论文部分内容阅读
摘 要:以玉米秸秆原料为试材,研究了不同碳氮比条件对沼气产气状况的影响。结果表明,碳氮比值为27.0的N1处理,累积产气量、稳定产气周期内的日平均产气量及碳转化效率等指标均达到最大值;随着碳氮比的降低,产气开始时间延迟且产气周期缩短,累积产气量也降低,并且碳转化效率也有所下降。
关键词:C/N值;玉米秸秆;沼气产量;碳转化率
中图分类号:TQ221.1+1文献标识号:A文章编号:1001-4942(2010)01-0067-04
Effect of C/N Adjustment of Corn Stalk on Methane Production
ZHANG Chang-ai1,LIU Ying1,HUANG Meng2,YUAN Chang-bo1,WANG Yan-qin1
(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
近几十年来,世界能源形势发生了巨大的变化,能源消费量增长迅猛,形势日渐严峻,这引起了我国政府的高度重视,并积极投入大量的人力物力加快生物质能的研究与开发利用。其中沼气的发展较为迅速,据统计,截至2007年底,我国已建成的户用沼气池总数超过2 650万个[1],户用沼气池在农村的推广已呈燎原之势并有巨大的发展潜力。“十一五”期间,到2010年沼气的产量要求达到190×108 m3,到2020年达到400×108 m3[2]。要达到这一目标不仅要继续加大沼气池的建设和普及力度,也必须提高生物质原料的产气效率。目前我国沼气的原料产气率较低,用提高菌群活力及改善原料配比的方法来提高产气效率具有一定的效果。本试验以玉米秸秆原料为试材,研究了不同碳氮比条件对沼气产气状况的影响,从而为沼气原料产气率的提高提供参考。
1 材料与方法
玉米秸秆剁碎后在干燥箱中烘干,并用秸秆样品粉碎机磨碎(<1mm),尿液直接用桶收集,沼液作为启动液,从沼气池出料间灌取,然后分别取样化验所需项目。所用试验材料的基本性状如下:玉米秸秆的全氮含量1.11%,全磷含量4.46%,全钾含量9.03%,有机质含量69.63%,有机碳45.39%,粗纤维含量43.74%,粗蛋白含量0.94%,C/N值为40.89; 尿液氮含量0.91%,全碳含量0.015%;原料启动液全氮含量0.09%,全碳含量0.24%。试验设5个处理,重复3次,试验处理情况见表1。
表1试验处理方案
处理代号C/N处理组成成分秸秆(g)尿液(ml)启动液(ml)清水(ml)
N035.2600130670
N127.06025130645
N225.06035130635
N322.36050130620
N418.26080130590
先将粉碎好的秸秆装入1 000 ml的烧瓶中,并加入NaOH 3.6 g(占秸秆质量的6%),然后分别按表1所列加入尿液、清水、启动液,密闭放在恒温室内,温度控制在15～16℃,利用排水法收集产生的气体,记录产气状况,停止产气后取料液分析指标。试验用模拟发酵装置如图1所示[3]。
1-发酵瓶;2-进料取样管;3-排气截止阀;
4-导气管;5-集气容器;6-水桶
图1 试验用模拟发酵装置示意图
图2 不同C/N处理对装置累积产气量的影响
图3 不同C/N处理对装置日产气量的影响
2 结果与分析
2.1 不同C/N处理对原料发酵过程中产气量的影响
由图2可以看出,不同的C/N处理对产气情况产生明显的影响,各处理间累积产气量的大小顺序为: N1>N2>N3>N4>N0,可以看出,在本试验条件下C/N值为27.0的处理产气量较多,随着C/N值的降低,产气量逐步下降,而C/N值为35.2的处理累积产气量最低。
从试验中日产气情况(图3)来看,试验期内沼气的产气基本都有一个相对稳定的产气时间段;在此之前产气由零逐渐过渡到较高值;而产气稳定期之后产气又从较高值降低至零。可以明显看出整个的产气周期内日产气量呈现一条抛物线的轨迹。
