有机废弃物厌氧发酵产沼气
实验方案
实验项目 有机废弃物厌氧发酵产沼气
实验一 发酵原料总固体（TS）、挥发性固体（VS）的测定
（一）实验原理
总固体（Total Solids，简称TS）是指生物质原料在105±2℃烘干至恒重，去除水分剩余干物质的重量占样品总重的百分比。其测定原理是：将生物质原料于105℃ ±2℃温度下烘干至恒重，计算烘干后重量占样品总重的百分比。
挥发性固体（Volatile Solids，简称VS）是指将烘干至恒重的生物质样品置于550±20℃条件下灼烧至恒重，得到灰分，用总固体重量减去灰分重量，即为挥发性固体。其测定原理是：将已获取TS所需各数值的样品移入马弗炉中，在550±20℃燃烧至恒重，测定挥发掉的成分占干物质的百分比，灰分为剩余物质占干物质的百分比。
在沼气工程技术中，TS和VS是2项非常重要的基础性参数，用以衡量沼气发酵原料的基本性质，计算厌氧发酵的投料量和确定有机负荷等。
（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. 测定方法及步骤
（1）坩埚恒重处理：先将陶瓷坩埚用稀盐酸（HCl）洗涤干净，清水冲洗4-5遍，小火烤干或烘干（新坩埚可用含铁离子或钴离子的蓝墨水在坩埚外壁上编号）；再于马弗炉内800-950℃下灼烧半小时（新坩埚需灼烧1h）；再将冷却至室温（至于放置蓝色硅胶颗粒的玻璃干燥器内，约需要30min）的坩埚取出称量；随后在800-950℃进行第二次灼烧，约15至20 min，冷却至室温后称重；若前后两次称量结果差不大于0.0002g，即认为坩埚已恒重，否则还需再灼烧，直至恒重为止。
（2）TS测定：准确称量经恒重的坩埚（m1），装入约1/3满的厌氧发酵原料并准确称量（m2）；放入105±2℃的电热恒温干燥箱内，恒温干燥4-6h，用坩埚钳取出后于干燥器内冷却至室温，准确称重（m3）；再将其放入105±2℃的电热恒温干燥箱内，恒温干燥1-2h，准确称重（m4）；若前后两次称量（m3、m4）结果差不大于0.0002g，即认为样品已干燥至恒重，否则再进行干燥，直至恒重为止；
（3）VS测定：将以上样品放入预热至温度550±20℃的马弗炉内，加热灼烧6-8h至恒重，样品灰白后，再置于干燥器内冷却至室温，准确称量m5。
（4）TS及VS含量计算：
以上测定各做3个平行样品，取平均值计算TS及VS含量。
（四）作业及思考
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）实验原理
溶液的pH值是指溶液中氢离子浓度的负对数，即pH=-log[H+]。在沼气发酵中，料液的pH值对微生物的生命活动有着直接和间接的影响，料液的pH值影响生物细胞的原生质特性、酶活性，从而影响微生物的发酵活性。同时，料液的pH值也影响着料液的解离程度。pH值不同，可导致料液成分和发酵中间产物呈现不同的反应状态。因此，pH值测定是沼气发酵中的一项重要监测指标，有助于掌握和控制发酵过程。
氧化还原电位（ORP）是指培养环境里一切氧化还原因素综合的定量指标。还原势越高则反应厌氧条件越好。沼气发酵是一种严格的厌氧微生物过程，产甲烷菌的正常生长ORP在-330mV以下，正常沼气发酵体系的ORP一般在-550～-330mV范围内。同时，ORP的测定可以间接的反映沼气发酵系统密封性、发酵液的物质组成比例等。
pH值与OPR的测定均可采用pH/ORP测定仪进行，其原理都是将参比电极和指示电极同时浸入发酵液中，构成一个原电池，已获得电极的电位差，再按照Nernst方程，计算出pH值和ORP。
（二）实验材料与用品
pH/ORP测定仪。
（三）实验内容与方法
1. 测定方法及步骤
（1）pH/ORP测定仪校准
pH/ORP测定仪校准采用标准pH值缓冲溶液的2点法进行，方法是：首先将温度补偿旋钮拨至接近室温的标准温度，打开电源，预热5min，将电极浸入一种pH值的缓冲溶液，通过调节定位旋钮使其显示值与标准pH值缓冲溶液一致，则更换另外pH值的缓冲溶液，同样通过调节定位旋钮使其显示值与标准pH值缓冲溶液一致。反复操作几次，至2点pH值均与标准pH值缓冲溶液一致，则表示仪器已校准，可以进行实验测定。
（2）样品测定
将发酵液放至室温后，将电极浸入其中，分别选定pH和ORP档位，待度数稳定后读取即可。
（四）作业
