生态工程实验指导 李季胡菊编 中国农业大学资环学院 二OO五年一月
1 生态工程实验指导 李 季 胡 菊 编 中国农业大学资环学院 二○○五年一月
目录 第一部分好氧堆肥过程监测.1 实验一、堆肥温度的监测及取样.8 实验二、堆肥pH值、电导率的测定.9 实验三、堆肥种子发芽率和发芽指数的测定.9 实验四、堆肥含水率的测定. .9 实验五、滤膜法测定堆肥大肠菌群.10 实验六、堆肥有机质的测定.1 实验七、堆肥全氮的测定.3 第二部分景观水体微生物净化实验.13 实验一、pH值的测定.6 实验二、浊度的测定.8 实验三、藻类的种类鉴定和计数.19 实验四、叶绿素a的测定. .20 实验五、化学需氧量的测定.21 实验六、生化需氧量的测定.22
2 目 录 第一部分 好氧堆肥过程监测.1 实验一、堆肥温度的监测及取样.8 实验二、堆肥 pH 值、电导率的测定.9 实验三、堆肥种子发芽率和发芽指数的测定.9 实验四、堆肥含水率的测定.9 实验五、滤膜法测定堆肥大肠菌群.10 实验六、堆肥有机质的测定.11 实验七、堆肥全氮的测定.13 第二部分 景观水体微生物净化实验.13 实验一、pH 值的测定.16 实验二、浊度的测定.18 实验三、藻类的种类鉴定和计数.19 实验四、叶绿素 a 的测定.20 实验五、化学需氧量的测定.21 实验六、生化需氧量的测定.22
第一部分好氧堆肥过程监测 一、实验目的 堆肥曾是广大农村长期以来利用畜禽粪便与秸杆制造有机肥的传统方法，随着社会经济 理和资源利用的一项重要工程，具有十分重要的地位。 本次堆肥实验目的在于使学生了解好氧堆肥的过程及特点，熟悉堆肥的腐熟标准，为实 际从事堆肥科学奠定一定实验及观察基础。 二、实验原理 (一)堆肥的定义 堆肥是利用秸杆、落叶、杂草、绿肥、草炭、垃圾、污泥和人畜粪尿等各类有机废弃物 堆积起来，在微生物（细菌、放线菌、真菌）的作用下，将有机废弃物中的复杂的有机物质 降解为细胞可利用小分子物质，释放出C0、H0和热量。 堆肥是使有机物矿质化、腐质化和无害化而变成腐熟肥料的过程。简而言之，堆肥化处 理是依靠自然界的微生物对有机物有控制地进行生物降解，使之转化为腐殖质的生物化学处 理技术。堆肥在微生物分解有机物的过程中，不断生成大量可被植物利用的有效氨、磷、钾 养分，同时又合成腐殖质，它是构成堆肥巴力的重要活性物质。 根据堆肥处理过程中起作用的微生物对氧气的不同需求，将堆肥分为好氧堆肥和厌氧堆 肥。好氧堆肥堆体温度高， 一般在50-60℃，故亦称为高温好氧堆肥。高温好氧堆肥反应过 程如图1.1。 细孢物 腐殖质物质 堆肥有机物 微生物生长 (C,H,O,N,P.S) (C.H.ONPS)+ 氧气+微生物 一氧化碳、水，氯、感 能量 酸根离子、硫酸根离子 排入环境 图1，】好氧堆肥的反应过程 高温好氧堆肥具有耗时短，异味少的优点，可以最大限度地消灭病原菌，同时较充分地 降解有机物，所以高温好氧堆肥已成为目前主要的堆肥方式 (二)堆肥的微生物学过程 3
3 第一部分 好氧堆肥过程监测 一、实验目的 堆肥曾是广大农村长期以来利用畜禽粪便与秸杆制造有机肥的传统方法，随着社会经济 飞速发展，有机废弃物的种类越来越多，生活垃圾、畜禽粪便、工业废渣、有毒的难降解物 均可以通过堆肥来处理。堆肥在物质的循环和利用上已成为不可缺少的部分，它作为环境处 理和资源利用的一项重要工程，具有十分重要的地位。 本次堆肥实验目的在于使学生了解好氧堆肥的过程及特点，熟悉堆肥的腐熟标准，为实 际从事堆肥科学奠定一定实验及观察基础。 二、实验原理 （一）堆肥的定义 堆肥是利用秸杆、落叶、杂草、绿肥、草炭、垃圾、污泥和人畜粪尿等各类有机废弃物 堆积起来，在微生物（细菌、放线菌、真菌）的作用下，将有机废弃物中的复杂的有机物质 降解为细胞可利用小分子物质，释放出 CO2、H2O 和热量。 