節裝置中的酸堿度，使pH盡量保持在6～7左右。

3結論

1)本研究設計的基于微生物質二氧化碳施肥器通過嚴格保證微生物好氧發酵的最佳生態環境，發揮了其最大活性，大大提高了農業廢棄物的轉化率。

2)試驗測得在碳氮比為40:1、含水量為70%、溫度在45℃下，CO2產氣速度最快，并且得到產氣量影響最大的因素是碳氮比，其次是溫度，含水量影響最弱。

3)基于本試驗條件，即秸稈與豆餅比例為6:1(碳氮比40/1)、溫度為45℃、含水量在70%左右時，可對面積120m2的溫室持續12天供給CO2，并可使溫室內CO2濃度保持在1 200×10-6以上，能夠滿足溫室作物對CO2的需求。

參考文獻：

[1]宋成軍，張玉華，李冰峰.農業廢棄物資源化利用技術綜合評價指標體系與方法[J].農業工程學報，2011,27(11):289-293.

[2]魏珉，邢禹賢，王秀峰.幾種主要CO2施肥肥源性能的比較與評價[J].農業工程學報，2001,17(3)：10-14.

[3]蔣寶南，單建明，曹啟峰.堆肥發酵CO2施肥對大棚草莓生產、產量、品質的影響[J].江蘇農業科學，2014,42(11)：183-184.

[4]朱維琴，朱正華，章永松.農業有機廢棄物資源化與溫室二氧化碳施肥在生產上的利用[J].現代化農業，2002(2):19-21.

[5]都邵婷，單英杰.農業有機廢棄物發酵CO2施肥在大棚生產上的應用及其環境效應[J].植物營養與肥料學報,2010,16(2):510-514.

[6]杜靜，章永松.農業有機廢棄物分解產生CO2的影響因素研究[J].應用生態學報，2004,15(3):501-505.

[7]李萍萍，胡永光，趙玉國,等.增施CO2氣肥對溫室結球萵苣光合作用影響的綜合模型研究[J].農業工程學報，2001,17(3)：75-79.

[8]張淑娟，王雙喜，劉淑珍.自壓平衡式CO2發生器的設計與應用[J].農業機械學報,2003,34(1)：148-150.

[9]谷紅巖，李文哲.基于PLC和力控組態軟件的沼氣生產自動控制系統[J].農機化研究，2011,33(1):199-202.

[10]趙鵬，山會用，楊廷榮,等.溫室二氧化碳氣肥補缺控制系統設計[J].農業裝備與車輛工程，2014,52(10)：7-9.

[11]孫勇，李文哲，張鴻瓊.高寒地區兩相厭氧用戶沼氣系統設計與實驗[J].農業工程學報，2012,28(9)：196-201.

Effect Test of Biomass Carbon Dioxide Fertilizer Application

Gao Ruilong1, Wang Kunqi1， Guo Wenzhong2, Jia Dongdong2,Nie Mingjun2, Liu Nan1, Zhao Qian1

(1.College of Electromechanic Engineering, Xi'an Technological University, Xi'an 710021, China; 2.National Agricultural Intelligent Equipment Engineering Technology Research Center, Beijing 100097, China)

Abstract：For serious shortage of CO2fertilizer in greenhouses in autumn and winter, a CO2fertilizer generator was designed. CO2was produced by crop straws aerobic fermentation .Meanwhile the suitable temperature and moisture for biomass fermentation were maintained by using reasonable automatic control strategy. The optimum conditions for CO2produced were studied, and the feasibility of the application in greenhouses was verified. The results showed that, the optimum conditions for the CO2production by aerobic fermentation of crop straws and other agricultural wastes (crop straws + aerobic fermentation bacteria) were as follows: temperature of 45℃, 70% of water content, 40:1 of initial carbon nitrogen ratio. The carbon nitrogen ratio was the most important factor, following by temperature, and crop straws water content. For a 200m2greenhouse, CO2concentration could be maintained at 1200ppm during 12 days, which was meet the demand of greenhouse.

Key words：biomass；CO2； fertilization； temperature； water content； carbon and nitrogen ratio

中圖分類號：S224.21

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)10-0254-04

作者簡介：高瑞龍(1989-)，男，山東泰安人，碩士研究生，(E-mail)ruilonggao@163.com。通訊作者：王琨琦(1955-)，男，陜西岐山人，教授，碩士生導師，(E-mail)372122167@qq.com。

基金項目：北京市農林科學院科技創新能力建設專項(KJCX20140415)；寧夏回族自治區科技攻關計劃項目(NXKJ201401A06)

收稿日期：2015-11-24