秸稈原料C/N比調節對沼氣產氣狀況的影響

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氣狀況的影響。結果表明，碳氮比值為27.0的N1處理，累積產氣量、穩定產氣周期內的日平均產氣量及碳轉化效率等指標均達到最大值;隨著碳氮比的降低，產氣開始時間延遲且產氣周期縮短，累積產氣量也降低，并且碳轉化效率也有所下降。

關鍵詞:C/N值;玉米秸稈;沼氣產量;碳轉化率

中圖分類號:TQ221.1+1文獻標識號: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，世界能源形勢發生了巨大的變化，能源消費量增長迅猛，形勢日漸嚴峻，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能的研究與開發利用。其中沼氣的發展較為迅速，據統計，截至2007年底，我國已建成的戶用沼氣池總數超過2 650萬個[1]，戶用沼氣池在農村的推廣已呈燎原之勢并有巨大的發展潛力。“十一五”期間，到2010年沼氣的產量要求達到190×108 m3，到2020年達到400×108 m3[2]。要達到這一目標不僅要繼續加大沼氣池的建設和普及力度，也必須提高生物質原料的產氣效率。目前我國沼氣的原料產氣率較低，用提高菌群活力及改善原料配比的方法來提高產氣效率具有一定的效果。本試驗以玉米秸稈原料為試材，研究了不同碳氮比條件對沼氣產氣狀況的影響，從而為沼氣原料產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，然后分別取樣化驗所需項目。所用試驗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%，有機質含量69.63%，有機碳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%。試驗設5個處理，重復3次，試驗處理情況見表1。

表1試驗處理方案

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，溫度控制在15～16℃，利用排水法收集產生的氣體，記錄產氣狀況，停止產氣后取料液分析指標。試驗用模擬發酵裝置如圖1所示[3]。

1-發酵瓶;2-進料取樣管;3-排氣截止閥;

4-導氣管;5-集氣容器;6-水桶

圖1 試驗用模擬發酵裝置示意圖

圖2 不同C/N處理對裝置累積產氣量的影響

圖3 不同C/N處理對裝置日產氣量的影響

2 結果與分析

2.1 不同C/N處理對原料發酵過程中產氣量的影響

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

從試驗中日產氣情況(圖3)來看，試驗期內沼氣的產氣基本都有一個相對穩定的產氣時間段;在此之前產氣由零逐漸過渡到較高值;而產氣穩定期之后產氣又從較高值降低至零。可以明顯看出整個的產氣周期內日產氣量呈現一條拋物線的軌跡。

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

通過趨勢線得到，試驗條件下沼氣產氣總量與原料C/N值呈現二次曲線方程關系，其方程為:=-4.8341X2+256.07X-1975.7，R2=0.9349。通過方程求解，可知當X=26.5時，Y達到最大值。表明在本試驗條件下，當C/N值等于26.5時裝置的累積產氣量達到最高值，即對于粉碎的干玉米秸稈，在15～16℃溫度條件下，當C/N值為26.5時其產氣狀況較好，這與試驗結果基本一致。

圖4 不同C/N處理的散點圖

2.2 不同C/N處理對原料產氣特征的影響

為更好地分析試驗中各處理的產氣特征，將裝置的開始產氣時間、試驗期產氣天數、試驗期產氣總量、日均產氣量、日最高產氣量、穩定產氣周期、穩定產氣周期內累積產氣量、穩定產氣周期內日均產氣量等指標做了詳細對比，結果見表2。

開始產氣天數是指裝置從試驗布置完畢至裝置開始產生沼氣之間的天數。試驗中各處理間開始產氣時間的長短順序為: N4>N3>N2>N1>N0，時間越長表明產氣越慢，可以看出在試驗中隨著C/N值的降低，開始產氣時間越長。據理論預測，隨著C/N值的降低，含氮量相應增加，應該能促進厭氧發酵，較快產生沼氣，但本試驗卻得到相反的結論。究其原因可能是因為在溫度較低的條件下粗纖維等碳源轉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，從而表現出這種現象。這僅是初步的分析，尚需更具體的研究進行驗證。