堆肥是使有机物矿质化、腐质化和无害化而变成腐熟肥料的过程。简而言之，堆肥化处 理是依靠自然界的微生物对有机物有控制地进行生物降解，使之转化为腐殖质的生物化学处 理技术。堆肥在微生物分解有机物的过程中，不断生成大量可被植物利用的有效氮、磷、钾 养分，同时又合成腐殖质，它是构成堆肥肥力的重要活性物质。 根据堆肥处理过程中起作用的微生物对氧气的不同需求，将堆肥分为好氧堆肥和厌氧堆 肥。好氧堆肥堆体温度高，一般在 50~60℃，故亦称为高温好氧堆肥。高温好氧堆肥反应过 程如图 1.1。 图 1.1 好氧堆肥的反应过程 高温好氧堆肥具有耗时短，异味少的优点，可以最大限度地消灭病原菌，同时较充分地 降解有机物，所以高温好氧堆肥已成为目前主要的堆肥方式。 （二）堆肥的微生物学过程 堆 肥 有 机 物 （C,H,O,N,P,S）+ 氧气+微生物 细胞物质 微生物生长 SHENGZHANG 腐 殖 质 物 质 （C,H,O,N,P,S） ＋ 二氧化碳、水、氨、磷 酸根离子、硫酸根离子 ＋ 能量 排入环境
在高温堆肥中涉及的微生物数目巨大，种类繁多。微生物的活动主要分为三个时期： 糖分解期、纤维素分解期和木质素分解期。堆制初期主要是氨化细菌、糖分解菌等无芽孢细 菌为主，对粗有机质、糖分等水溶性有机物以及蛋白质类进行分解 称为“糖分解期”。 堆内温度升高到50℃~70℃的高温阶段，高温性纤维索分解菌占优势，除继续分解易分解的 有机物质外，主要分解半纤维素、纤维素等复杂有机物，同时也开始了腐殖化过程，这一阶 段称为“纤维素分解期”。当堆肥温度降至50℃以下时，高温分解菌的活动受到抑制，中温 性微生物显著增加，主要分解残留下来的纤维素、半纤维素、木质素等物质，称为“木质素 分解 温度和有机质决定微生物的群落结构，因此根据耐受性温度来给微生物分类，可分为 嗜冷微生物(0℃~25℃)，嗜温微生物(25℃~45℃)和嗜热微生物(>45℃)。从生物学角 度来说，堆肥微生物主要有：细菌、放线菌、真菌（包括霉菌和酵母菌），还有病原体等。 其中细南每克堆配中数目为108109、放线菌每克堆肥中数目为10的10修、直菌每克堆巴中数 目为10-10，藻类每克堆肥中数目<10 从各种废弃物堆肥过程中已分离到的微生物细 总数约有18种、放线菌16种、真菌37 (三)堆肥的条件 堆肥过程既然是微生物作用的过程，堆肥的条件就要满足微生物的生长繁殖。堆肥的影 响因素很多 人们可以通过调控堆肥的影 因素来 控微生物生长繁殖，最终控制堆肥反应 的速度和过程。堆肥的影响因素主要有以下几个方面： 1、有机质的含量 对于高温堆肥技术处理城市生活垃圾、污泥、作物秸秆和畜禽粪便，关键是温度的问题 温度是由微生物的活动决定的，而微生物的活动由堆肥原料的有机质决定的。堆肥原料的有 机质含量低，在物质发酵的过程中产生的热量将不足以维持堆肥所需的温度，堆肥难以完成， 而且产生的堆肥肥效低。过高的有机质堆肥原料将影响通风供氧，使堆肥厌氧并且产生臭气。 研究表明，堆肥中合话的右机物含量约为20%80%，一般的原料均能满足。 2.C/N比 微生物在分解含碳有机物时，必须同时利用一定的氯素来构成自身细胞体，合理调节堆 肥原料中的碳氨比，是加速堆肥腐熟，提高腐殖化系数的有效途径。据研究，一般微生物每 消耗25份有机碳，需要吸收1份氨素，微生物分解有机物较适宜的CN比为25左右。C八 比高时，一方面微生物生长受到限制，有机物分解速度慢，发酵时间长：另一方面要损失大 量的有机原料，腐殖质化系数大大降低。而且堆肥CN比高容易造成堆肥成品CN比高， 堆肥成品施入堆配后易造成堆肥缺氮，从而影响作物生长。