实验指导书-生物质好氧降解过程耗氧速率的测定

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(b)
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(c)
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1-抽滤瓶; 2-橡胶塞; 3-橡胶软管; 4-夹子; 5-气泵; 6-蠕动泵; 7-测氧仪; 8-水分吸收管(内装无水 CaCl2); 9-混合物料 图 1 实验装置图 (a) 密闭不通风状态; (b) 通风状态; (c) 耗氧速率测定状态
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2、百分之一电子天平，1 个 3、药勺，每组 1 根 4、250mL 烧杯，每组 1 个 5、1L 烧杯，每组 1 个 6、100mL 量筒，每组 1 个 7、搅拌棒，每组 1 根 7、秒表或手表，每组 1 个，学生自备
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其堆肥产品由于肥效低而影响使用。但是，过高的有机物含量又将给通风供氧 带来影响，从而可能产生堆体局部厌氧现象和臭气。堆肥化过程一般要求有机 物含量最好不低于 30%。 不同有机物的生物可降解性有所差别，如淀粉、蛋白质的生物可降解性要优 于脂肪、木质纤维素、甲壳素，而塑料、橡胶等则是不可生物降解物质。除了有 机物本身的生化组成和结构之外，有机物的生物可降解性还依赖于微生物/酶的 降解能力，比如纤维素对于大多数细菌来说是难降解的，而对于真菌则是可降解 的。低的生物可降解性会延长堆肥化进程及达到腐熟化的时间，而高的生物可降 解性容易导致堆体局部厌氧、臭气、产酸和 pH 降低等现象。 温度 温度决定了微生物的种类和微生物的活性。在保持微生物活性的温度范围 内，温度越高微生物活性越大，降解有机质的速率也越高。但温度太高，超过最 佳温度点，微生物活动会急剧下降，甚至致死。不同微生物的最佳和致死温度不 同。 含水率 微生物只能利用溶解于水中的有机质， 当含水率＜10%~15%， 微生物活动基 本停止；当含水率低于 23%时，水分成为限制因素。因此，必须保持一定的湿 度环境。一般含水率越高，微生物活性越强。含水率每提高十个百分点，微生物 活性增大 2~3 倍。但含水率过高，多余的水分会堵塞孔隙空间，易造成厌氧状 态。因此，含水率一般宜控制在 40%~70%，最佳范围为 50%~55%。 氧气浓度 好氧微生物只能在一定含氧环境中（O2＞5%）存在。低氧气浓度会抑制好氧 微生物的代谢活动，不能完全转化有机质成二氧化碳和水，而是会形成各种中间 产物，能量释放不完全，好氧降解速率降低，而且还是恶臭产生的直接原因。 C/N 比 C/N 比越高，微生物可利用的有机质越多，微生物活性越强，好氧降解效率 越高。 但超过最优范围后， 氮源不足， 微生物活性反而下降， 好氧降解过程减缓。 C/N 比太低，氮元素过剩，反应过程中微生物分解介质中氮元素的量超过合成自 身细胞所需的氮，多余的 N 会以 NH3 形式释放，造成氮损失，并产生恶臭，对 大气环境造成不良影响。 堆肥过程推荐适宜 C/N 比范围为 20:1~40:1， 最佳范围 为 25:1~35:1。
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速累积，堵塞透气空间，导致局部厌氧状态。通风过程能及时带走水分， 避免此类情况的发生。但是，过度通风使物料干化也会限制反应进行。 ③ 去除热量：微生物代谢活动产生大量的热量，并被物料层吸收，热量在物 料层的累积会使温度急剧上升，甚至超过微生物活动的最高温度限值。通 风在带走水分的同时，水蒸汽也会带走大量的潜热；同时，通风本身也促 进了空气的流动和热交换的进行。 目前，采用的通风办法主要有：①利用斗式装载机、动力铲或其它特殊 设备翻堆；②通过堆层下的通风管，借助高压风机强制通风供氧；③自然通 风供氧。 填充料 堆肥系统的有效运行应维持合适的 C/N 比和足够的通气空间。 混合填充料可 以补偿初始原料的不足， 提供碳源或氮源、 吸收过量的水分、 提高结构稳定型 （抗 压实性）和孔隙率。特别是对泔脚这一类湿垃圾，结构稳定性差，容易被压实， 导致厌氧状态，一定要采用填充料调节。常用的填充料有：木片、树皮、木屑、 花生壳、树叶、玉米杆、废纸、废纸板、堆肥、稻草、城市垃圾和颗粒状废物。 选择填充料应以当地填充料的稳定可获得性和价格低廉为前提。 由于填充料在堆肥前需与堆肥物料充分混合，参与了堆肥过程的生化反应。 因此，也可以将填充料认为是反应物料的一部分。ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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(b)
