沼渣物理特性及沼渣纖維化學(xué)成分測(cè)定與分析_圖文

1、第26卷第7期農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)V ol.26 No.72010年7月Transactions of the CSAE Jul. 2010 277 沼渣物理特性及沼渣纖維化學(xué)成分測(cè)定與分析劉麗雪,陳海濤,韓永俊(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院,哈爾濱 150030摘 要:以反芻動(dòng)物糞便厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣剩余物沼渣為研究對(duì)象,采用振動(dòng)篩分分組、統(tǒng)計(jì)分析、圖像處理和Fibertec 2010&M6纖維分析系統(tǒng)分析等方法,對(duì)沼渣的物理成分及沼渣纖維化學(xué)成分進(jìn)行了測(cè)定分析。研究結(jié)果表明,沼渣主要由質(zhì)量分?jǐn)?shù)為64%的纖維、35%的非礦物質(zhì)和1%的礦物質(zhì)組成;沼渣纖維中纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、灰分及其它各成分的質(zhì)

2、量分?jǐn)?shù)分別為44.8%、21.9%、15.6%和17.7%。從而得出結(jié)論:反芻動(dòng)物糞便厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣后的沼渣中纖維素含量較水稻、小麥和玉米等作物秸稈的高5%以上,半纖維素含量較水稻、小麥和玉米等農(nóng)作物秸稈低5%。研究結(jié)果為沼渣資源化、高值化利用技術(shù)研究奠定了基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞:物理性質(zhì),化學(xué)性質(zhì),纖維,沼渣doi:10.3969/j.issn.1002-6819.2010.07.049中圖分類(lèi)號(hào):S216.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1002-6819(2010-07-0277-04劉麗雪,陳海濤,韓永俊. 沼渣物理特性及沼渣纖維化學(xué)成分測(cè)定與分析J. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2010,26(7:277-

3、280.Liu Lixue, Chen Haitao, Han Yongjun. Determination and analysis of physical characteristics and fiber chemical composition of biogas residueJ. Transactions of the CSAE, 2010, 26(7: 277-280. (in Chinese with English abstract0 引 言近年來(lái),中國(guó)沼氣在技術(shù)水平和規(guī)模上取得了舉世矚目的成就。據(jù)統(tǒng)計(jì),截至2006年底,中國(guó)已建成的戶用沼氣總數(shù)已超過(guò)2 200多萬(wàn)個(gè)。“十一

4、五”期間,到2010年,農(nóng)村戶用沼氣的發(fā)展規(guī)模達(dá)到4 000萬(wàn)戶,沼氣的產(chǎn)量達(dá)到190億m3,到2020年,要求在農(nóng)村適宜地區(qū)基本普及農(nóng)村沼氣的目標(biāo),沼氣的產(chǎn)量要求達(dá)到400億m31-3。隨著沼氣工程的迅猛發(fā)展,沼氣發(fā)酵后的殘余物資源也越來(lái)越豐富,其主要由沼液和沼渣兩部分組成,沼渣懸浮于沼液中4-6。沼渣是由部分未分解的原料和新生的微生物菌體組成,分為3部分:一是有機(jī)質(zhì)、腐殖酸,對(duì)改良土壤起著重要作用;二是氮、磷、鉀等元素,滿足作物生長(zhǎng)需要;三是未腐熟原料,施入農(nóng)田繼續(xù)發(fā)酵,釋放肥分。目前,其用途僅限于用作肥料,配制培養(yǎng)土和制作營(yíng)養(yǎng)料7-11。由于反芻動(dòng)物主要以粗飼料為食,如稻草、麥稈、玉米秸