为寻找本试验条件下最适宜的C/N值,以试验期内累积产气量为纵坐标,以不同的C/N值为横坐标,绘制了不同C/N处理的散点图(见图4)。
通过趋势线得到,试验条件下沼气产气总量与原料C/N值呈现二次曲线方程关系,其方程为:=-4.8341X2+256.07X-1975.7,R2=0.9349。通过方程求解,可知当X=26.5时,Y达到最大值。表明在本试验条件下,当C/N值等于26.5时装置的累积产气量达到最高值,即对于粉碎的干玉米秸秆,在15～16℃温度条件下,当C/N值为26.5时其产气状况较好,这与试验结果基本一致。
图4 不同C/N处理的散点图
2.2 不同C/N处理对原料产气特征的影响
为更好地分析试验中各处理的产气特征,将装置的开始产气时间、试验期产气天数、试验期产气总量、日均产气量、日最高产气量、稳定产气周期、稳定产气周期内累积产气量、稳定产气周期内日均产气量等指标做了详细对比,结果见表2。
开始产气天数是指装置从试验布置完毕至装置开始产生沼气之间的天数。试验中各处理间开始产气时间的长短顺序为: N4>N3>N2>N1>N0,时间越长表明产气越慢,可以看出在试验中随着C/N值的降低,开始产气时间越长。据理论预测,随着C/N值的降低,含氮量相应增加,应该能促进厌氧发酵,较快产生沼气,但本试验却得到相反的结论。究其原因可能是因为在温度较低的条件下粗纤维等碳源转化为小分子糖的速度较慢,厌氧微生物的活性也相对较低,从而对氮源的需求不是很旺盛,又加上尿液中氨水对菌群的毒害,从而表现出这种现象。这仅是初步的分析,尚需更具体的研究进行验证。
试验期产气天数是试验期内装置产气的天数,表征的是试验中产气时间的长短。处理间产气天数的多少顺序为:N1>N0=N2>N4>N3。厌氧发酵中原料的C/N值有一个比较适宜的位点,一般认为25～30比较好,较高或较低都影响到厌氧发酵的效果,从试验结果可以看出,C/N值为27.0处理的试验期产气天数最多,其次为C/N值35.2和25.0的处理,而C/N值为22.3和18.2处理的产气天数最少。这与前人的研究结论相符合。
日最高产气量有利于表述原料的产气潜力,反映较好条件下可以达到的效果。而日均产气量是沼气利用、管理设计及辅助设施配备所要考虑的基础数据,因而对于实际生产运营具有积极意义。试验中各处理间日均产气量的高低顺序为:N3>N2>N1>N4>N0,可以看出尽管从累积产气量来看N1处理最好,但从日均产气量来看,C/N值为22.3的N3处理显然更具优势。本分析旨在提醒沼气工程设计者,在沼气柜机用气设计时不要忽视日均产气量这一指标,它与原料的C/N、组成物、气温变化等有关。
为了更好地分析沼气产气过程细节,将整个产气周期中容积产气率大于等于0.2的时间段定义为稳定产气周期,这有利于剔除装置病态产气的时间段,从而更客观地分析装置的产气特征。试验中,C/N值为25.0的N2处理的稳定产气周期最长,其它处理间的差异不大;各处理间稳定产气周期内日均产气量的高低顺序为:N1>N3>N2>N0>N4。
表2不同处理试验期产气特征情况
项目N0N1N2N3N4
开始产气时间(d)5791012
试验期产气天数(d)1820181516
试验期产气总量(ml)10381475138912681111
日均产气量(ml)57.6773.7577.1784.5369.44
日最高产气量(ml)132175152208152
稳定产气周期(d)1113151312
稳定产气周期累积产气量(ml)875.01446.81418.51241.01033.0
稳定产气周期日均产气量(ml)87.5111.394.695.586.1
2.3 不同C/N处理对原料碳转化效率的影响