O2 (%)
16 14 12 10 8 0 2 4 6 8 10 12 14 16

Time (min)
图 2 数据记录和绘制 (a) 氧气浓度散点图; (b) 斜率线
3、假设图 1c 中空体积(V0)为 800mL，即包括混合物料中的空隙、抽滤瓶顶部空 间、气体管路等的体积，计算每一循环以 mg-O2/g-VS·h 单位计的耗氧速率 β。 5、以耗氧速率 β 比较不同生物质固体废物的生物可降解性差异。
生4
)和秸秆(W 生 5, M 生 5)。
以上材料的物理化学性质见表 1。
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表 1 实验材料物理化学性质 材料 木屑 接种微生物 待 测 试 物 料 淀粉 土豆 剩余污泥 报纸 秸秆 总固体(TS) (g/g-wet waste) 0.85 0.03 1.00 0.20 0.15 1.00 0.85 挥发性固体(VS) (g/g-TS) 0.98 0.95 1.00 0.96 0.95 0.85 0.85 含水率 (%) W木 W木 W 生1 W 生2 W 生3 W 生4 W 生5 重量 (g) M木 M接 M 生1 M 生2 M 生3 M 生4 M 生5
4、称量物料：分别按以上计算值，称取木屑、蒸馏水、接种微生物、待测试物 料于 250mL 烧杯，记录最终称量值。
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5、混合物料：将上述称取的物料在 1L 烧杯中混合均匀后，倒入抽滤瓶中，塞紧 橡胶塞，按图 1b 连好实验装置。 6、打开气泵开关，通风 5min 后关闭气泵开关。 7、迅速按图 1c 连好实验装置；打开测氧仪和蠕动泵开关，开始计时读取测氧仪 上显示的氧气含量数值；每 2 分钟读取 1 次读数，一共进行 30min。 8、更换物料，再重复步骤 2―7。 9、将混合物料倾倒入垃圾箱，关闭测氧仪和气泵电源，取出测氧仪内电池，整 理和清洗实验仪器、实验台面。 10、学生课后整理实验结果，要求第 2 日提交实验报告。
M生 =
接种微生物：M 接(g)=50g；
10 TS生 VS生
木屑和蒸馏水：M 木(g)和 M 水(g)，按混合物料(木屑、蒸馏水、接种微生物、 待测试物料)的含水率 50%，即以式(2)求得 M 木(g)和 M 水(g)，其中应保证 符合 M 木≥50g 的条件 (木屑容重 200~300kg/m3)。 M 木 TS木 +M 微 TS微 +M 生 TS生 M 木 +M 微 +M生 +M 水 =0.5
堆肥化：在受控环境条件下，通过好氧和/或兼性微生物对有机物的代谢过 程，使生物质固体废物转化为稳定的有机残余物；堆肥产物应具有在堆存和运输 过程中不腐败发臭，相容于植物生长的特性；堆肥法工艺的实质，即是固体废物 的好氧降解过程。 耗氧速率：是指有机物在好氧微生物的作用下，一定数量的有机物在单位时 间内消耗的氧气量，以 mg-O2/(g-VS·h)，或 mg-O2/(g-waste·h)计。耗氧速率的高 低，可反映不同类型固体废物生物可降解性的差异。 (1) 堆肥化工艺的影响因素 微生物菌群 有机物的好氧降解是通过微生物（包含细菌、真菌、放线菌等种属）代谢， 分解有机质生成 CO2 和 H2O， 合成微生物细胞， 从而实现固体废物的减量和减容。 微生物菌种对投加物料的选择性、 在工艺环境生长的适应性、 在环境中存在时间、 繁殖速率、与土著微生物的竞争能力、抵抗土著微生物同化的能力，都影响着物 料好氧降解的速率和转化的趋向。 物料的有机物含量和生物可降解性 为了确保好氧堆肥化过程具有有效的高温阶段，首要的是保证热量和温度 间的平衡。低的有机物含量产生的热量将不足以维持所需要的堆体温度，并且
