一种植物废弃物的释碳能力评价方法

1.本发明属于水处理中碳源材料技术领域，具体涉及一种植物废弃物的释碳能力评价方法。


背景技术：

2.长期以来，水体的硝酸盐污染是重要的环境问题之一，我国各个地区的河流、湖泊、和地下水体都受到不同程度的硝酸盐污染。长期饮用受硝酸盐污染的水体对人体有很大的危害，例如引起高铁血蛋白症、癌症等。因此，行业内在不断寻找有效的脱氮方法，其中生物反硝化工艺被广泛应用于城市含氮废水的处理中，其主要原理都是在好氧状态下，氨氮转化成硝态氮、亚硝态氮；在缺氧状态下，硝态氮、亚硝态氮转化成氮气，从而达到氮的去除。
3.在反硝化过程中需要碳源作为电子供体，因此，碳源一直是生物脱氮技术的控制因素。目前，我国城市污水处理厂普通存在脱氮碳源不足的问题，严重影响了生物脱氮的效率。现有研究表明多种物质都可以作为反硝化过程所需的外加碳源，现有的外加碳源可以分为两大类：一是传统碳源包括ch3oh、c2h5o2na、c6h12o6等物质；二是新型碳源包括一些农业废弃物。传统方法是投加一些液体碳源，如甲醇、乙醇等低分子有机物和葡萄糖、蔗糖等糖类物质。该方法的弊端是成本很高、运输不便以及一些液体碳源有毒。因此，近年来许多学者在不断寻找可以替代传统碳源的廉价并且可持续释碳的固体新型碳源，如农作物、农业废弃物和一些可生物降解聚合物等。其中农业废弃物因为其安全性和经济性的优势，已经成为研究热点，并且取得一定的成果。
4.因此亟待设计一种植物废弃物的释碳能力评价方法，降低取样周期，简化操作步骤，实现有效评价释碳性能，以寻找更有效的植物废弃物碳源，获取最佳释碳条件。


技术实现要素：

5.针对现有技术所存在的上述不足，本发明的目的是提供一种植物废弃物的释碳能力评价方法，采用有机碳静态的释放方法，研究各类植物废弃物释碳效果和其在各种条件下的释放规律，从而优选出技术上先进、可靠，经济上合理的反硝化外加碳源及最佳释碳条件。
6.为了实现上述目的，本发明提供一种植物废弃物的释碳能力评价方法，包括以下步骤：
7.1、固体碳源的采集，
8.将植物废弃物收集后，洗净、晾干，分种类储藏于干燥箱中，
9.2、原材料的预处理，
10.取出干燥箱中的原料，用粉碎机粉碎，分别过200目、100目、80目、60目、40目和20目筛，在烘箱中65℃下烘24小时，冷却，最后装入样品袋置于干燥剂中备用，
11.3、配置实验试剂，
12.分别配置重铬酸钾标准溶液、试亚铁灵指示剂、硫酸亚铁铵标准溶液、硫酸-硫酸银溶液，
13.4、模拟废水的配置，
14.取自来水2.2升，称取0.8g的葡萄糖，0.214g的氯化铵，0.158g的磷酸二氢钾溶解，然后取3.5ml的40g/l的mgso4和30g/l的cacl2以及3.5ml微量元素，
15.5、化学需氧量测定，
16.取10ml混合均匀的水样，置于250ml磨口的回流锥形瓶中，准确加入5.00ml重铬酸钾溶液及数粒小玻璃珠或沸石，连接磨口回流冷凝管，从冷凝管上慢慢加入15ml硫酸银溶液；轻轻摇动锥形瓶使溶液混匀，加热回流1h，
17.废水中氯离子超过30mg/l时，先把0.2g硫酸汞加入回流锥形瓶中，再加10.00ml废水，摇匀，
18.冷却后，用45ml水冲洗冷凝管壁，取下锥形瓶；溶液体积不得少于70ml，
19.溶液再度冷却后，加3滴试亚铁灵指示液，用硫酸亚铁铵标准溶液滴定，溶液的颜色由黄色经蓝绿色至红褐色即为终点，记录硫酸亚铁铵标准溶液的用量，
20.测定水样的同时，以10.00ml重蒸馏水，按同样操作步骤做空白实验；记录滴定空白时硫酸亚铁铵标准溶液的用量，
21.数据处理
[0022][0023]
式中：c—硫酸亚铁铵标准溶液的浓度，mol/l；
[0024]v0
—滴定空白时硫酸亚铁铵标准溶液的用量，ml；
[0025]v1
—滴定水样时硫酸亚铁铵标准溶液的用量，ml；
[0026]
v—水样的体积，ml；
[0027]
6、总有机碳的测定，
[0028]
将水样预先酸化，通入氮气曝气，驱除各种碳酸盐分解生成的二氧化碳后再注入仪器测定；
[0029]
开气后，打开总有机碳测定仪，通过multi软件，out调节至160，等待furnace升温到800，点击load method，选择toc，点击start measurement、sample td、start，等待出现please feed sample into tic后用专用针筒加入过滤后水溶液，点击ok，等待数据，
