沼渣物理特性及沼渣纤维化学成分测定与分析_图文

1、第26卷第7期农业工程学报V ol.26 No.72010年7月Transactions of the CSAE Jul. 2010 277 沼渣物理特性及沼渣纤维化学成分测定与分析刘丽雪,陈海涛,韩永俊(东北农业大学工程学院,哈尔滨 150030摘 要:以反刍动物粪便厌氧发酵生产沼气剩余物沼渣为研究对象,采用振动筛分分组、统计分析、图像处理和Fibertec 2010&M6纤维分析系统分析等方法,对沼渣的物理成分及沼渣纤维化学成分进行了测定分析。研究结果表明,沼渣主要由质量分数为64%的纤维、35%的非矿物质和1%的矿物质组成;沼渣纤维中纤维素、半纤维素、木质素、灰分及其它各成分的质

2、量分数分别为44.8%、21.9%、15.6%和17.7%。从而得出结论:反刍动物粪便厌氧发酵生产沼气后的沼渣中纤维素含量较水稻、小麦和玉米等作物秸秆的高5%以上,半纤维素含量较水稻、小麦和玉米等农作物秸秆低5%。研究结果为沼渣资源化、高值化利用技术研究奠定了基础。关键词:物理性质,化学性质,纤维,沼渣doi:10.3969/j.issn.1002-6819.2010.07.049中图分类号:S216.4 文献标识码:A 文章编号:1002-6819(2010-07-0277-04刘丽雪,陈海涛,韩永俊. 沼渣物理特性及沼渣纤维化学成分测定与分析J. 农业工程学报,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 言近年来,中国沼气在技术水平和规模上取得了举世瞩目的成就。据统计,截至2006年底,中国已建成的户用沼气总数已超过2 200多万个。“十一

4、五”期间,到2010年,农村户用沼气的发展规模达到4 000万户,沼气的产量达到190亿m3,到2020年,要求在农村适宜地区基本普及农村沼气的目标,沼气的产量要求达到400亿m31-3。随着沼气工程的迅猛发展,沼气发酵后的残余物资源也越来越丰富,其主要由沼液和沼渣两部分组成,沼渣悬浮于沼液中4-6。沼渣是由部分未分解的原料和新生的微生物菌体组成,分为3部分:一是有机质、腐殖酸,对改良土壤起着重要作用;二是氮、磷、钾等元素,满足作物生长需要;三是未腐熟原料,施入农田继续发酵,释放肥分。目前,其用途仅限于用作肥料,配制培养土和制作营养料7-11。由于反刍动物主要以粗饲料为食,如稻草、麦秆、玉米秸

5、秆等,秸秆纤维的转化率并不高,造成这一现象的原因主要是20%70%的纤维不能被反刍动物的瘤胃细菌所降解,致使利用反刍动物粪便发酵而制得的沼气残渣中含有大量的木质纤维素,目前其综合利用技术倍受关注12-13。收稿日期:2009-10-19 修订日期:2010-03-26基金项目:黑龙江省博士后基金(LBH-Z06160;黑龙江省科技计划重点项目(GA09B501;哈尔滨市科技创新人才研究专项资金项目(2006RFLXN002作者简介:刘丽雪(1983-,女,黑龙江人,中国农业工程学会会员(E040000303A,生物质转化与利用工程。哈尔滨东北农业大学工程学院,150030。Email:liul

6、ixue2007通信作者:陈海涛(1962-,男,黑龙江人,教授,博士生导师,主要从事生物质材料和现代农业装备方面的研究。哈尔滨东北农业大学工程学院,150030。Email:haitao1963本文以反刍动物发酵生产沼气后的剩余物中提取的残渣为研究对象,对其物理特性和沼渣纤维化学成分进行分析,得知沼渣纤维含有大量木质纤维素,这些木质纤维素经高效转化可用来制浆造纸、发酵生产乙醇、气化发酵制乙醇、生产板材等,为沼渣资源高值化利用技术研究提供参考依据。1 沼渣物理成分测定试验1.1 材料与仪器试验材料:以玉米秸秆为饲料的牛粪便厌氧发酵生产沼气后的沼渣。试验仪器:FB-1型分析筛,SS7振摆式筛分机

7、,深圳市衡兴通电子仪器有限公司生产的Motic SMZ-168-TL型光学照相显微镜,Motic Images Plus软件等。1.2 方法1.2.1 试验样本制备将牛粪便厌氧发酵生产沼气后的剩余物清洗、干燥得沼渣原料,随机选取7 500 g,平均分成10个样本。采用目数分别为0.25、0.5、1、2、5 mm的筛子,将沼渣原料筛分为<0.25、0.25<0.5、0.5<1、1<2、25和>5 mm 6个组分,每个样本筛分时间为20 min,取筛分后10个样本的平均值为试验结果。1.2.2 矿物质测定筛分后,用火焰法得到各组分中矿物质的含量,取10个样本平均值为测