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物料颗粒的粒径 理论上粒径越小，比表面积越大，单位时间内作用于基质的微生物量越多， 越有利于反应。但粒径过小会阻碍氧气的流通。最佳粒径范围与该物料的结构强 度有关（表现在抗机械粉粹、重力挤压的强度） 。强度大的物质变湿后仍能维持 原来的形状，所以即使粒径很小，也不会对反应产生不良影响；而强度小的物质 变湿后将堆积在一起，易压实成为团状，颗粒间的空隙减小，使氧气无法进入团 块中心。 空隙率（骨架结构） 空隙率影响氧气在物料中的扩散和物料的极限含水率。可以通过投加骨架物 质支撑起物料的空间结构，形成流畅的通氧空间。 (2) 工艺控制手段 搅拌 机械搅拌可以实现如下几种功能： ① 混合：使进料能与处理单元内原有物料迅速混合均匀；有机质分配到空间 各点，均匀有机负荷；促进微生物与有机质的接触；促进水分的分配；均 匀系统各点温度，防止局部过热。 ② 切割：减小进料颗粒尺寸，增大微生物与有机质的接触表面积，加快反应 速率。 ③ 防止空气短流：改变空气流动路径，切割短流通道，防止由于局部压实， 出现进气没有与全部物料接触就直接排出的短流现象。 ④ 通风供氧：使反应器底部或内部的物料能重新暴露于大气环境中，避免厌 氧状态。 搅拌的形式（筒体的旋转、搅拌桨的类型）和搅拌的时间频率是可选择 的工艺条件。 通风 通风可以实现以下功能： ① 提供氧气：根据微生物耗氧速率通风供氧，可以避免微生物活动急剧时可 能产生的低氧浓度情况。 ② 去除水分：有机垃圾一般含水率很高，微生物降解有机质过程会使物料水 分进一步释放（包括自由水、结合水、细胞内含水） ，有机质降解过程也 是二氧化碳和水分生成的过程。这些水分不及时带走，会在反应设备内快
《生物质好氧降解过程耗氧速率的测定》实验指导书
一、实验目的
1、复习和加深理解生物质固体废物堆肥化处理的原理、影响因素和操作过程； 2、掌握堆肥化工艺条件的确定方法； 3、了解不同类的生物质固体废物生物可降解性的差异。
二、实验要求
1、掌握测氧仪的使用方法； 2、掌握耗氧速率的测试和计算方法。
三、实验原理
七、实验结果整理
1、按图 2a 绘制每一循环(30min)氧气浓度 vs.时间的散点图。 2、按图 2b 绘制每一循环的斜率线，求得耗氧速率
O2 ，%O2/min。 t
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O2 (%)
16 14 12 10 8 0 2 4 6 8 10 12 14 16
Time (min)
四、实验材料
1、蒸馏水，重量为 M 水。 2、无水 CaCl2，分析纯或化学纯，用于吸收气体中的水分，保护测氧仪，180oC 烘干后可重复使用。 3、木屑，含水率为 W 木，重量为 M 木。 4、接种微生物，含水率为 W 木，重量为 M 接。 5、待测试物料：分别可选用易生物降解的淀粉(含水率为 W 生 1, 重量为 M 生 1)、 土豆泥(W 生 2, M 生 2)、 剩余污泥(W 生 3, M 生 3)， 以及难生物降解的碎报纸(W 生 4, M
五、实验装置
1、每组 1 套好氧降解实验设备，具体包括如下部件： 1L 带橡胶塞抽滤瓶，1 个 定时器，1 个 小型气泵，1 个 蠕动泵，1 个 测氧仪，1 个 50 mL 针筒，1 个
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装置图如图 1 所示，其中图 1a 为密闭不通风状态，图 1b 为通风状态，图 1c 为耗氧速率测定状态。
八、注意事项
1、及时更换水分吸收剂(无水 CaCl2)，以免水分影响测氧仪寿命。 2、各种型号测氧仪操作方法和特点不同，使用前应详细阅读仪器说明书。 3、确保实验装置密闭，应仔细检查气体管路和橡胶塞的气密性。
六、实验步骤
1、学生分组：每 2~3 人为 1 组，可同时 5~6 组进行实验，分别评价不同类别 的生物质固体废物的生物可降解性。 2、测氧仪校准：手捏气体单向阀，观察气体流向；分别在测氧仪进气口和出气 口连接水分吸收管和气体单向阀；打开测氧仪开关；手捏气体单向阀，连续 3 次，读取仪表上显示的空气氧气含量；如果显示数值不是 21%，调节校准 钮使得仪表显示数值为 21%；继续测定空气中氧气含量，若此时读数为 21% 则校准结束，否则继续调节。根据测氧仪型号不同，也可采用 50mL 针筒替 代单向阀。 3、计算材料使用量 待测试物料：M 生(g)，其中有机物含量为 10g，计算公式见式(1)；