[0030]
7、获取不同因素下植物废弃物释碳浓度，
[0031]
时间：分别称取备用的碳源材料各1g，放入250ml锥形瓶中，加入80ml去离子水，再将锥形瓶静置于恒温恒湿箱中，实验温度控制在25℃
±
1℃，ph在7左右，粒径0.18mm，分别在5h、6h、7h、8h、9h、10h取样，水溶液经过滤后，测定其cod浓度和toc浓度。
[0032]
温度：分别称取备用的碳源材料各1g，放入250ml锥形瓶中，加入80ml去离子水，再将锥形瓶置于恒温恒湿箱中，实验温度分别控制在10℃
±
1℃，20
±
1℃，30
±
1℃，40
±
1℃，ph在7左右，粒径0.18mm，8h后取样，水溶液经漏斗过滤后，测定其cod浓度和toc浓度，
[0033]
固液比：分别称取碳源材料各1g，放入250ml锥形瓶中，分别加入40ml、80ml、160ml和200ml去离子水，再将锥形瓶置于恒温恒湿箱中，实验温度控制在25℃
±
1℃，ph在7左右，粒径0.18mm，8h后取样，水溶液经漏斗过滤后，测定其cod浓度和toc浓度。
[0034]
粒径：分别称取过筛目数为200目、100目、80目、60目、40目和20目备用的碳源材料各1g，放入250ml锥形瓶中，加入80ml去离子水，再将锥形瓶置于恒温恒湿箱中，实验温度控制在25℃
±
1℃，ph在7左右，粒径0.18mm，8h后取样，水溶液经漏斗过滤后，测定其cod浓度和toc浓度。
[0035]
搅拌强度：分别称取备用的碳源材料各1g，放入250ml锥形瓶中，加入80ml去离子水，再将锥形瓶置于水浴恒温箱中，改变搅拌强度分别为60r/min、100r/min、130r/min、160r/min和180r/min，实验温度控制在25℃
±
1℃，ph在7左右，粒径0.18mm，8h后取样，水溶液经漏斗过滤后，测定其cod浓度和toc浓度。
[0036]
8、评价，
[0037]
通过比较不同碳源的化学需氧量、总有机碳浓度，评价碳源释碳能力，
[0038]
通过时间、温度、固液比、粒径、搅拌强度的不同，评估不同因素对释碳能力的影响。
[0039]
进一步地，配置实验试剂步骤中，重铬酸钾标准溶液配置方法为：称取预先在120℃烘干2h的基准或优级纯重铬酸钾12.258g溶于水中，移入1000ml容量瓶，稀释至标线，摇匀；
[0040]
试亚铁灵指示剂配置方法为：称取1.485g邻菲咯啉(c
12
h8n2·
h2o，1，10，10-phenanthnoline)、0.695g硫酸亚铁(feso4·
7h2o)溶于水中，稀释至100ml，储于棕色瓶内；
[0041]
硫酸亚铁铵标准溶液配置方法为：称取19.75g硫酸亚铁铵溶于水中，边搅拌边缓慢加入10ml浓硫酸，冷却后移入1000ml容量瓶中，加水稀释至标线，摇匀；
[0042]
硫酸-硫酸银溶液配置方法为：于500ml浓硫酸溶液中加入5g硫酸银，放置1-2d，不时摇动使其溶解。
[0043]
进一步地，化学需氧量测定时，加热回流自开始沸腾时计时。
[0044]
进一步地，化学需氧量测定时，先取上述操作所需体积1/10的废水样和试剂：于15mm
×
15mm硬质玻璃管中，摇匀，加热后观察是否变成绿色；如果溶液显绿色，再适当减少废水取样量，直至溶液不变为绿色；从而确定废水样分析时应取用的体积。稀释时，所取废水样量不得少于5ml，如果化学需氧量很高，则废水应多次稀释。
[0045]
本发明的有益效果：
[0046]
本发明的所述的植物废弃物的释碳能力评价方法，选取不同植物废弃物作为固体碳源，研究其释碳效果和其在各种条件下的释放规律，从而优选出技术上先进、可靠，经济上合理的反硝化外加碳源及最佳释碳条件。这对解决目前植物废弃物的利用问题、开发廉价实用的环保材料，以及解决污水处理厂外加碳源的问题具有重要的意义和引导作用。
附图说明
[0047]
图1为本发明所述的植物废弃物的释碳能力评价方法的流程示意图；
[0048]
图2为三种碳源材料(水稻稻壳、秸秆、木屑)不同时间下cod与toc的浓度变化；
[0049]
图3为三种碳源材料(水稻稻壳、秸秆、木屑)不同温度下cod与toc的浓度变化；
[0050]
