1. 实验目的与意义
部分有机固体废物可以通过微生物的氧化、分解等生物化学过程转化为稳定的腐殖质、沼气和化学转化品，实现无害化和资源化。好氧堆肥和厌氧消化是有机固体废物生物处理的主要工艺技术。本实验的目的是：
（1） 观察有机固体废物在生物处理过程中的变化，加深堆肥和厌氧消化概念的理解。
（2） 掌握好氧堆肥和厌氧消化工艺过程和控制方法。
（3） 了解好氧堆肥和厌氧消化工艺影响因素。
2. 实验原理
（1） 好氧堆肥。
堆肥工艺是一种很古老的有机固体废物的生物处理技术。早在化肥还没有被广泛施于农业以前，堆肥一直是农业肥料的来源，人们将杂草落叶、动物粪便等堆积发酵，其产品称为农家肥，它可以使土地肥沃，保证土壤必需的有机营养，由此获得农作物的优质高产。随着科学技术的不断进步，人们已将这一古老发酵方式转为机械化和自动化。如今的堆肥技术已发展到以城市生活垃圾、污水处理厂的污泥、人畜粪便、农业废物及食品加工废物等为原料，以机械化代替原先的手工操作，并通过对发酵工艺的开发，走向现代化。
好氧堆肥是在有氧条件下，好氧菌对废物进行吸收、氧化、分解。微生物通过自身的生命活动，把一部分被吸收的有机物氧化成简单的有机物，同时释放出可供微生物生长活动需要的能量，而另一部分有机物则被合成新的细胞质，使微生物不断生长繁殖，产生出更多的生物体。
有机物生化降解的同时，伴有热量产生，因发酵工程中该热能不会全部散发到环境中，所以必然造成发酵物料的温度升高。这样就会使那些不耐高温的微生物死亡，耐高温的细菌快速繁殖。生态动力学研究表明，好氧分解中，发挥主要作用的是菌体硕大、性能活泼的嗜热细菌群。该菌群在大量氧分子存在下将有机物氧化分解，同时释放大量能量。据此，发酵过程应伴随着两次高温，将其分成如下3个过程：起始阶段、高温阶段和熟化阶段。
① 起始阶段：不耐高温的细菌分解有机物中易降解的葡萄糖、脂肪酸，同时放出热量使温度上升，温度可达15 ℃～40 ℃。
② 高温阶段：耐高温菌迅速繁殖，在供氧条件下，大部分较难降解的有机物（蛋白质、纤维等）继续被氧化分解，同时放出大量热能，使温度上升至60 ℃～70 ℃。当有机物基本分解完时，嗜热菌因缺乏养料而停止生长，产热随之停止，堆肥的温度逐渐下降。当温度稳定在40 ℃，发酵基本达到稳定，形成腐殖质。
③ 熟化阶段：冷却后的发酵，一些新的微生物借助残余有机物（包括死掉的细菌残体）而生长，将发酵过程最终完成。在基本掌握了堆肥的原理和过程之后，发酵堆肥过程的关键就是如何选择工艺条件，促使微生物降解的过程顺利进行，主要考虑供氧量、含水量、碳氮比、碳磷比、pH值等条件。
（2） 厌氧消化：在无分子氧的条件下，通过兼性细菌和专性厌氧细菌的作用，使污水或污泥中各种复杂有机物分解转化成甲烷和二氧化碳等物质的过程。其最终产物与好氧处理不同：碳素大部分转化为甲烷，氮素转化为氨，硫素转化为硫化物，中间产物除同化合成细胞质外，还合成复杂而稳定的腐殖质。
厌氧消化过程是一个极其复杂的生物化学过程。1997年，伯力特（Bryant）等人根据微生物的生理种群提出的厌氧消化三阶段理论，是当前较为公认的理论模式，即水解酸化阶段、产氢产乙酸阶段和产甲烷阶段。
第一阶段为水解酸化阶段。在此阶段，复杂的大分子、不溶性有机物先在细胞外酶的作用下水解为小分子及溶解性有机物，然后渗入细胞体内，分解产生挥发性有机酸、醇类、醛类等。这个阶段主要产生较高级的脂肪酸。碳水化合物、蛋白质和脂肪被分解和酸化为单糖、氨基酸、脂肪酸、甘油及二氧化碳、氢等。
如果污水或污泥中含有硫酸盐，另一组细菌——脱硫弧菌就利用有机物和硫酸根合成新的细菌，产生H2S和CO2，在甲烷发酵前就代谢掉许多有机物，从而使甲烷产量降低。
第二阶段为产氢产乙酸阶段。在产氢产乙酸细菌的作用下，第一阶段产生的各种有机酸被分解转化成乙酸、CO2和H2，例如：
第三阶段为产甲烷阶段。产甲烷细菌将乙酸、乙酸盐、CO2和H2等转化为甲烷。此过程有两组生理上不同的产甲烷细菌，一组把氢和二氧化碳转化为甲烷，另一组从乙酸或乙酸盐脱氢产生甲烷。前者约占总量的1/3，后者约占2/3。
产甲烷细菌由甲烷杆菌、甲烷球菌等绝对厌氧细菌组成。由于产甲烷细菌世代时间长、繁殖速度慢，所以这一阶段控制了整个厌氧消化过程。
