秸稈原料C/N比調(diào)節(jié)對沼氣產(chǎn)氣狀況的影響

摘 要:以玉米秸稈原料為試材，研究了不同碳氮比條件對沼氣產(chǎn)氣狀況的影響。結(jié)果表明，碳氮比值為27.0的N1處理，累積產(chǎn)氣量、穩(wěn)定產(chǎn)氣周期內(nèi)的日平均產(chǎn)氣量及碳轉(zhuǎn)化效率等指標(biāo)均達(dá)到最大值;隨著碳氮比的降低，產(chǎn)氣開始時間延遲且產(chǎn)氣周期縮短，累積產(chǎn)氣量也降低，并且碳轉(zhuǎn)化效率也有所下降。

關(guān)鍵詞:C/N值;玉米秸稈;沼氣產(chǎn)量;碳轉(zhuǎn)化率

中圖分類號:TQ221.1+1文獻(xiàn)標(biāo)識號:A文章編號:1001-4942(2010)01-0067-04

Effect of C/N Adjustment of Corn Stalk on Methane Production

ZHANG Chang-ai1，LIU Ying1，HUANG Meng2，YUAN Chang-bo1，WANG Yan-qin1

(1.Institute of Soil and Fertilizer， Shandong Academy of Agricultural Sciences， Jinan 250100， China; 2.Office of Shandong Academy of Agricultural Sciences， Jinan 250100， China)

Abstract With the corn stalk as material， a simulation test was conducted to study the effects of C/N adjustment on methane production.The results indicated that the accumulative methane production， the daily mean methane production during steady methane producing period and the carbon conversion rate were all the maximum in the N1 treatment with C/N level of 27.0. With the decline of the C/N level， the beginning time of methane production delayed， the methane producing period shortened， the accumulative methane production decreased and the carbon conversion rate declined too.

Key words C/N level; Corn stalk; Methane production; Carbon conversion rate

近幾十年來，世界能源形勢發(fā)生了巨大的變化，能源消費(fèi)量增長迅猛，形勢日漸嚴(yán)峻，這引起了我國政府的高度重視，并積極投入大量的人力物力加快生物質(zhì)能的研究與開發(fā)利用。其中沼氣的發(fā)展較為迅速，據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2007年底，我國已建成的戶用沼氣池總數(shù)超過2 650萬個[1]，戶用沼氣池在農(nóng)村的推廣已呈燎原之勢并有巨大的發(fā)展?jié)摿Α！笆晃濉逼陂g，到2010年沼氣的產(chǎn)量要求達(dá)到190×108 m3，到2020年達(dá)到400×108 m3[2]。要達(dá)到這一目標(biāo)不僅要繼續(xù)加大沼氣池的建設(shè)和普及力度，也必須提高生物質(zhì)原料的產(chǎn)氣效率。目前我國沼氣的原料產(chǎn)氣率較低，用提高菌群活力及改善原料配比的方法來提高產(chǎn)氣效率具有一定的效果。本試驗(yàn)以玉米秸稈原料為試材，研究了不同碳氮比條件對沼氣產(chǎn)氣狀況的影響，從而為沼氣原料產(chǎn)氣率的提高提供參考。

1 材料與方法

玉米秸稈剁碎后在干燥箱中烘干，并用秸稈樣品粉碎機(jī)磨碎(<1mm)，尿液直接用桶收集，沼液作為啟動液，從沼氣池出料間灌取，然后分別取樣化驗(yàn)所需項(xiàng)目。所用試驗(yàn)材料的基本性狀如下:玉米秸稈的全氮含量1.11%，全磷含量4.46%，全鉀含量9.03%，有機(jī)質(zhì)含量69.63%，有機(jī)碳45.39%，粗纖維含量43.74%，粗蛋白含量0.94%，C/N值為40.89; 尿液氮含量0.91%，全碳含量0.015%;原料啟動液全氮含量0.09%，全碳含量0.24%。試驗(yàn)設(shè)5個處理，重復(fù)3次，試驗(yàn)處理情況見表1。

表1試驗(yàn)處理方案

處理代號C/N處理組成成分秸稈(g)尿液(ml)啟動液(ml)清水(ml)

N035.2600130670

N127.06025130645

N225.06035130635

N322.36050130620

N418.26080130590

先將粉碎好的秸稈裝入1 000 ml的燒瓶中，并加入NaOH 3.6 g(占秸稈質(zhì)量的6%)，然后分別按表1所列加入尿液、清水、啟動液，密閉放在恒溫室內(nèi)，溫度控制在15～16℃，利用排水法收集產(chǎn)生的氣體，記錄產(chǎn)氣狀況，停止產(chǎn)氣后取料液分析指標(biāo)。試驗(yàn)用模擬發(fā)酵裝置如圖1所示[3]。

1-發(fā)酵瓶;2-進(jìn)料取樣管;3-排氣截止閥;