5、稈等,秸稈纖維的轉(zhuǎn)化率并不高,造成這一現(xiàn)象的原因主要是20%70%的纖維不能被反芻動(dòng)物的瘤胃細(xì)菌所降解,致使利用反芻動(dòng)物糞便發(fā)酵而制得的沼氣殘?jiān)泻写罅康哪举|(zhì)纖維素,目前其綜合利用技術(shù)倍受關(guān)注12-13。收稿日期:2009-10-19 修訂日期:2010-03-26基金項(xiàng)目:黑龍江省博士后基金(LBH-Z06160;黑龍江省科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(GA09B501;哈爾濱市科技創(chuàng)新人才研究專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目(2006RFLXN002作者簡(jiǎn)介:劉麗雪(1983-,女,黑龍江人,中國(guó)農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)會(huì)員(E040000303A,生物質(zhì)轉(zhuǎn)化與利用工程。哈爾濱東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院,150030。Email:liul

6、ixue2007通信作者:陳海濤(1962-,男,黑龍江人,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事生物質(zhì)材料和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備方面的研究。哈爾濱東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院,150030。Email:haitao1963本文以反芻動(dòng)物發(fā)酵生產(chǎn)沼氣后的剩余物中提取的殘?jiān)鼮檠芯繉?duì)象,對(duì)其物理特性和沼渣纖維化學(xué)成分進(jìn)行分析,得知沼渣纖維含有大量木質(zhì)纖維素,這些木質(zhì)纖維素經(jīng)高效轉(zhuǎn)化可用來(lái)制漿造紙、發(fā)酵生產(chǎn)乙醇、氣化發(fā)酵制乙醇、生產(chǎn)板材等,為沼渣資源高值化利用技術(shù)研究提供參考依據(jù)。1 沼渣物理成分測(cè)定試驗(yàn)1.1 材料與儀器試驗(yàn)材料:以玉米秸稈為飼料的牛糞便厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣后的沼渣。試驗(yàn)儀器:FB-1型分析篩,SS7振擺式篩分機(jī)

7、,深圳市衡興通電子儀器有限公司生產(chǎn)的Motic SMZ-168-TL型光學(xué)照相顯微鏡,Motic Images Plus軟件等。1.2 方法1.2.1 試驗(yàn)樣本制備將牛糞便厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣后的剩余物清洗、干燥得沼渣原料,隨機(jī)選取7 500 g,平均分成10個(gè)樣本。采用目數(shù)分別為0.25、0.5、1、2、5 mm的篩子,將沼渣原料篩分為<0.25、0.25<0.5、0.5<1、1<2、25和>5 mm 6個(gè)組分,每個(gè)樣本篩分時(shí)間為20 min,取篩分后10個(gè)樣本的平均值為試驗(yàn)結(jié)果。1.2.2 礦物質(zhì)測(cè)定篩分后,用火焰法得到各組分中礦物質(zhì)的含量,取10個(gè)樣本平均值為測(cè)

8、試結(jié)果。1.2.3 沼渣纖維形態(tài)測(cè)定取不同組分的沼渣纖維樣本,采用MoticSMZ-168- TL型光學(xué)照相顯微鏡,選定合適的物鏡、目鏡,調(diào)節(jié)目鏡至觀測(cè)最清晰狀態(tài),對(duì)所選樣本拍照,每個(gè)組分隨機(jī)拍照10張,將所得照片輸入計(jì)算機(jī)中,通過(guò)Motic Images278 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2010年P(guān)lus 軟件直接測(cè)量出纖維的長(zhǎng)度與寬度。本次試驗(yàn)Motic Images Plus 軟件設(shè)定測(cè)量單位為mm ,精確到0.001 mm 。在每組分照片中隨機(jī)量取10根纖維的長(zhǎng)度和寬度,得到50組纖維長(zhǎng)、寬測(cè)量結(jié)果。 1.2.4 纖維評(píng)價(jià)指標(biāo)由于纖維成分及結(jié)構(gòu)的多樣性,用途不同評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及方法也多種多樣。本研究參考