虽然厌氧消化过程可分为上述3个阶段，但在厌氧反应器中，3个阶段是同时进行的，并保持某种程度的动态平衡。这种动态平衡一旦被某种外加因素打破，首先将是产甲烷阶段受到抑制，并导致低级脂肪酸的积存和厌氧进程的异常变化，甚至会导致整个厌氧消化过程的停滞。因此，为保证消化过程正常进行，必须建立这一平衡。
3. 好氧堆肥过程模拟
（1） 实验装置。
由6个有机玻璃制发酵抽屉、1台增氧泵、1套布气管路、1套固体支架及连接管道等组成，每个发酵箱容积为20 L，规格为720 mm×450 mm×1 000 mm。装置结构示意图如图6-2所示。
（2） 操作步骤。
① 将40 kg有机垃圾进行人工剪切破碎，并筛分，使垃圾粒度小于10 mm。
② 测定有机垃圾的含水率。
③ 将破碎后的有机垃圾投加到每个反应器中，控制供气流量为1.0 m3/（h·t）。
④ 在堆肥开始第1、3、5、8、10、15天分别取样测定堆体的含水率，记录堆体中央温度，从气体取样口取样测定CO2和O2浓度。
图6-2 好氧堆肥装置结构示意图
⑤ 调节供气流量分别为1.5 m3/（h·t）和2.0 m3/（h·t），重复上述实验步骤。
（3） 实验结果整理。
① 记录实验主体设备尺寸、实验温度、气体流量等基本参数。
② 实验数据的记录方式可参考表6-2。
表6-2 垃圾发酵试验数据记录表
续表
4. 厌氧消化过程模拟
厌氧发酵需要的实验装置及相关操作流程如下：
（1） 发酵罐及其配件。
装置结构示意图见图6-3。
图6-3 厌氧发酵罐装置结构示意图
A—电源开关；B—循环水加热锅；C—搅拌机电动机；D—气体湿式流量计；E—循环泵；F—外层保温水；G—内层溢流管；H—排放口；I—加热锅溢流管；J—保温水排放口；K—出气管；K1，K2，K3—阀门；M—保温水循环管；M0，M1—阀门；N—进料口；P—温度计；Q—压力计；R—出气孔；S—放水阀；1—鼓风机开关；2—搅拌器开关；3—加热器开关；4—循环泵开关
（2） 测试装置密闭性。
关闭K3，打开K1、K2，由M1向装置鼓气，一段时间后关闭M1。在各接口处抹肥皂水，没有气泡即不漏气。若不漏气则打开M1，关闭K1、K2。连接湿式气体流量计，记录流量计初始读数。
（3） 操作步骤。
① 关闭保温水排放口J，将锅盖顺时针方向旋转45°左右，用接在水龙头上的水管向锅内注水。同时，打开电源总开关，按下电源控制器上的4键打开循环泵，当加热锅上的溢流管I开始出水时停止向加热锅内注水。将锅盖恢复原状，并检查连接处是否拧紧。
② 按电源控制器上的3键打开加热器，设定温度对循环水加热。
③ 当达到预定温度后，关闭排放口H的阀门M0，内层溢流管G的阀门M1。打开进料口N上的螺栓，填入垃圾，然后盖上进料口N并拧紧螺栓。打开K1、K2、K3，按下电源控制器上的2键，打开搅拌机，开始厌氧消化。
④ 实验进行一段时间后，记录流量计读数。
⑤ 当全部实验结束后，关闭电源，打开排放口H，将垃圾抽出。
⑥ 打开保温水排放口J，将保温水放出。
厌氧消化需要的仪器设备：
（1） 消化反应器：2 500 mL的两口小口瓶，1只。
（2） 湿式气体流量计：1台。
（3） 白炽灯泡：100 W，6个。
（4） 温度指标控制仪：1台。
（5） COD测定仪器：1套。
（6） 测定碱度仪器：1套。
（7） 烘箱：1台。
（8） 马弗炉：1台。
（9） 分析天平：1台。
（10）气相色谱仪：1台。
（11）酸度计：1台。
（12）漏斗、螺丝夹等。
厌氧消化的操作步骤为：
（1） 从城市污水厂取回成熟的消化污泥，并测定其MLSS、MLVSS。
（2） 取消化污泥2 L装入厌氧消化器内（控制污泥浓度为20 g/L左右）。
（3） 密闭消化反应系统，放置1天，以碱性细菌消耗消化反应器内的氧气。
（4） 配制10 g/L的谷氨酸钠溶液。谷氨酸钠的化学式为
（5） 第二天，将消化反应器内的混合液摇匀，按确定的水力停留时间由螺夹6处排去消化反应器内的混合液（例如，水力停留时间为5天，应排去混合液400 mL）。
（6） 按确定的停留时间投加谷氨酸钠溶液和磷酸二氢钾溶液，使消化反应器内混合液体积仍然是2 L。具体操作为：① 先倒少量谷氨酸钠溶液于进料漏斗，微微打开螺丝夹使溶液缓缓流入消化反应器，并继续加谷氨酸钠和磷酸二氢钾溶液。② 当漏斗中溶液只剩很少量时，迅速关紧螺丝夹，以免空气进入实验装置。
