实验项目 有机废弃物厌氧发酵产沼气

一、课程概述

课程名称：有机废弃物厌氧发酵产沼气

课程总学时：20

课程性质：综合实验课

前修课程：微生物学、生物质能学

二、课程内容简介

有机废弃物厌氧发酵产沼气综合性实验，主要包括：发酵原料总固体（TS）、挥发性固体（VS）测定实验，发酵液pH值及氧化还原电位（ORP）测定实验，发酵液挥发性脂肪酸（VFA）的测定实验，实验室厌氧发酵装置的制作实验，有机废弃物发酵产沼气启动及日常监测实验。以微生物沼气发酵为范例，通过实际动手操作和学习，增强学生对微生物学和生物质能学等相关理论课程的实践认知，巩固理论课程教学内容，培养学生的动手能力、分析和解决实际问题的能力。

三、实验目标与要求

1、了解混合微生物菌群发酵产沼气的原理及沼气发酵的三阶段。

2、掌握沼气发酵原料总固体（TS）、挥发性固体（VS）的概念，测定的原理、方法；理解其测定意义；

3、掌握沼气发酵液pH值及氧化还原电位（ORP）的定义，测定的原理、方法；理解其测定意义；

4、掌握厌氧发酵产物挥发性脂肪酸（VFA）的定义，测定原理、方法；理解其测定意义；

5、掌握实验室厌氧发酵装置的组成及结构，掌握其制作方法；

6、掌握以有机废弃物为原料进行厌氧发酵产沼气实验的设计、启动方法，掌握其日常监测的参数及数据统计、分析的方法；

7、了解各类有机废弃物通过沼气工程技术实现其能源化转化与无害化、资源化处理的意义及发展前景。

四、教学内容与安排

实验一  发酵原料总固体（TS）、挥发性固体（VS）的测定

（一）实验目的

1、掌握沼气发酵原料总固体（TS）、挥发性固体（VS）的概念，测定的原理和方法；

2、理解TS、VS测定的意义；

（二）实验材料与用品

电热恒温干燥箱；箱式电阻炉（马弗炉）；陶瓷坩埚；玻璃干燥器；分析天平（0.0001g）；

（三）实验内容与方法

（1）坩埚恒重处理

（2）总固体（Total Solids，简称TS）测定

（3）挥发性固体（Volatile Solids，简称VS）测定

（4）TS及VS含量计算

（四）实验作业

计算沼气发酵原料TS、VS

（五）思考

1、TS、VS在沼气技术中有哪些工程意义？沼气的产生与TS、VS有何关系？

2、影响TS、VS测定的因素有哪些？实验中要注意哪些细节问题？

实验二  发酵液pH值及氧化还原电位（ORP）测定

（一）实验目的

1、掌握沼气发酵液pH值及氧化还原电位（ORP）的定义及其测定的原理、方法；

2、理解发酵液pH值、氧化还原电位（ORP）测定的意义；

（二）实验材料与用品

pH/ORP测定仪。

（三）实验内容与方法

（1）采用两点法对pH/ORP测定仪进行校准

（2）沼气发酵料液pH值和ORP测定

（四）实验作业

测定并计算沼气发酵料液pH值和ORP

（五）思考

1、检测pH值和ORP对于沼气发酵过程有哪些重要意义？

2、pH值和ORP测定实验中有哪些需要注意的细节问题？

实验三 发酵液挥发性脂肪酸（VFA）的测定

（一）实验目的

1、掌握厌氧发酵液挥发性脂肪酸（VFA）的定义，测定原理、方法；

2、理解VFA的测定意义。

（二）实验材料与用品

浓硫酸（H₂SO₄）、乙二醇、氢氧化钠（NaOH）、硫酸羟胺、氯化铁（FeCl₃·6H₂O）、乙酸（CH₃COOH）、容量瓶（50-1000mL各规格）、721分光光度计。

（三）实验内容与方法

（1）配制10mg/mL的乙酸标准溶液

（2）乙酸标准曲线的制作

（3）样品测定

（四）实验作业

计算VFA含量

（五）思考

1、VFA比色法测定实验中有哪些因素影响实验结果？如何避免？

2、除了比色法测定VFA之外，还有哪些方法可以测定？

3、如何根据沼气发酵液VFA含量及种类判断沼气发酵系统的运行状态？

4、沼气发酵液VFA含量和pH值有何关联？

实验四 实验室厌氧发酵装置的制作

（一）实验目的

1、掌握实验室厌氧发酵装置的组成及结构；

2、掌握其制作方法；

（二）实验材料与用品

1L磨口广口瓶，12#橡皮塞，玻璃三通，乳胶管，8孔恒温水浴锅。

（三）实验内容与方法

1、实验室厌氧发酵制氢装置的制作

2、装置气密性检验

（四）思考

1、沼气发酵实验装置主要保证哪些基本条件？

2、沼气发酵实验装置制作中应该注意哪些细节问题？如何保证装置气密性良好？

3、根据沼气发酵基本原理，还可以制作哪种类型的实验室沼气发酵装置？

实验五 有机废弃物发酵产沼气启动及日常监测

（一）实验目的

1、掌握以有机废弃物为原料进行厌氧发酵产沼气实验的设计、启动方法；

2、掌握其日常监测的参数及数据统计、分析的方法

（二）实验材料与用品

农业有机废弃物/餐厨废弃物/腐败食品、果蔬等有机废弃物，厌氧发酵产沼气活性污泥，实验室沼气发酵装置，pH计，电热恒温干燥箱，马弗炉、分析天平（精确至0.0001g），普通天平（精确至0.01g），沼气成分分析仪。

（三）实验内容与方法

根据厌氧发酵制氢的基本原理，选择农业有机废弃物/餐厨废弃物/腐败食品、果蔬等某一种或混合有机废弃物原料，根据沼气发酵的基本条件设计适宜的接种量、有机负荷（原料量）、发酵温度（35℃或55℃），调节pH值6.8-8.0左右，启动发酵沼气发酵系统。

每天定时摇瓶搅拌以促进料液混合，定时监测产气体积、成分等数据。

（四）作业与思考

1、沼气发酵过程有哪些关键的技术参数需要保证？如何保证？

2、中温（35℃）和高温（55℃）厌氧发酵产沼气相比，有何优劣？

3、将你所在的实验组厌氧发酵产沼气启动条件及日常监测数据汇总，并进行统计分析，形成以下统计表格或数据图：启动条件表（接种量、有机负荷量、启动pH值、料液浓度、发酵温度等），pH随时间变化图，日产气量变化图，甲烷含量日变化图，总产气量、产气中甲烷总量等数据。

五、考核方式与成绩评定

本课程考核综合平时成绩与实验报告成绩，其中平时成绩占总成绩60%，实验报告占总成绩40%。平时成绩主要参考学生到课率、实验过程积极性、动手能力、创新能力及学生教学参与度；实验报告在考核学生完成的基础上，侧重考核学生对实验数据统计分析的全面性与准确性，以及对实验中相关问题的进行综合分析和解决的程度。

六、教材及主要参考资料

教材：自编

参考资料：

中国科学院成都生物研究所沼气发酵常规分析编写组. 沼气发酵常规分析[M]. 北京：科学技术出版社，1984.

任南琪，王爱杰. 厌氧生物技术原理与应用[M]. 北京：化学工业出版社，2004.

苏有勇. 沼气发酵检测技术[M]. 北京：冶金工业出版社，2011.