实验指导书-生物质好氧降解过程耗氧速率的测定

《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
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
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。

✧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
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。

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，180o C
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
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。

表1 实验材料物理化学性质
材料 总固体(TS) (g/g-wet waste)
挥发性固体(VS)
(g/g-TS)
含水率 (%)
重量 (g) 木屑 0.85 0.98 W 木 M 木 接种微生物 0.03 0.95 W 木 M 接 待测试物料 淀粉 1.00 1.00 W 生1 M 生1 土豆 0.20 0.96 W 生2 M 生2 剩余污泥 0.15 0.95 W 生3 M 生3 报纸 1.00 0.85 W 生4 M 生4 秸秆
0.85 0.85 W 生5
M 生5
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
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。

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CaCl 2); 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
(a)(b)
(c)
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
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)；
10
=
TS VS M ⨯生生生
✧ 接种微生物：M 接(g)=50g ；
✧ 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/m 3)。

++=0.5M +M +M +M M TS M TS M TS ⨯⨯⨯木木微微生生
木微生水
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。

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。

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2
O t
α∆=
∆，%O 2/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。

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。

九、思考题
1、固体废物的总固体含量(TS)、挥发性固体含量(VS)和有机物含量的定义及测试
方法。

2、木屑、蒸馏水、接种微生物在本实验中所起的作用。

3、假设一个养鸡农场需要利用鸡粪进行堆肥，用锯末作为调理剂。

试计算添加
多少锯末和水，才能组成一个比较合适的堆肥混合物？已知参数如表1所示（注意：若为数值范围，在没有给出说明的情况下可取平均值）。

表1 已知参数
物料干基氮含量（%）C/N（干基）含水率（%）湿基容积密度（kg/m3）农场鸡粪 3.60 10 46 470 锯末 0.06~0.80 200~750 19~65 207~267 锯末 0.43 475 42 237
4、以报纸和淀粉分别进行堆肥化处理时，其耗氧速率和比耗氧速率分别有何差
别？
5、图2a中曲线末端出现弯曲的原因。

6、根据实验实测的耗氧速率，确定在30min内为了保证O2浓度不会低于10%，
物料量最高不能超过多少克；其中，假设抽滤瓶和管路体积为1000mL，物料容重为500 kg/m3，空隙率为0.3。

7、如果环境温度从20o C升至37o C，计算耗氧速率将变化多少，并重新计算上
述物料最高投加量。

8、固态物料的好氧降解与液态物料的好氧降解过程的异同点。