4-導(dǎo)氣管;5-集氣容器;6-水桶

圖1 試驗(yàn)用模擬發(fā)酵裝置示意圖

圖2 不同C/N處理對裝置累積產(chǎn)氣量的影響

圖3 不同C/N處理對裝置日產(chǎn)氣量的影響

2 結(jié)果與分析

2.1 不同C/N處理對原料發(fā)酵過程中產(chǎn)氣量的影響

由圖2可以看出，不同的C/N處理對產(chǎn)氣情況產(chǎn)生明顯的影響，各處理間累積產(chǎn)氣量的大小順序?yàn)? N1>N2>N3>N4>N0，可以看出，在本試驗(yàn)條件下C/N值為27.0的處理產(chǎn)氣量較多，隨著C/N值的降低，產(chǎn)氣量逐步下降，而C/N值為35.2的處理累積產(chǎn)氣量最低。

從試驗(yàn)中日產(chǎn)氣情況(圖3)來看，試驗(yàn)期內(nèi)沼氣的產(chǎn)氣基本都有一個相對穩(wěn)定的產(chǎn)氣時間段;在此之前產(chǎn)氣由零逐漸過渡到較高值;而產(chǎn)氣穩(wěn)定期之后產(chǎn)氣又從較高值降低至零。可以明顯看出整個的產(chǎn)氣周期內(nèi)日產(chǎn)氣量呈現(xiàn)一條拋物線的軌跡。

為尋找本試驗(yàn)條件下最適宜的C/N值，以試驗(yàn)期內(nèi)累積產(chǎn)氣量為縱坐標(biāo)，以不同的C/N值為橫坐標(biāo)，繪制了不同C/N處理的散點(diǎn)圖(見圖4)。

通過趨勢線得到，試驗(yàn)條件下沼氣產(chǎn)氣總量與原料C/N值呈現(xiàn)二次曲線方程關(guān)系，其方程為:=-4.8341X2+256.07X-1975.7，R2=0.9349。通過方程求解，可知當(dāng)X=26.5時，Y達(dá)到最大值。表明在本試驗(yàn)條件下，當(dāng)C/N值等于26.5時裝置的累積產(chǎn)氣量達(dá)到最高值，即對于粉碎的干玉米秸稈，在15～16℃溫度條件下，當(dāng)C/N值為26.5時其產(chǎn)氣狀況較好，這與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

圖4 不同C/N處理的散點(diǎn)圖

2.2 不同C/N處理對原料產(chǎn)氣特征的影響

為更好地分析試驗(yàn)中各處理的產(chǎn)氣特征，將裝置的開始產(chǎn)氣時間、試驗(yàn)期產(chǎn)氣天數(shù)、試驗(yàn)期產(chǎn)氣總量、日均產(chǎn)氣量、日最高產(chǎn)氣量、穩(wěn)定產(chǎn)氣周期、穩(wěn)定產(chǎn)氣周期內(nèi)累積產(chǎn)氣量、穩(wěn)定產(chǎn)氣周期內(nèi)日均產(chǎn)氣量等指標(biāo)做了詳細(xì)對比，結(jié)果見表2。

開始產(chǎn)氣天數(shù)是指裝置從試驗(yàn)布置完畢至裝置開始產(chǎn)生沼氣之間的天數(shù)。試驗(yàn)中各處理間開始產(chǎn)氣時間的長短順序?yàn)? N4>N3>N2>N1>N0，時間越長表明產(chǎn)氣越慢，可以看出在試驗(yàn)中隨著C/N值的降低，開始產(chǎn)氣時間越長。據(jù)理論預(yù)測，隨著C/N值的降低，含氮量相應(yīng)增加，應(yīng)該能促進(jìn)厭氧發(fā)酵，較快產(chǎn)生沼氣，但本試驗(yàn)卻得到相反的結(jié)論。究其原因可能是因?yàn)樵跍囟容^低的條件下粗纖維等碳源轉(zhuǎn)化為小分子糖的速度較慢，厭氧微生物的活性也相對較低，從而對氮源的需求不是很旺盛，又加上尿液中氨水對菌群的毒害，從而表現(xiàn)出這種現(xiàn)象。這僅是初步的分析，尚需更具體的研究進(jìn)行驗(yàn)證。

試驗(yàn)期產(chǎn)氣天數(shù)是試驗(yàn)期內(nèi)裝置產(chǎn)氣的天數(shù)，表征的是試驗(yàn)中產(chǎn)氣時間的長短。處理間產(chǎn)氣天數(shù)的多少順序?yàn)?N1>N0=N2>N4>N3。厭氧發(fā)酵中原料的C/N值有一個比較適宜的位點(diǎn)，一般認(rèn)為25～30比較好，較高或較低都影響到厭氧發(fā)酵的效果，從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，C/N值為27.0處理的試驗(yàn)期產(chǎn)氣天數(shù)最多，其次為C/N值35.2和25.0的處理，而C/N值為22.3和18.2處理的產(chǎn)氣天數(shù)最少。這與前人的研究結(jié)論相符合。