图4为三种碳源材料(水稻稻壳、秸秆、木屑)不同固液比下cod与toc的浓度变化；
[0051]
图5为三种碳源材料(水稻稻壳、秸秆、木屑)不同粒径下cod与toc的浓度变化；
[0052]
图6为三种碳源材料(水稻稻壳、秸秆、木屑)不同搅拌强度下cod与toc的浓度变
化。
具体实施方式
[0053]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0054]
实验药品及仪器、器皿如下：
[0055]
表1实验药品及规格
[0056][0057][0058]
表2实验仪器、设备及型号
[0059][0060]
表3主要器皿
[0061][0062]
如图1所示，一种植物废弃物的释碳能力评价方法，包括以下步骤：
[0063]
1、固体碳源的采集，
[0064]
将植物废弃物收集后，洗净、晾干，分种类储藏于干燥箱中，
[0065]
2、原材料的预处理，
[0066]
取出干燥箱中的原料，用粉碎机粉碎，分别过200目、100目、80目、60目、40目和20目筛，在烘箱中65℃下烘24小时，冷却，最后装入样品袋置于干燥剂中备用，
[0067]
3、配置实验试剂，
[0068]
分别配置重铬酸钾标准溶液、试亚铁灵指示剂、硫酸亚铁铵标准溶液、硫酸-硫酸银溶液，
[0069]
4、模拟废水的配置，
[0070]
取自来水2.2升，称取0.8g的葡萄糖，0.214g的氯化铵，0.158g的磷酸二氢钾溶解，然后取3.5ml的40g/l的mgso4和30g/l的cacl2以及3.5ml微量元素，
[0071]
5、化学需氧量测定，
[0072]
取10ml混合均匀的水样，置于250ml磨口的回流锥形瓶中，准确加入5.00ml重铬酸钾溶液及数粒小玻璃珠或沸石，连接磨口回流冷凝管，从冷凝管上慢慢加入15ml硫酸银溶液；轻轻摇动锥形瓶使溶液混匀，加热回流1h，
[0073]
废水中氯离子超过30mg/l时，先把0.2g硫酸汞加入回流锥形瓶中，再加10.00ml废水，摇匀，
[0074]
冷却后，用45ml水冲洗冷凝管壁，取下锥形瓶；溶液体积不得少于70ml，
[0075]
溶液再度冷却后，加3滴试亚铁灵指示液，用硫酸亚铁铵标准溶液滴定，溶液的颜
色由黄色经蓝绿色至红褐色即为终点，记录硫酸亚铁铵标准溶液的用量，
[0076]
测定水样的同时，以10.00ml重蒸馏水，按同样操作步骤做空白实验；记录滴定空白时硫酸亚铁铵标准溶液的用量，
[0077]
数据处理
[0078][0079]
式中：c—硫酸亚铁铵标准溶液的浓度，mol/l；
[0080]v0
—滴定空白时硫酸亚铁铵标准溶液的用量，ml；
[0081]v1
—滴定水样时硫酸亚铁铵标准溶液的用量，ml；
[0082]
v—水样的体积，ml；
[0083]
6、总有机碳的测定，
[0084]
将水样预先酸化，通入氮气曝气，驱除各种碳酸盐分解生成的二氧化碳后再注入仪器测定；
[0085]
开气后，打开总有机碳测定仪，通过multi软件，out调节至160，等待furnace升温到800，点击load method，选择toc，点击start measurement、sample td、start，等待出现please feed sample into tic后用专用针筒加入过滤后水溶液，点击ok，等待数据，
[0086]
7、获取不同因素下植物废弃物释碳浓度，
[0087]
时间：分别称取备用的碳源材料各1g，放入250ml锥形瓶中，加入80ml去离子水，再将锥形瓶静置于恒温恒湿箱中，实验温度控制在25℃
±
1℃，ph在7左右，粒径0.18mm，分别在5h、6h、7h、8h、9h、10h取样，水溶液经过滤后，测定其cod浓度和toc浓度。
[0088]
温度：分别称取备用的碳源材料各1g，放入250ml锥形瓶中，加入80ml去离子水，再将锥形瓶置于恒温恒湿箱中，实验温度分别控制在10℃
±
1℃，20
±
1℃，30
±
1℃，40
±
1℃，ph在7左右，粒径0.18mm，8h后取样，水溶液经漏斗过滤后，测定其cod浓度和toc浓度，
[0089]
固液比：分别称取碳源材料各1g，放入250ml锥形瓶中，分别加入40ml、80ml、160ml和200ml去离子水，再将锥形瓶置于恒温恒湿箱中，实验温度控制在25℃
±