CN比低时，在DH值和温度过 高的条件下，易造成氮挥发，导致氮营养元素损失而降低肥效。有机物被微生物分解的速度 快慢随CN的变化而变化，适宜的CN比值约为430：CN比为10-25时，有机物的降解 速度最大。一般认为，碳氮比调到25左右较为合适。 有机固体废弃物含碳量一般为40%-55%，氮的含量变化却很大，因而CN比的变化也 较大。一般禾本科植物的CN比较高，CN比为40-60左右：畜禽粪便、城市污泥CN比 较低，CN比为10-30左右。因此堆肥过程要有理想的分解速度，在进行堆肥时需用CN
4 在高温堆肥中涉及的微生物数目巨大，种类繁多。微生物的活动主要分为三个时期： 糖分解期、纤维素分解期和木质素分解期。堆制初期主要是氨化细菌、糖分解菌等无芽孢细 菌为主，对粗有机质、糖分等水溶性有机物以及蛋白质类进行分解，称为“糖分解期”。当 堆内温度升高到 50℃~70℃的高温阶段，高温性纤维素分解菌占优势，除继续分解易分解的 有机物质外，主要分解半纤维素、纤维素等复杂有机物，同时也开始了腐殖化过程，这一阶 段称为“纤维素分解期”。当堆肥温度降至 50℃以下时，高温分解菌的活动受到抑制，中温 性微生物显著增加，主要分解残留下来的纤维素、半纤维素、木质素等物质，称为“木质素 分解期”。 温度和有机质决定微生物的群落结构，因此根据耐受性温度来给微生物分类，可分为： 嗜冷微生物（0℃~25℃），嗜温微生物（25℃~45℃）和嗜热微生物（>45℃）。从生物学角 度来说，堆肥微生物主要有：细菌、放线菌、真菌（包括霉菌和酵母菌），还有病原体等。 其中细菌每克堆肥中数目为 108~109、放线菌每克堆肥中数目为 105~108、真菌每克堆肥中数 目为 104~106，藻类每克堆肥中数目<104。从各种废弃物堆肥过程中已分离到的微生物细菌 总数约有 18 种、放线菌 16 种、真菌 37 种。 （三）堆肥的条件 堆肥过程既然是微生物作用的过程，堆肥的条件就要满足微生物的生长繁殖。堆肥的影 响因素很多，人们可以通过调控堆肥的影响因素来调控微生物生长繁殖，最终控制堆肥反应 的速度和过程。堆肥的影响因素主要有以下几个方面： 1、有机质的含量 对于高温堆肥技术处理城市生活垃圾、污泥、作物秸秆和畜禽粪便，关键是温度的问题。 温度是由微生物的活动决定的，而微生物的活动由堆肥原料的有机质决定的。堆肥原料的有 机质含量低，在物质发酵的过程中产生的热量将不足以维持堆肥所需的温度，堆肥难以完成， 而且产生的堆肥肥效低。过高的有机质堆肥原料将影响通风供氧，使堆肥厌氧并且产生臭气。 研究表明，堆肥中合适的有机物含量约为 20%~80%，一般的原料均能满足。 2、C/N 比 微生物在分解含碳有机物时，必须同时利用一定的氮素来构成自身细胞体，合理调节堆 肥原料中的碳氮比，是加速堆肥腐熟，提高腐殖化系数的有效途径。据研究，一般微生物每 消耗 25 份有机碳，需要吸收 1 份氮素，微生物分解有机物较适宜的 C/N 比为 25 左右。C/N 比高时，一方面微生物生长受到限制，有机物分解速度慢，发酵时间长；另一方面要损失大 量的有机原料，腐殖质化系数大大降低。而且堆肥 C/N 比高容易造成堆肥成品 C/N 比高， 堆肥成品施入堆肥后易造成堆肥缺氮，从而影响作物生长。C/N 比低时，在 pH 值和温度过 高的条件下，易造成氮挥发，导致氮营养元素损失而降低肥效。有机物被微生物分解的速度 快慢随 C/N 的变化而变化，适宜的 C/N 比值约为 4~30；C/N 比为 10~25 时，有机物的降解 速度最大。一般认为，碳氮比调到 25~左右较为合适。 有机固体废弃物含碳量一般为 40％-55％，氮的含量变化却很大，因而 C/N 比的变化也 较大。一般禾本科植物的 C/N 比较高，C/N 比为 40~60 左右；畜禽粪便、城市污泥 C/N 比 较低，C/N 比为 10~30 左右。因此堆肥过程要有理想的分解速度，在进行堆肥时需用 C/N