日最高產(chǎn)氣量有利于表述原料的產(chǎn)氣潛力，反映較好條件下可以達(dá)到的效果。而日均產(chǎn)氣量是沼氣利用、管理設(shè)計(jì)及輔助設(shè)施配備所要考慮的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，因而對于實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)營具有積極意義。試驗(yàn)中各處理間日均產(chǎn)氣量的高低順序?yàn)?N3>N2>N1>N4>N0，可以看出盡管從累積產(chǎn)氣量來看N1處理最好，但從日均產(chǎn)氣量來看，C/N值為22.3的N3處理顯然更具優(yōu)勢。本分析旨在提醒沼氣工程設(shè)計(jì)者，在沼氣柜機(jī)用氣設(shè)計(jì)時不要忽視日均產(chǎn)氣量這一指標(biāo)，它與原料的C/N、組成物、氣溫變化等有關(guān)。

為了更好地分析沼氣產(chǎn)氣過程細(xì)節(jié)，將整個產(chǎn)氣周期中容積產(chǎn)氣率大于等于0.2的時間段定義為穩(wěn)定產(chǎn)氣周期，這有利于剔除裝置病態(tài)產(chǎn)氣的時間段，從而更客觀地分析裝置的產(chǎn)氣特征。試驗(yàn)中，C/N值為25.0的N2處理的穩(wěn)定產(chǎn)氣周期最長，其它處理間的差異不大;各處理間穩(wěn)定產(chǎn)氣周期內(nèi)日均產(chǎn)氣量的高低順序?yàn)?N1>N3>N2>N0>N4。

表2不同處理試驗(yàn)期產(chǎn)氣特征情況

項(xiàng)目N0N1N2N3N4

開始產(chǎn)氣時間(d)5791012

試驗(yàn)期產(chǎn)氣天數(shù)(d)1820181516

試驗(yàn)期產(chǎn)氣總量(ml)10381475138912681111

日均產(chǎn)氣量(ml)57.6773.7577.1784.5369.44

日最高產(chǎn)氣量(ml)132175152208152

穩(wěn)定產(chǎn)氣周期(d)1113151312

穩(wěn)定產(chǎn)氣周期累積產(chǎn)氣量(ml)875.01446.81418.51241.01033.0

穩(wěn)定產(chǎn)氣周期日均產(chǎn)氣量(ml)87.5111.394.695.586.1

2.3 不同C/N處理對原料碳轉(zhuǎn)化效率的影響

原料的碳轉(zhuǎn)化效率是指試驗(yàn)前后原料有機(jī)碳的轉(zhuǎn)化比例，本試驗(yàn)是通過試驗(yàn)前后裝置內(nèi)的總碳量的減少百分比來計(jì)算的。由圖5可以看出，各處理間碳轉(zhuǎn)化率的高低順序?yàn)?N1>N2>N3>N4>N0，可見秸稈原料如果不做碳氮比調(diào)節(jié)(N0處理)其碳轉(zhuǎn)化效率較低，與之相比，N1、N2、N3和N4處理的碳轉(zhuǎn)化效率分別提高了41.06%、36.19%、22.00%和7.01%。用人糞尿?qū)Ψ鬯榻斩捥幚砗螅M管有些處理的碳氮比嚴(yán)重偏離了適宜范圍(25%～30%)，但其碳轉(zhuǎn)化效率還是有所提高。

圖5 試驗(yàn)期內(nèi)原料碳轉(zhuǎn)化率隨原料 碳氮比的變化情況

在所有處理中，碳氮比值為27.0的N1處理的碳轉(zhuǎn)化效率最高，表明適宜的碳氮比有助于秸稈原料碳轉(zhuǎn)化效率的提高。因此在現(xiàn)有的活用沼氣池中，玉米秸稈原料與人糞尿相結(jié)合可以得到更為理想的厭氧發(fā)酵效果。

3 小結(jié)

3.1 為了分析不同碳氮比調(diào)節(jié)對玉米秸稈產(chǎn)氣特征的影響，試驗(yàn)通過小型模擬發(fā)酵裝置在較低溫度下進(jìn)行了驗(yàn)證。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)碳氮比為27.0時沼氣的累積產(chǎn)氣量達(dá)到最高值;而隨著碳氮比的降低，開始產(chǎn)氣時間延遲且產(chǎn)氣時間縮短，累積產(chǎn)氣量也降低，并且碳轉(zhuǎn)化效率也有所下降。

3.2 試驗(yàn)時在原料中添加了少量NaOH，并加入了較多的活性沼液，這對于保障原料的厭氧消化起到了較好的效果[4];同時盡管對試驗(yàn)原料進(jìn)行了嚴(yán)格的控制，但重復(fù)間的差異依然較大，這表明在較為接近的試驗(yàn)條件下，微生物的發(fā)酵過程也難以保障其再現(xiàn)性，這一現(xiàn)象值得進(jìn)一步研究。

試驗(yàn)再次證明適宜的碳氮比調(diào)節(jié)可以顯著改善秸稈原料的厭氧發(fā)酵過程[5]，并顯著改善其產(chǎn)氣特征。

參 考 文 獻(xiàn):

[1] 寇建平.中國沼氣的產(chǎn)業(yè)化問題[A].2008國際沼氣學(xué)術(shù)研討會論文集[C].2008，1-4.

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[3] 周孟津、張榕林、藺金印.沼氣實(shí)用技術(shù)[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2003，8-54.

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