沼氣發酵實驗教程

內容簡介

1.該書是全國農業工程方面、生物質沼氣利用方面的首部沼氣發酵實驗教程.
2.內容包括沼氣發酵中的各種實驗，對研究生、本科生及生物質能等利用開發人員有較好的參考作用。

圖書目錄

第一篇沼氣發酵工藝參數的測定
實驗1沼氣發酵原料和料液的總固體（TS）含量測定2
實驗2原料和料液的揮發性固體（VS）含量和灰分測定5
實驗3溶解氧（DO）測定——碘量法7
實驗4CODCr測定11
實驗5BOD5的測定15
實驗6總有機碳（TOC）的測定21
實驗7氨態氮（NH+4N）的測定26
實驗8總氮（N）素的測定30
實驗9磷和總磷的測定36
實驗10鈣（Ca2+）的測定——EDTA滴定法46
實驗11鉀（K+）的測定——四苯硼鈉法53
實驗12鐵（Fe）的測定——鄰菲囉啉比色法61
實驗13氧化還原電位測定法68
實驗14沼氣發酵原料和料液的pH值測定73
實驗15產CH4菌的MPN法計數77
實驗16燃燒熱測定81
參考文獻87
第二篇沼氣發酵中基礎物質及相關活性生物物酶測定
實驗17還原糖與總糖的分析測定94
實驗18澱粉分解酶的測定分析104
實驗19蔗糖酶的測定分析111
實驗20半纖維素的分離提取與分析測定114
實驗21半纖維素酶（木聚糖酶）的分析測定127
實驗22纖維素的分析測定139
實驗23纖維素降解酶的分析測定145
實驗24木質素的分離提取與分析測定153
實驗25木質素降解酶的分析測定165
實驗26脫氫酶的分析測定186
實驗27蛋白質與蛋白酶的分析測定193
實驗28沼氣發酵中氣體成分測定方法202
參考文獻204第三篇沼氣發酵實驗
實驗29農作物秸稈及畜禽糞便批量發酵實驗214
實驗30農作物秸稈及畜禽糞便連續發酵實驗217
實驗31厭氧污泥的產甲烷活性測定221
實驗32厭氧生物可降解性測定226
實驗33產甲烷毒性的測定230
實驗34反應器內污泥量的測定237
實驗35生物化學甲烷勢的測定239
實驗36UASB反應器處理有機廢水實驗240
參考文獻244