9、制漿造紙理論選取長(zhǎng)寬比作為沼渣纖維質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo),依據(jù)“造紙纖維長(zhǎng)度測(cè)定法”(GB10336-1989,數(shù)量平均纖維的長(zhǎng)(寬度由式(1計(jì)算。i Ni i LL N = (1式中:L Ni 第i 組數(shù)量平均纖維長(zhǎng)(寬度,mm ,i 為組數(shù),i = 1,2n ;L i 第i 組纖維的總長(zhǎng)(寬度,mm ;N i 第i 組纖維的總根數(shù)。求出數(shù)量平均纖維長(zhǎng)和數(shù)量平均纖維寬,即可得出各組分纖維的長(zhǎng)寬比14。2 沼渣纖維化學(xué)成分測(cè)定2.1 材料及儀器材料及助劑:經(jīng) 1.0 mm 的篩網(wǎng)篩下的沼渣纖維約 1.5 g ,硅藻土,亞硫酸鈉,中性洗滌溶液(NDS ,正辛醇,酸性洗滌溶液(ADS 和15時(shí)72%硫酸。試

10、驗(yàn)儀器:分析天平(精度0.1 mg ,P2坩堝,真空烘箱 70,干燥器,Fibertec 熱浸提單元,Fibertec 冷浸提單元,加熱板,洗瓶和馬弗爐(525 ± 10等。 2.2 方法本試驗(yàn)采用福斯中國(guó)有限公司生產(chǎn)的Fibertec 2010&M6系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)定分析,按順序依次測(cè)定NDF (中性洗滌纖維、ADF (酸性洗滌纖維和ADL (酸性洗滌木質(zhì)素,各種成分分別按公式(2(4計(jì)算15-18。NDF =(W 2-W 3+ C /W 1 (2式中:NDF 中性洗滌纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù),%;W 1樣品質(zhì)量,g ;W 2干燥后坩堝和殘留物質(zhì)量,g ;W 3灰化后坩堝和灰分質(zhì)量,g ;C

11、 空白校正,g 。下同。ADF =(W 2-W 3+ C /W 1 (3式中ADF 酸性洗滌纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù),%。ADL =(W 2-W 3+ C /W 1 (4式中ADL 酸性洗滌木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù),%。因?yàn)镹DF (中性洗滌纖維中包含纖維素、半纖維素和木質(zhì)素3種物質(zhì),ADF (酸性洗滌纖維中只包含纖維素和木質(zhì)素,ADL (酸性洗滌木質(zhì)素中只有木質(zhì)素,所以根據(jù)公式(5(7即可計(jì)算出沼渣纖維中纖維素、半纖維和木質(zhì)素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。a = ADF -ADL (5式中a 纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù),%。b =NDF -ADF (6式中b 半纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù),%。c = ADL (7式中c 木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù),%。3 結(jié)果與分析

12、3.1 沼渣物理特性 3.1.1 沼渣物理成分沼渣物理成分測(cè)定與計(jì)算結(jié)果如表1所示。表1 沼渣物理成分及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 1 Physical compositions and their mass percentages ofbiogas residue成分 質(zhì)量/ g質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%纖維477 64 非礦物質(zhì)雜質(zhì) 265 35 礦物質(zhì)8 1由表1可知,沼渣主要由3部分構(gòu)成,纖維比例最大,礦物質(zhì)比例最小。在非礦物質(zhì)雜質(zhì)中主要有塑料、毛發(fā)和草籽等。3.1.2 各組分沼渣纖維及礦物質(zhì)含量各組分纖維和礦物質(zhì)含量測(cè)定及計(jì)算結(jié)果如表2所示。表2 各組分纖維和礦物質(zhì)含量及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 2 Fib

13、er and minerals content ,and their mass percentages ofeach group組分/mm 纖維質(zhì)量/g礦物質(zhì)質(zhì)量/ g 纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)/ % 礦物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%0.25<0.5158 0.8 21.1 0.11 0.5<1124 5 16.5 0.67 1<2 59 1.3 7.9 0.17 25 126 0.7 16.8 0.09 >5 10 0.2 1.4 0.03 總量477 8 641由表2可知,纖維中0.25<0.5 mm 組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大,>5 mm 組分的最小;0.5<1 mm 組分礦物質(zhì)質(zhì)