原料的碳转化效率是指试验前后原料有机碳的转化比例,本试验是通过试验前后装置内的总碳量的减少百分比来计算的。由图5可以看出,各处理间碳转化率的高低顺序为:N1>N2>N3>N4>N0,可见秸秆原料如果不做碳氮比调节(N0处理)其碳转化效率较低,与之相比,N1、N2、N3和N4处理的碳转化效率分别提高了41.06%、36.19%、22.00%和7.01%。用人粪尿对粉碎秸秆处理后,尽管有些处理的碳氮比严重偏离了适宜范围(25%～30%),但其碳转化效率还是有所提高。
图5 试验期内原料碳转化率随原料 碳氮比的变化情况
在所有处理中,碳氮比值为27.0的N1处理的碳转化效率最高,表明适宜的碳氮比有助于秸秆原料碳转化效率的提高。因此在现有的活用沼气池中,玉米秸秆原料与人粪尿相结合可以得到更为理想的厌氧发酵效果。
3 小结
3.1 为了分析不同碳氮比调节对玉米秸秆产气特征的影响,试验通过小型模拟发酵装置在较低温度下进行了验证。试验发现,当碳氮比为27.0时沼气的累积产气量达到最高值;而随着碳氮比的降低,开始产气时间延迟且产气时间缩短,累积产气量也降低,并且碳转化效率也有所下降。
3.2 试验时在原料中添加了少量NaOH,并加入了较多的活性沼液,这对于保障原料的厌氧消化起到了较好的效果[4];同时尽管对试验原料进行了严格的控制,但重复间的差异依然较大,这表明在较为接近的试验条件下,微生物的发酵过程也难以保障其再现性,这一现象值得进一步研究。
试验再次证明适宜的碳氮比调节可以显著改善秸秆原料的厌氧发酵过程[5],并显著改善其产气特征。
参 考 文 献:
[1] 寇建平.中国沼气的产业化问题[A].2008国际沼气学术研讨会论文集[C].2008,1-4.
[2] 任东明.我国能源形势及生物质能源产业发展相关政策解析[A].北京:新能源产业讲解暨生物质能技术研讨会论文集[C].2007,25-31.
[3] 周孟津、张榕林、蔺金印.沼气实用技术[M]. 北京:化学工业出版社,2003,8-54.
[4] 孙丽丽,符征鸽.玉米秸麦秸中高温沼气发酵产气潜力及特性的研究[ J ]. 中国沼气, 2008,26 (6):13-16.
[5] 陈 斯,熊承永.再谈秸秆沼气发酵的碳氮比[J].中国沼气,2009,27(2):38-39.
关键词:C/N值;玉米秸秆;沼气产量;碳转化率
中图分类号:TQ221.1+1文献标识号:A文章编号:1001-4942(2010)01-0067-04
Effect of C/N Adjustment of Corn Stalk on Methane Production
ZHANG Chang-ai1,LIU Ying1,HUANG Meng2,YUAN Chang-bo1,WANG Yan-qin1
(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
近几十年来,世界能源形势发生了巨大的变化,能源消费量增长迅猛,形势日渐严峻,这引起了我国政府的高度重视,并积极投入大量的人力物力加快生物质能的研究与开发利用。其中沼气的发展较为迅速,据统计,截至2007年底,我国已建成的户用沼气池总数超过2 650万个[1],户用沼气池在农村的推广已呈燎原之势并有巨大的发展潜力。“十一五”期间,到2010年沼气的产量要求达到190×108 m3,到2020年达到400×108 m3[2]。要达到这一目标不仅要继续加大沼气池的建设和普及力度,也必须提高生物质原料的产气效率。目前我国沼气的原料产气率较低,用提高菌群活力及改善原料配比的方法来提高产气效率具有一定的效果。本试验以玉米秸秆原料为试材,研究了不同碳氮比条件对沼气产气状况的影响,从而为沼气原料产气率的提高提供参考。
1 材料与方法
玉米秸秆剁碎后在干燥箱中烘干,并用秸秆样品粉碎机磨碎(<1mm),尿液直接用桶收集,沼液作为启动液,从沼气池出料间灌取,然后分别取样化验所需项目。所用试验材料的基本性状如下:玉米秸秆的全氮含量1.11%,全磷含量4.46%,全钾含量9.03%,有机质含量69.63%,有机碳45.39%,粗纤维含量43.74%,粗蛋白含量0.94%,C/N值为40.89; 尿液氮含量0.91%,全碳含量0.015%;原料启动液全氮含量0.09%,全碳含量0.24%。试验设5个处理,重复3次,试验处理情况见表1。