8、试结果。1.2.3 沼渣纤维形态测定取不同组分的沼渣纤维样本,采用MoticSMZ-168- TL型光学照相显微镜,选定合适的物镜、目镜,调节目镜至观测最清晰状态,对所选样本拍照,每个组分随机拍照10张,将所得照片输入计算机中,通过Motic Images278 农业工程学报 2010年Plus 软件直接测量出纤维的长度与宽度。本次试验Motic Images Plus 软件设定测量单位为mm ,精确到0.001 mm 。在每组分照片中随机量取10根纤维的长度和宽度,得到50组纤维长、宽测量结果。 1.2.4 纤维评价指标由于纤维成分及结构的多样性,用途不同评价标准及方法也多种多样。本研究参考

9、制浆造纸理论选取长宽比作为沼渣纤维质量评价指标,依据“造纸纤维长度测定法”(GB10336-1989,数量平均纤维的长(宽度由式(1计算。i Ni i LL N = (1式中:L Ni 第i 组数量平均纤维长(宽度,mm ,i 为组数,i = 1,2n ;L i 第i 组纤维的总长(宽度,mm ;N i 第i 组纤维的总根数。求出数量平均纤维长和数量平均纤维宽,即可得出各组分纤维的长宽比14。2 沼渣纤维化学成分测定2.1 材料及仪器材料及助剂:经 1.0 mm 的筛网筛下的沼渣纤维约 1.5 g ,硅藻土,亚硫酸钠,中性洗涤溶液(NDS ,正辛醇,酸性洗涤溶液(ADS 和15时72%硫酸。试

10、验仪器:分析天平(精度0.1 mg ,P2坩埚,真空烘箱 70,干燥器,Fibertec 热浸提单元,Fibertec 冷浸提单元,加热板,洗瓶和马弗炉(525 ± 10等。 2.2 方法本试验采用福斯中国有限公司生产的Fibertec 2010&M6系统进行测定分析,按顺序依次测定NDF (中性洗涤纤维、ADF (酸性洗涤纤维和ADL (酸性洗涤木质素,各种成分分别按公式(2(4计算15-18。NDF =(W 2-W 3+ C /W 1 (2式中:NDF 中性洗涤纤维质量分数,%;W 1样品质量,g ;W 2干燥后坩埚和残留物质量,g ;W 3灰化后坩埚和灰分质量,g ;C

11、 空白校正,g 。下同。ADF =(W 2-W 3+ C /W 1 (3式中ADF 酸性洗涤纤维质量分数,%。ADL =(W 2-W 3+ C /W 1 (4式中ADL 酸性洗涤木质素质量分数,%。因为NDF (中性洗涤纤维中包含纤维素、半纤维素和木质素3种物质,ADF (酸性洗涤纤维中只包含纤维素和木质素,ADL (酸性洗涤木质素中只有木质素,所以根据公式(5(7即可计算出沼渣纤维中纤维素、半纤维和木质素的质量分数。a = ADF -ADL (5式中a 纤维素质量分数,%。b =NDF -ADF (6式中b 半纤维素质量分数,%。c = ADL (7式中c 木质素质量分数,%。3 结果与分析

12、3.1 沼渣物理特性 3.1.1 沼渣物理成分沼渣物理成分测定与计算结果如表1所示。表1 沼渣物理成分及其质量分数Table 1 Physical compositions and their mass percentages ofbiogas residue成分 质量/ g质量分数/%纤维477 64 非矿物质杂质 265 35 矿物质8 1由表1可知,沼渣主要由3部分构成,纤维比例最大,矿物质比例最小。在非矿物质杂质中主要有塑料、毛发和草籽等。3.1.2 各组分沼渣纤维及矿物质含量各组分纤维和矿物质含量测定及计算结果如表2所示。表2 各组分纤维和矿物质含量及其质量分数Table 2 Fib

13、er and minerals content ,and their mass percentages ofeach group组分/mm 纤维质量/g矿物质质量/ g 纤维质量分数/ % 矿物质质量分数/%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 总量477 8 641由表2可知,纤维中0.25<0.5 mm 组分质量分数最大,>5 mm 组分的最小;0.5<1 mm 组分矿物质质