（7） 摇匀消化反应器内的混合液，开始进行厌氧消化反应。
（8） 第二天记录湿式气体流量计读数，计算一天的产气量，测定排出混合液的pH值。
（9） 以后每天重复实验步骤（5）～（8）。一般情况下，运行1～2个月可以得到稳定的消化系统。
（10）实验系统稳定后连续3天测定pH值、气体成分、碱度、进水COD、MLSS和MLVSS。
实验时应注意下述实验条件：
（1） 绝对厌氧。由于甲烷细菌是专性厌氧细菌，故实验装置（或生产设备）应保证绝对厌氧条件。
（2） pH值。实验系统的pH值宜控制在6.5～7.5 mg/L（CaCO3）。当pH值低于6.5时，实验系统内可以投加碳酸氢钠调节碱度，生产性设备中则可投加石灰石调节碱度。
（3） 营养。兼性细菌、厌氧细菌与好氧细菌一样，需要氮、磷营养元素以及各种微量元素，厌氧消化过程中氮、磷可按BOD5:N:P=（200～300）:5:1进行投加。如果实验污水或污泥含氮量不够，则可以投加氯化铵作为氮源，但不能投加硫酸铵，因为硫酸弧菌会利用硫酸铵与产甲烷菌争夺有机物，产生H2S、CO2并合成细胞，降低CH4的产量。
（4） 温度。根据甲烷细菌对于温度的适应性，可分为两类，即中温甲烷菌（适应温度区30 ℃～35 ℃）和温度甲烷菌（适应温度区50 ℃～55 ℃）。两区之间，反应速率反而减慢。可见消化反应与温度之间的关系不是连续的。当厌氧消化允许的温度变化范围为±3 ℃的变化时，就会抑制消化速率。
（5） 污泥龄与负荷。厌氧消化效果的好坏与污泥龄有直接关系。在污泥厌氧消化工艺中，污泥龄（θc）等于水力停留时间（SRT）。
对于上流式厌氧污泥床，厌氧滤池和厌氧流化床等新型厌氧工艺的有机负荷在中温时为5～15 kg（COD）/（m3·d），也可高达30 kg（COD）/（m3·d），故最好通过实验来确定最适合的负荷。污水或污泥在厌氧消化设备中的停留时间以不引起厌氧细菌流失为准，它与操作方式有关。但温度为35 ℃时，对于间歇进料的实验，水力停留时间为5～7天。
（6） 混合与搅拌。混合与搅拌是提高消化效率的工艺条件之一，适当的混合和搅拌可以使厌氧细菌与有机物充分接触，使有机物分解过程加快，增加产气量，还可以打碎消化池面上的污渍，使反应器内的环境因素保持均匀。对于实验室里的间歇进料的厌氧消化实验，在35 ℃时，每日混合2～3次即可。
（7） 有毒物质。与耗氧处理相同，有毒物质会影响或破坏厌氧消化过程。例如，重金属、HS-、NH3、碱与碱土金属（Na+、K+、Ca2+、Mg2+）等都会影响厌氧消化。
（8） 厌氧消化实验可以用污水、污泥、马粪等进行，也可以用已知成分的化学药品（如醋酸、醋酸钠、谷氨酸）等进行。本实验是在35 ℃条件下，采用校园垃圾、食堂厨余垃圾或污水厂污泥进行的。本实验采用间歇进料方式，进行厌氧消化研究时，一般采用连续进料方式。
（9） 为使实验装置不漏气，可用橡皮泥或四氟乙烯袋等其他方法密封各接口。
（10）每组宜做两个对比实验，一个为水力停留时间长于7天，另一个为短于7天，以观察pH值、碱度、产气量、COD去除率的变化情况。停留时间短于7天的装置可在实验开始后的10～20天测定上述项目。
实验结果整理如下：
（1） 记录实验设备和操作基本参数，见表6-3。
表6-3 实验设备和实验操作基本参数
（2） 参考表6-4，记录产气量和pH值。
表6-4 产气量和pH值
（3） 气相色谱仪测得的气体成分可参考表6-5记录。
表6-5 厌氧消化的气体成分
（4） 碱度测定数据可按表6-6记录，并计算碱度（以CaCO3计）。
表6-6 碱度测定数据记录
（5） COD测定数据可参考表6-7记录，并计算COD。
表6-7 COD测定数据记录
（6） MLSS和MLVSS的测定数据可参考表6-8记录，并计算MLSS和MLVSS。
表6-8 MLSS和MLVSS的测定数据
5. 实验结果讨论
（1） 绘制堆体温度随时间变化的曲线。
（2） 根据实验结果讨论环境因素对好氧堆肥和厌氧消化的影响。
免责声明：以上内容源自网络，版权归原作者所有，如有侵犯您的原创版权请告知，我们将尽快删除相关内容。