表1试验处理方案
处理代号C/N处理组成成分秸秆(g)尿液(ml)启动液(ml)清水(ml)
N035.2600130670
N127.06025130645
N225.06035130635
N322.36050130620
N418.26080130590
先将粉碎好的秸秆装入1 000 ml的烧瓶中,并加入NaOH 3.6 g(占秸秆质量的6%),然后分别按表1所列加入尿液、清水、启动液,密闭放在恒温室内,温度控制在15～16℃,利用排水法收集产生的气体,记录产气状况,停止产气后取料液分析指标。试验用模拟发酵装置如图1所示[3]。
1-发酵瓶;2-进料取样管;3-排气截止阀;
4-导气管;5-集气容器;6-水桶
图1 试验用模拟发酵装置示意图
图2 不同C/N处理对装置累积产气量的影响
图3 不同C/N处理对装置日产气量的影响
2 结果与分析
2.1 不同C/N处理对原料发酵过程中产气量的影响
由图2可以看出,不同的C/N处理对产气情况产生明显的影响,各处理间累积产气量的大小顺序为: N1>N2>N3>N4>N0,可以看出,在本试验条件下C/N值为27.0的处理产气量较多,随着C/N值的降低,产气量逐步下降,而C/N值为35.2的处理累积产气量最低。
从试验中日产气情况(图3)来看,试验期内沼气的产气基本都有一个相对稳定的产气时间段;在此之前产气由零逐渐过渡到较高值;而产气稳定期之后产气又从较高值降低至零。可以明显看出整个的产气周期内日产气量呈现一条抛物线的轨迹。
为寻找本试验条件下最适宜的C/N值,以试验期内累积产气量为纵坐标,以不同的C/N值为横坐标,绘制了不同C/N处理的散点图(见图4)。
通过趋势线得到,试验条件下沼气产气总量与原料C/N值呈现二次曲线方程关系,其方程为:=-4.8341X2+256.07X-1975.7,R2=0.9349。通过方程求解,可知当X=26.5时,Y达到最大值。表明在本试验条件下,当C/N值等于26.5时装置的累积产气量达到最高值,即对于粉碎的干玉米秸秆,在15～16℃温度条件下,当C/N值为26.5时其产气状况较好,这与试验结果基本一致。
图4 不同C/N处理的散点图
2.2 不同C/N处理对原料产气特征的影响
为更好地分析试验中各处理的产气特征,将装置的开始产气时间、试验期产气天数、试验期产气总量、日均产气量、日最高产气量、稳定产气周期、稳定产气周期内累积产气量、稳定产气周期内日均产气量等指标做了详细对比,结果见表2。
开始产气天数是指装置从试验布置完毕至装置开始产生沼气之间的天数。试验中各处理间开始产气时间的长短顺序为: N4>N3>N2>N1>N0,时间越长表明产气越慢,可以看出在试验中随着C/N值的降低,开始产气时间越长。据理论预测,随着C/N值的降低,含氮量相应增加,应该能促进厌氧发酵,较快产生沼气,但本试验却得到相反的结论。究其原因可能是因为在温度较低的条件下粗纤维等碳源转化为小分子糖的速度较慢,厌氧微生物的活性也相对较低,从而对氮源的需求不是很旺盛,又加上尿液中氨水对菌群的毒害,从而表现出这种现象。这仅是初步的分析,尚需更具体的研究进行验证。
试验期产气天数是试验期内装置产气的天数,表征的是试验中产气时间的长短。处理间产气天数的多少顺序为:N1>N0=N2>N4>N3。厌氧发酵中原料的C/N值有一个比较适宜的位点,一般认为25～30比较好,较高或较低都影响到厌氧发酵的效果,从试验结果可以看出,C/N值为27.0处理的试验期产气天数最多,其次为C/N值35.2和25.0的处理,而C/N值为22.3和18.2处理的产气天数最少。这与前人的研究结论相符合。