14、量分数最高,>5 mm 组分的最小。 3.1.3 纤维形态每个组分纤维形态照片如图1所示。 a. 0.25<0.5 mm (目镜10X ,物镜2X b. 0.5<1 mm (目镜10X ,物镜为1X c. 1<2 mm (目镜为10X ,物镜为1X 第7期刘丽雪等:沼渣物理特性及沼渣纤维化学成分测定与分析 279 d. 25 mm(目镜10X,物镜为1Xe. >5 mm (目镜为10X,物镜为1X图1 在显微镜不同放大倍数下各组分纤维形态Fig.1 Each component fiber morphology of the different amplifica

15、tion under microscope3.1.4 纤维长宽比通过Motic Images Plus软件测量分析,各组分纤维长宽比结果如表3所示。由表3可知,平均纤维长的分布范围为0.524.80 mm, 0.25<0.5 mm组分的最小,>5 mm组分的最大;平均纤维宽的分布范围为0.030.26 mm,0.25<0.5 mm组分的最小,0.5<1 mm组分的最大;平均长宽比的分布范围为3.9232.14,0.5<1 mm组分的最小,>5 mm 组分的最大,可知沼渣纤维长宽比离散度较大,虽然平均长宽比的分布范围与秸秆纤维相比略小一些,但也说明其具有一定的

16、应用价值。表3 纤维长宽比测定结果Table 3 Determination results of the fiber length to width ratio组分/mm 平均纤维长/mm纤维长标准差纤维长分布范围/mm平均纤维宽/mm纤维宽标准差纤维宽分布范围/mm平均长宽比长宽比标准差长宽比分布范围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:分布范围按照2x±估算。3.2 沼渣纤维化学成分根据公式(2(4计算得出:NDF(中性洗涤纤维质量分数为82.3%,ADF(酸性

18、洗涤纤维质量分数为60.4%,ADL(酸性洗涤木质素质量分数为15.6%。根据公式(5(7计算出沼渣纤维中纤维素、半纤维和木质素的质量分数,如图2所示。 图2 沼渣纤维化学成分Fig.2 Chemical compositions of biogas residue fiber根据相关研究结果19-20,将稻草、麦草和玉米秆中纤维素、半纤维素和木质素的质量分数与沼渣纤维对比,如表4所示。对比分析可知,经过厌氧发酵后的沼渣纤维中纤维素质量分数较水稻、小麦和玉米等农作物秸秆高5%以上,同时半纤维素质量分数较水稻、小麦和玉米等农作物秸秆低5%,木质素质量分数基本未变。这一结果表明,厌氧发酵对纤维成分

19、中的木质素没有影响,而使得半纤维素相对含量减少,纤维素相对含量增加,这对于沼渣纤维的资源化利用是有积极意义的。表4 生物质的化学组成Table 4 Chemical composition of biomass种类纤维素质量分数/%半纤维素质量分数/%木质素质量分数/%灰分质量分数/%稻草36.5 27.7 12.3 13.3 麦草38.6 32.6 14.1 5.9 玉米秆38.5 28.0 15.0 4.2 沼渣纤维44.8 21.9 15.6 17.74 结 论通过对沼渣物理特性及沼渣纤维化学成分的测定研究,可以得出以下结论:1沼渣物理成分中含纤维64%、非矿物质杂质35%、矿物质1%;

20、其纤维长宽比分布范围为3.9232.14,离散度较大。2沼渣纤维化学成分中含纤维素44.8%、半纤维素21.9%、木质素15.6%、灰分及其他杂质17.7%。反刍动物粪便厌氧发酵生产沼气后的沼渣中纤维素质量分数较水稻、小麦和玉米等作物秸秆的高5%以上,半纤维素质280 农业工程学报 2010年量分数较水稻、小麦和玉米等农作物秸秆低5%。参 考 文 献1 吴淑杭,姜震方,俞清英.禽畜粪便污染现状与发展趋势J.上海农业科技,2002,(1:9-10.2 2008年中国沼气市场研究报告EB/OL.http:/www. 3 李景明.我国农村沼气建设现状与发展前景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 赵丽,周林爱,邱江平.沼渣基质理化性质及对无公害蔬菜营养成分的影响J.浙江农业科学,2005,(2:103-105.8 Gupta R K, Sharma V R, Shrma K N. Increase the yield ofpaddy and wheat with the application o

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27、料中酸性洗涤木质素(ADL的测定N.FOSS应用简报,2005-08-31.19 高振华,邸明伟.生物质材料及应用M.北京:化学工业出版社,2008:273-281.20 陈洪章.生物质科学与工程M.北京:化学工业出版社,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