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）实验原理
挥发性脂肪酸（VFA）是指碳原子数在10以下的脂肪酸，通常溶于水，VFA易被微生物利用。在厌氧发酵的液化产酸阶段，VFA的产物以乙酸为主，其含量可达VFA总量的80%。在甲烷（CH4）的形成过程中，甲酸和乙酸是形成甲烷的重要前体物，其中约72%的CH4是由乙酸中的甲基原子团形成，丙酸、丁酸可以转化成甲酸。VFA过多则会导致厌氧发小系统pH下降过低而是发酵停滞。因此，在厌氧发酵产沼气过程中，VFA不仅是一种营养成分，其更重要是衡量有机物降解工艺条件优劣的重要参数，是甲烷形成的主要来源。
含有VFA的发酵液在加热条件下，与酸性乙二醇作用生成酯，此酯再与羧胺反应，形成氧肟酸。在高铁试剂存在下，氧肟酸转化为高铁氧肟酸的棕红色络合物，其颜色的深浅在一个较大的范围内与VFA的含量成正比，因此通过制作标准曲线，可用比色法测定。
VFA 总量测定，是以乙酸作为基数进行计算的。
（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. 测定方法及步骤
（1）配制10mg/mL的乙酸标准溶液，经稀释分别再配制100、500、1000、1500、2000、2500、3000μL/L的乙酸标准系列溶液。
（2）分别吸取0.5mL以上乙酸标准溶液于试管中，准确加入1.7mL酸性乙二醇试剂，充分混匀，沸水浴3min后立即冷水冷却；再加入2.5mL羟胺试剂，充分摇匀，全部倒入含有10mL酸性氯化铁试剂的25mL容量瓶内，再蒸馏水定容至刻度；最后用721分光光度计在500nm波长测定器吸光度（OD）值，以OD值为纵坐标，乙酸浓度为横坐标，制作标准曲线。
（3）样品测定：首先将沼气发酵液在4000-10000r/min离心，取上层清液0.5mL于试管中，再按照以上步骤测定其OD值。同时做空白试验1份。
（四）作业
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）实验原理
沼气发酵是指各种有机物（如人畜粪便、秸秆、青草等）在厌氧（没有氧气）条件下，被各类沼气发酵微生物（也叫沼气细菌）分解转化，最终生成沼气的过程。这是一个有多种沼气发酵微生物参加、非常复杂的生物学过程，在这一过程中，这些微生物按照各自的营养需要，起着不同的物质转化作用。从复杂有机物的降解，到甲烷（沼气中主要的可燃成分，约占55—70%）的形成，就是由它们分工合作和相互作用来完成的。
沼气发酵微生物生长、发育、繁殖、代谢等生命活动中都不需要氧气，空气中的氧气会使其生命活动受到抑制，甚至死亡。因此沼气池必须不漏水、不漏气。
温度是沼气发酵重要的外因条件，温度适宜则细菌繁殖旺盛，活力强，厌氧分解和生成甲烷的速度就快，产气就多。因此可以说，温度是产气多少的关键。一般说，沼气发酵在10—60℃均能进行，发酵料液温度低于10℃或高于60℃都严重影响微生物生存、繁殖，影响产气。沼气发酵分为高温（46—60℃）、中温（28—38℃）、常温（10—26℃）三个发酵区。农村沼气池靠自然温度发酵，属常温发酵，但在10—26℃范围内，温度越高产气越好。
（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. 装置制作
实验室用厌氧发酵装置需满足温度可控、严格密封、气体容易收集及检测等条件，其装置原理图如下：
图中：1、恒温水浴锅；2、厌氧发酵制氢瓶；3、导气管；4、三通及气体取样口；5、氢气收集瓶；6、排水管；7、标定刻度。
根据以上原理图，制作实验室厌氧发酵制氢装置。
2. 装置气密性检验
装置制作完成后必须进行气密性检验，以保证装置内严格的厌氧环境，具体方法是：将装置注满水并按紧瓶塞后，将玻璃三通调至“三不通”位置，观察集气瓶中水面位置变化，经24h后，水位降低幅度在0.5cm以内，说明装置气密性良好，否则即存在漏气现象，应详细检查所有接口、管道以排除。
（四）作业
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实验
（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
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。