14、量分?jǐn)?shù)最高,>5 mm 組分的最小。 3.1.3 纖維形態(tài)每個(gè)組分纖維形態(tài)照片如圖1所示。 a. 0.25<0.5 mm (目鏡10X ,物鏡2X b. 0.5<1 mm (目鏡10X ,物鏡為1X c. 1<2 mm (目鏡為10X ,物鏡為1X 第7期劉麗雪等:沼渣物理特性及沼渣纖維化學(xué)成分測(cè)定與分析 279 d. 25 mm(目鏡10X,物鏡為1Xe. >5 mm (目鏡為10X,物鏡為1X圖1 在顯微鏡不同放大倍數(shù)下各組分纖維形態(tài)Fig.1 Each component fiber morphology of the different amplifica

15、tion under microscope3.1.4 纖維長(zhǎng)寬比通過(guò)Motic Images Plus軟件測(cè)量分析,各組分纖維長(zhǎng)寬比結(jié)果如表3所示。由表3可知,平均纖維長(zhǎng)的分布范圍為0.524.80 mm, 0.25<0.5 mm組分的最小,>5 mm組分的最大;平均纖維寬的分布范圍為0.030.26 mm,0.25<0.5 mm組分的最小,0.5<1 mm組分的最大;平均長(zhǎng)寬比的分布范圍為3.9232.14,0.5<1 mm組分的最小,>5 mm 組分的最大,可知沼渣纖維長(zhǎng)寬比離散度較大,雖然平均長(zhǎng)寬比的分布范圍與秸稈纖維相比略小一些,但也說(shuō)明其具有一定的

16、應(yīng)用價(jià)值。表3 纖維長(zhǎng)寬比測(cè)定結(jié)果Table 3 Determination results of the fiber length to width ratio組分/mm 平均纖維長(zhǎng)/mm纖維長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)差纖維長(zhǎng)分布范圍/mm平均纖維寬/mm纖維寬標(biāo)準(zhǔn)差纖維寬分布范圍/mm平均長(zhǎng)寬比長(zhǎng)寬比標(biāo)準(zhǔn)差長(zhǎng)寬比分布范圍0.25<0.5 0.718 0.0990 0.520.92 0.060 0.0162 0.030.09 11.875 3.9790 3.9219.830.5<1 1.940 0.1254 1.692.19 0.164 0.0432 0.080.25 11.845 1.6714 8

17、.5015.191<2 1.853 0.0873 1.682.03 0.142 0.0571 0.030.26 13.086 2.1457 8.7917.38 25 2.493 0.3461 1.803.19 0.140 0.0345 0.070.21 17.726 4.2136 9.3026.15 >5 3.491 0.6534 2.184.80 0.157 0.0318 0.090.22 22.174 4.9820 12.2132.14 注:分布范圍按照2x±估算。3.2 沼渣纖維化學(xué)成分根據(jù)公式(2(4計(jì)算得出:NDF(中性洗滌纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為82.3%,ADF(酸性

18、洗滌纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60.4%,ADL(酸性洗滌木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15.6%。根據(jù)公式(5(7計(jì)算出沼渣纖維中纖維素、半纖維和木質(zhì)素的質(zhì)量分?jǐn)?shù),如圖2所示。 圖2 沼渣纖維化學(xué)成分Fig.2 Chemical compositions of biogas residue fiber根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果19-20,將稻草、麥草和玉米稈中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與沼渣纖維對(duì)比,如表4所示。對(duì)比分析可知,經(jīng)過(guò)厭氧發(fā)酵后的沼渣纖維中纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)較水稻、小麥和玉米等農(nóng)作物秸稈高5%以上,同時(shí)半纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)較水稻、小麥和玉米等農(nóng)作物秸稈低5%,木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本未變。這一結(jié)果表明,厭氧發(fā)酵對(duì)纖維成分