試驗期產氣天數是試驗期內裝置產氣的天數，表征的是試驗中產氣時間的長短。處理間產氣天數的多少順序為:N1>N0=N2>N4>N3。厭氧發酵中原料的C/N值有一個比較適宜的位點，一般認為25～30比較好，較高或較低都影響到厭氧發酵的效果，從試驗結果可以看出，C/N值為27.0處理的試驗期產氣天數最多，其次為C/N值35.2和25.0的處理，而C/N值為22.3和18.2處理的產氣天數最少。這與前人的研究結論相符合。

日最高產氣量有利于表述原料的產氣潛力，反映較好條件下可以達到的效果。而日均產氣量是沼氣利用、管理設計及輔助設施配備所要考慮的基礎數據，因而對于實際生產運營具有積極意義。試驗中各處理間日均產氣量的高低順序為:N3>N2>N1>N4>N0，可以看出盡管從累積產氣量來看N1處理最好，但從日均產氣量來看，C/N值為22.3的N3處理顯然更具優勢。本分析旨在提醒沼氣工程設計者，在沼氣柜機用氣設計時不要忽視日均產氣量這一指標，它與原料的C/N、組成物、氣溫變化等有關。

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

表2不同處理試驗期產氣特征情況

項目N0N1N2N3N4

開始產氣時間(d)5791012

試驗期產氣天數(d)1820181516

試驗期產氣總量(ml)10381475138912681111

日均產氣量(ml)57.6773.7577.1784.5369.44

日最高產氣量(ml)132175152208152

穩定產氣周期(d)1113151312

穩定產氣周期累積產氣量(ml)875.01446.81418.51241.01033.0

穩定產氣周期日均產氣量(ml)87.5111.394.695.586.1

2.3 不同C/N處理對原料碳轉化效率的影響

原料的碳轉化效率是指試驗前后原料有機碳的轉化比例，本試驗是通過試驗前后裝置內的總碳量的減少百分比來計算的。由圖5可以看出，各處理間碳轉化率的高低順序為:N1>N2>N3>N4>N0，可見秸稈原料如果不做碳氮比調節(N0處理)其碳轉化效率較低，與之相比，N1、N2、N3和N4處理的碳轉化效率分別提高了41.06%、36.19%、22.00%和7.01%。用人糞尿對粉碎秸稈處理后，盡管有些處理的碳氮比嚴重偏離了適宜范圍(25%～30%)，但其碳轉化效率還是有所提高。

圖5 試驗期內原料碳轉化率隨原料 碳氮比的變化情況

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

3 小結

3.1 為了分析不同碳氮比調節對玉米秸稈產氣特征的影響，試驗通過小型模擬發酵裝置在較低溫度下進行了驗證。試驗發現，當碳氮比為27.0時沼氣的累積產氣量達到最高值;而隨著碳氮比的降低，開始產氣時間延遲且產氣時間縮短，累積產氣量也降低，并且碳轉化效率也有所下降。

3.2 試驗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];同時盡管對試驗原料進行了嚴格的控制，但重復間的差異依然較大，這表明在較為接近的試驗條件下，微生物的發酵過程也難以保障其再現性，這一現象值得進一步研究。

試驗再次證明適宜的碳氮比調節可以顯著改善秸稈原料的厭氧發酵過程[5]，并顯著改善其產氣特征。

參 考 文 獻:

[1] 寇建平.中國沼氣的產業化問題[A].2008國際沼氣學術研討會論文集[C].2008，1-4.

[2] 任東明.我國能源形勢及生物質能源產業發展相關政策解析[A].北京:新能源產業講解暨生物質能技術研討會論文集[C].2007，25-31.

[3] 周孟津、張榕林、藺金印.沼氣實用技術[M]. 北京:化學工業出版社，2003，8-54.

[4] 孫麗麗，符征鴿.玉米秸麥秸中高溫沼氣發酵產氣潛力及特性的研究[ J ]. 中國沼氣， 2008，26 (6):13-16.

[5] 陳 斯，熊承永.再談秸稈沼氣發酵的碳氮比[J].中國沼氣，2009，27(2):38-39.