日最高产气量有利于表述原料的产气潜力,反映较好条件下可以达到的效果。而日均产气量是沼气利用、管理设计及辅助设施配备所要考虑的基础数据,因而对于实际生产运营具有积极意义。试验中各处理间日均产气量的高低顺序为:N3>N2>N1>N4>N0,可以看出尽管从累积产气量来看N1处理最好,但从日均产气量来看,C/N值为22.3的N3处理显然更具优势。本分析旨在提醒沼气工程设计者,在沼气柜机用气设计时不要忽视日均产气量这一指标,它与原料的C/N、组成物、气温变化等有关。
为了更好地分析沼气产气过程细节,将整个产气周期中容积产气率大于等于0.2的时间段定义为稳定产气周期,这有利于剔除装置病态产气的时间段,从而更客观地分析装置的产气特征。试验中,C/N值为25.0的N2处理的稳定产气周期最长,其它处理间的差异不大;各处理间稳定产气周期内日均产气量的高低顺序为:N1>N3>N2>N0>N4。
表2不同处理试验期产气特征情况
项目N0N1N2N3N4
开始产气时间(d)5791012
试验期产气天数(d)1820181516
试验期产气总量(ml)10381475138912681111
日均产气量(ml)57.6773.7577.1784.5369.44
日最高产气量(ml)132175152208152
稳定产气周期(d)1113151312
稳定产气周期累积产气量(ml)875.01446.81418.51241.01033.0
稳定产气周期日均产气量(ml)87.5111.394.695.586.1
2.3 不同C/N处理对原料碳转化效率的影响
原料的碳转化效率是指试验前后原料有机碳的转化比例,本试验是通过试验前后装置内的总碳量的减少百分比来计算的。由图5可以看出,各处理间碳转化率的高低顺序为:N1>N2>N3>N4>N0,可见秸秆原料如果不做碳氮比调节(N0处理)其碳转化效率较低,与之相比,N1、N2、N3和N4处理的碳转化效率分别提高了41.06%、36.19%、22.00%和7.01%。用人粪尿对粉碎秸秆处理后,尽管有些处理的碳氮比严重偏离了适宜范围(25%～30%),但其碳转化效率还是有所提高。
图5 试验期内原料碳转化率随原料 碳氮比的变化情况
在所有处理中,碳氮比值为27.0的N1处理的碳转化效率最高,表明适宜的碳氮比有助于秸秆原料碳转化效率的提高。因此在现有的活用沼气池中,玉米秸秆原料与人粪尿相结合可以得到更为理想的厌氧发酵效果。
3 小结
3.1 为了分析不同碳氮比调节对玉米秸秆产气特征的影响,试验通过小型模拟发酵装置在较低温度下进行了验证。试验发现,当碳氮比为27.0时沼气的累积产气量达到最高值;而随着碳氮比的降低,开始产气时间延迟且产气时间缩短,累积产气量也降低,并且碳转化效率也有所下降。
3.2 试验时在原料中添加了少量NaOH,并加入了较多的活性沼液,这对于保障原料的厌氧消化起到了较好的效果[4];同时尽管对试验原料进行了严格的控制,但重复间的差异依然较大,这表明在较为接近的试验条件下,微生物的发酵过程也难以保障其再现性,这一现象值得进一步研究。
试验再次证明适宜的碳氮比调节可以显著改善秸秆原料的厌氧发酵过程[5],并显著改善其产气特征。
参 考 文 献:
[1] 寇建平.中国沼气的产业化问题[A].2008国际沼气学术研讨会论文集[C].2008,1-4.
[2] 任东明.我国能源形势及生物质能源产业发展相关政策解析[A].北京:新能源产业讲解暨生物质能技术研讨会论文集[C].2007,25-31.
[3] 周孟津、张榕林、蔺金印.沼气实用技术[M]. 北京:化学工业出版社,2003,8-54.
[4] 孙丽丽,符征鸽.玉米秸麦秸中高温沼气发酵产气潜力及特性的研究[ J ]. 中国沼气, 2008,26 (6):13-16.
[5] 陈 斯,熊承永.再谈秸秆沼气发酵的碳氮比[J].中国沼气,2009,27(2):38-39.