19、中的木質(zhì)素沒(méi)有影響,而使得半纖維素相對(duì)含量減少,纖維素相對(duì)含量增加,這對(duì)于沼渣纖維的資源化利用是有積極意義的。表4 生物質(zhì)的化學(xué)組成Table 4 Chemical composition of biomass種類(lèi)纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%半纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%稻草36.5 27.7 12.3 13.3 麥草38.6 32.6 14.1 5.9 玉米稈38.5 28.0 15.0 4.2 沼渣纖維44.8 21.9 15.6 17.74 結(jié) 論通過(guò)對(duì)沼渣物理特性及沼渣纖維化學(xué)成分的測(cè)定研究,可以得出以下結(jié)論:1沼渣物理成分中含纖維64%、非礦物質(zhì)雜質(zhì)35%、礦物質(zhì)1%;

20、其纖維長(zhǎng)寬比分布范圍為3.9232.14,離散度較大。2沼渣纖維化學(xué)成分中含纖維素44.8%、半纖維素21.9%、木質(zhì)素15.6%、灰分及其他雜質(zhì)17.7%。反芻動(dòng)物糞便厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣后的沼渣中纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)較水稻、小麥和玉米等作物秸稈的高5%以上,半纖維素質(zhì)280 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2010年量分?jǐn)?shù)較水稻、小麥和玉米等農(nóng)作物秸稈低5%。參 考 文 獻(xiàn)1 吳淑杭,姜震方,俞清英.禽畜糞便污染現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)J.上海農(nóng)業(yè)科技,2002,(1:9-10.2 2008年中國(guó)沼氣市場(chǎng)研究報(bào)告EB/OL.http:/www. 3 李景明.我國(guó)農(nóng)村沼氣建設(shè)現(xiàn)狀與發(fā)展前景EB/OL. 2008-10-04. 4

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22、3,(4:36-38.Lin Jianfeng. Apptication technique for biogas fermentingproductJ. Renewable energy, 2003, (4: 36-38. (in Chinesewith English abstract7 趙麗,周林愛(ài),邱江平.沼渣基質(zhì)理化性質(zhì)及對(duì)無(wú)公害蔬菜營(yíng)養(yǎng)成分的影響J.浙江農(nóng)業(yè)科學(xué),2005,(2:103-105.8 Gupta R K, Sharma V R, Shrma K N. Increase the yield ofpaddy and wheat with the application o

23、f biogas slurryJ.Progressive Farming, 2002, 39(10: 22-24.9 王金花.沼氣發(fā)酵生態(tài)系統(tǒng)與殘留物綜合利用技術(shù)研究D.北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué),2005.Wang Jinhua. Research on the Biogas Fermentation Ecosystem and the Comprehensive Utilization of BiogasResidueD. Beijing: Thesis for Master Degree Submitted toChina Agricultural University, 2005. (in C

24、hinese with Englishabstract10 謝濤.農(nóng)村沼氣發(fā)酵及其殘余物的主要化學(xué)成分評(píng)價(jià)D.重慶:西南大學(xué),2007.Xie Tao. Biogas Fermentation in Rural and Primary chemicalcomponent evaluate of the Residual ProductD. Chongqing:Southwest University, 2007. (in Chinese with English abstract11 許式文,金良釗.沼氣發(fā)酵殘留物的肥料效果研究J.土壤肥料,1989,(1:17-19.12 楊金樓,計(jì)中孚.上

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27、料中酸性洗滌木質(zhì)素(ADL的測(cè)定N.FOSS應(yīng)用簡(jiǎn)報(bào),2005-08-31.19 高振華,邸明偉.生物質(zhì)材料及應(yīng)用M.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008:273-281.20 陳洪章.生物質(zhì)科學(xué)與工程M.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008:89-132.Determination and analysis of physical characteristics and fiber chemicalcomposition of biogas residueLiu Lixue , Chen Haitao, Han Yongjun(College of Engineering, Northeast Agriculture University, Harbin 150030, ChinaAbstract: Selecting biogas residue of ruminant feces anaerobic fermentation as the research object, physical composition and fiber chemical composition were determined and analyzed by the meth