序言

雖然早在1630年比利時布魯塞爾的醫生Van Helment就已經認識到了沼氣，但對沼氣發酵的科學認識卻始於1901年。百年來，沼氣的發展十分迅速，沼氣微生物的研究從技術方法、群體代謝、個體水平到分子生物學、基因研究、Methanococcus jannaschii全基因組序列的測定，沼氣發酵從工藝過程到設備配套技術，沼氣技術的套用從廢棄物能源利用到環境和生態的可持續發展等方面均取得了長足的發展。
在產甲烷菌的研究方面，個體產甲烷菌的分類地位逐漸提高，短短几十年，產甲烷菌由一個科上升至5目、10科、26屬；對產甲烷菌細胞壁結構、膜質成分、16S rRNA親緣關係、7種輔酶因子形成甲烷的機制等的揭示，改變了種系發生的傳統二分法理論，提出了生命三領域學說(Three Domains Theory)：古核生物(arachaea)、細菌(bacteria)和真核生物(eucarya)。在沼氣發酵的工藝方面，從簡單的沼氣發生器出現後，先後又提出和發展了一系列工藝技術，如高速消化器、厭氧接觸消化器、UASB、AF、兩相厭氧消化器、厭氧流化床和厭氧膨脹床等，這些技術的開發和套用拓寬了厭氧消化技術的服務範圍，大大提高了厭氧消化的效率。從能源的開發與利用來看，沼氣技術利用有機廢棄物生產能源，即在有效治理有機污染的同時開發清潔能源；這種能源開發利用方式能夠保持大氣中二氧化碳的循環，或二氧化碳零排放。
沼氣發酵系統涉及內容廣泛，理論、套用與實踐共同發展，多學科交叉與滲透十分突出，沼氣的推廣套用涉及多部門間的合作與協調。既有基礎微生物學、分子生物學研究，又有發酵工程的內容；既有工藝學的研究，又有工程的建築與設計；既有微生物代謝與代謝產物的研究，又有沼氣發酵殘留物的各種綜合利用；既有廢物的處理與能源利用，又有環境與生態工程的實踐；既有以沼氣為紐帶的可持續農業理論探索，又有各種生態農業模式的湧現；既有農村家用沼氣池的套用，又有大中型沼氣工程的運行；既有禽畜場大中型沼氣工程、工廠有機廢水處理沼氣工程，又有城鎮生活污水沼氣淨化工程。
沼氣發酵是生物質能源轉化的有效形式之一，特別是對於解決農村能源以及治理有機廢物和廢水環境污染等問題具有重要的作用。我國農村沼氣30多年來的實踐表明，沼氣在解決我國農村能源方面發揮著積極的甚至是不可替代的作用；以沼氣為紐帶的生態農業建設，取得了長足的發展，南方“豬沼果”、北方“四位一體”、西北“五配套”生態模式有力地促進了農村經濟的可持續發展；“三結合”、“一池三改”的農村沼氣建設，改善了農村環境衛生，整治了村容村貌，有效地促進了新農村的建設。我國農村沼氣建設成功的經驗已被世界所認識，在已開發國家資金的扶持下，開發中國家農村沼氣建設正在蓬勃發展，2008年荷蘭政府啟動了非洲沼氣行動計畫，荷蘭政府在全球籌資20億歐元，將用十年的時間在非洲建設200萬個農村家用沼氣池；亞洲銀行出資，其中2/3是補助資金，1/3是貸款，支持亞洲發展150萬個農村家用沼氣池。
20世紀80年代以來厭氧消化技術套用於有機廢水的處理，各種厭氧消化工藝趨於成熟和高效，在污水處理方面發揮著越來越重要的作用。面對養殖場大量的糞便廢水，最有效的處理方法就是厭氧消化，這種處理方式實現了糞便廢水的資源化利用，在環境污染的治理中獲得較好的經濟收益。以沼氣工程為紐帶，將污染治理轉化為資源開發的優勢，用環保治理拉動企業的可持續發展，使環保產業作為產業建立的基礎，建立飼料(feed)、肥料(fertilizer)、食品(food)和能源/燃料(fuel)的4F循環經濟模式，最終獲得能源、社會、生態/環境和經濟四大效益，實現區域的可持續發展。
截至2011年底，全國戶用沼氣達到3996萬戶，占鄉村總戶數的23%，受益人口達15億多人；中央支持建成了24萬處小型沼氣工程和3690多處大中型沼氣工程，多元化發展的新格局初步形成；全國鄉村服務網點達到9萬個、縣級服務站800多個，服務沼氣用戶3000萬戶左右，覆蓋率達到75%，以沼氣設計、沼氣施工、沼氣服務、沼氣裝備和“三沼”綜合利用為主要內容的產業化體系初步建立。農村沼氣從小工程做成了大產業，把小環境變成了大生態，由小項目形成了大事業。通過發展農村沼氣，有效防止和減輕了畜禽糞便排放和化肥農藥過量施用造成的面源污染，對實現農業節本增效、循環發展，提高農業綜合生產能力和競爭力發揮了重要作用；增強了應對氣候變化和保障能源安全的能力，對減少化石能源消耗、改善農村用能結構和應對氣候變化發揮了不可替代的作用；實現了糞便、秸稈、有機垃圾等農村主要廢棄物的無害化處理、資源化利用，使困擾新農村建設的諸多“髒亂差”環境問題得到了有效解決，提高了農民生活質量，改善了農業農村生產生態環境，成為了新時期重要的農村民生工程和新農村建設的一大亮點。
目前，許多大專院校的農業工程專業，均開設了沼氣技術相關的課程，而沼氣技術本身是一門實驗與實踐較強的專業課，從課程建設來看，國內沒有一本關於沼氣實驗方面的教材，我們將多年碩士研究生的教學實驗進行整理，並參考相關書籍編寫了《沼氣發酵實驗教程》。該書具有較強的專業特色，主要是針對碩士研究生專業學習與完成研究論文而編寫，同時兼顧相關生物質能專業的本科生學習與基本技能訓練，對相關專業的博士研究生也具有資料豐富性、內容新穎性和思考題啟發性的參考價值。套用該書的人員除具備一定的化學基礎外，還需具備一定的生物化學與微生物學基礎知識。每個實驗是一個相對獨立的整體，思考題則多以具體研究設計形式出現，要求理論與實際相結合，用提示的方式給出現階段技術可行的參考方法與思考。該書不僅是碩士研究生與本科生教學的參考用書，對於高等院校科研院所的科技人員與博士研究生也有參考價值和一定的指導意義。可供從事生物質能和環境治理以及農、林、牧行業的相關研究與開發人員借鑑。
雖然《沼氣發酵實驗教程》是根據多年的教學經驗總結而成，並參考了大量的文獻資料，但終因水平有限，疏漏之處一定不少，懇請讀者批評指正。

張無敵於雲南師範大學
2013年8月

沼氣發酵實驗教程

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