1℃，ph在7左右，粒径0.18mm，8h后取样，水溶液经漏斗过滤后，测定其cod浓度和toc浓度。
[0090]
粒径：分别称取过筛目数为200目、100目、80目、60目、40目和20目备用的碳源材料各1g，放入250ml锥形瓶中，加入80ml去离子水，再将锥形瓶置于恒温恒湿箱中，实验温度控制在25℃
±
1℃，ph在7左右，粒径0.18mm，8h后取样，水溶液经漏斗过滤后，测定其cod浓度和toc浓度。
[0091]
搅拌强度：分别称取备用的碳源材料各1g，放入250ml锥形瓶中，加入80ml去离子水，再将锥形瓶置于水浴恒温箱中，改变搅拌强度分别为60r/min、100r/min、130r/min、160r/min和180r/min，实验温度控制在25℃
±
1℃，ph在7左右，粒径0.18mm，8h后取样，水溶液经漏斗过滤后，测定其cod浓度和toc浓度。
[0092]
8、评价，
[0093]
通过比较不同碳源的化学需氧量、总有机碳浓度，评价碳源释碳能力，
[0094]
通过时间、温度、固液比、粒径、搅拌强度的不同，评估不同因素对释碳能力的影响。
[0095]
在其中一个实例中，配置实验试剂步骤中，重铬酸钾标准溶液配置方法为：称取预
先在120℃烘干2h的基准或优级纯重铬酸钾12.258g溶于水中，移入1000ml容量瓶，稀释至标线，摇匀；
[0096]
试亚铁灵指示剂配置方法为：称取1.485g邻菲咯啉(c
12
h8n2·
h2o，1，10，10-phenanthnoline)、0.695g硫酸亚铁(feso4·
7h2o)溶于水中，稀释至100ml，储于棕色瓶内；
[0097]
硫酸亚铁铵标准溶液配置方法为：称取19.75g硫酸亚铁铵溶于水中，边搅拌边缓慢加入10ml浓硫酸，冷却后移入1000ml容量瓶中，加水稀释至标线，摇匀；
[0098]
硫酸-硫酸银溶液配置方法为：于500ml浓硫酸溶液中加入5g硫酸银，放置1-2d，不时摇动使其溶解。
[0099]
在其中一个实例中，化学需氧量测定时，加热回流自开始沸腾时计时。
[0100]
在其中一个实例中，化学需氧量测定时，先取上述操作所需体积1/10的废水样和试剂：于15mm
×
15mm硬质玻璃管中，摇匀，加热后观察是否变成绿色；如果溶液显绿色，再适当减少废水取样量，直至溶液不变为绿色；从而确定废水样分析时应取用的体积。稀释时，所取废水样量不得少于5ml，如果化学需氧量很高，则废水应多次稀释。
[0101]
本发明的工作原理：
[0102]
本发明通过简便的化学实验方法，选取不同植物废弃物作为固体碳源，通过采用有机碳静态的释放方法，研究其释碳效果和其在各种条件下的释放规律，从而优选出技术上先进、可靠，经济上合理的反硝化外加碳源及最佳释碳条件。通过本评价方法可以选出释碳强的植物废弃物作为外加碳源，同时可以确定优化后的外加碳源的最佳运行条件。这对解决目前植物废弃物的利用问题、开发廉价实用的环保材料及解决污水处理厂外加碳源的问题具有重要的意义和引导作用。
[0103]
从图2中可以明显看出，在7—8h时其浸出液cod、toc浓度达到最高，后呈现下降趋势。
[0104]
从图3中可以明显看出，释碳能力都随着温度的增加而增强，温度越高，浸出液cod浓度和toc越大，这是因为温度升高，固体碳源材料内分子的热运动增加，加速了碳源材料和外界水体之间的传递，对材料里的有机物释放有益。因此，随着温度的升高，固体碳源浸泡液中的有机物含量也随着增加。
[0105]
从图4中可以明显看出，随着固液比的增大，碳源材料的cod和toc浓度都在增加。碳源的浸出液cod和toc浓度随固液比增加而增大，是因为增加固液比，增大了碳源材料与外界水体之间的浓度差，有利于两者之间的传质，从而导致了有机物释放速率和释放量的增大。因此，浸出液cod和toc浓度受到固液比的影响明显。
[0106]
从图5中可以明显看出，粒径对部分碳源的cod浓度的影响较大，粒径越大，其释碳性能越差。因为粒径越小，其与水的接触越大，浸出的效果越好。
[0107]
从图6中可以明显看出，随着搅拌强度的加强，植物废弃物的释碳能力在降低，但是其降低幅度不大，相对比较平稳，故搅拌强度对植物废弃物的释碳性能的影响不大。
[0108]
以上叙述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。