比低的畜禽粪便、城市污泥来与秸杆混合调整合适的CN比。 3、C/P比 堆肥制作是一个复杂的生物化学过程，伴随着堆肥化进程磷、钾的固定和释放，而有效 磷和速效钾含量会直接影响最终堆肥品质。一般要求堆肥料的CP比在75-150为宜。 4、水分 堆制过程中保持适当的含水量，是制好堆肥的首要条件。植物茎杆吸水后膨胀软化，有 水分在堆肥中移动时，所带菌体也向各处移动，使堆肥分解腐熟均匀： 水 料给微生物的营养和繁殖创适了条件。水分太少， 生物 动文 ,影 堆肥速度：水分太多，堵塞堆肥的空隙，影响通气，易厌氧，堆肥缓慢。堆制过程中一般以 堆肥内水分含量为原料的60%~70%为宜。一般腐熟不好的堆肥多是由于在堆制过程中堆内 水分不好控制所致。 5、酸碱度 pH值是影响微生物生长的重要因素之一。分解有机物的微生物大多数适合在pH6.48.1 的中性到偏碱性环境中繁殖与活动。细菌和放线菌最适合的生长条件为中性和微碱性，真菌 为嗜酸性环境。研究表明堆肥讨程中日的降低会导致真南的讯速增长，其他蘭群不受影响。 所以pH不是影响各种微生物种群变化的主要原因，一般认为pH12之间都可以进行堆肥， 适宜的范围为pH7.8-8.5。 般在堆制过程中，没有其他的特殊要求不必调H值。在一些堆制过程中，由于微生 物的作用而产生有机酸，可根据原料的酸碱性，适当加入石灰等碱性物质，以调节酸碱度。 为了减少氨素的损失，可以用碱性磷肥，调节酸碱度。 6、温度 堆肥温度是微生物活动状况的标志，堆温的高低决定堆肥速度的快慢。温度的变化反映 了堆肥过程中微生物活性的变化。 方面这种变化与堆肥中可被氧化分解有机质的含量呈正相关。无论何种物料的堆肥， 其温度通常在开始的3~5从环境温度迅速上升至60~70℃的高温，并在这一水平持续 段时间后逐渐下降。当其趋近于环境温度时，表明有机质的分解接近完全，堆肥可被认为已 达稳定。 另一方面新鲜的有机固体废弃物中含有大量致病微生物，如大肠杆菌、病毒及寄生虫等， 直接影响堆肥的安全性。但这些致病微生物对温度非常敏感，当堆肥的温度高于55℃，并 保持4以上时，可杀死大多数病原菌。经过高温阶段后，堆肥中己经检测不出大肠杆菌的 存在。堆肥经 55℃以上高温达3天即可有效杀灭绝大部分病原菌及虫卵。 一般认为堆 温度在50℃以上并维持5~10天，符合粪便无害化卫生标准。 有研究显示，堆肥的最适宜温度在50~60℃之间，也有人认为城市固体废物堆肥的最 适宜温度为65~70℃。一般来说，大部分的微生物活动的适宜温度是50-60℃，堆肥的温度 5
5 比低的畜禽粪便、城市污泥来与秸杆混合调整合适的 C/N 比。 3、C/P 比 堆肥制作是一个复杂的生物化学过程，伴随着堆肥化进程磷、钾的固定和释放，而有效 磷和速效钾含量会直接影响最终堆肥品质。一般要求堆肥料的 C/P 比在 75-150 为宜。 4、水分 堆制过程中保持适当的含水量，是制好堆肥的首要条件。植物茎杆吸水后膨胀软化，有 利于微生物分解；水分在堆肥中移动时，所带菌体也向各处移动，使堆肥分解腐熟均匀；水 中溶解的各种养料给微生物的营养和繁殖创造了条件。水分太少，微生物活动受限制，影响 堆肥速度；水分太多，堵塞堆肥的空隙，影响通气，易厌氧，堆肥缓慢。堆制过程中一般以 堆肥内水分含量为原料的 60%~70%为宜。一般腐熟不好的堆肥多是由于在堆制过程中堆内 水分不好控制所致。 5、酸碱度 pH 值是影响微生物生长的重要因素之一。分解有机物的微生物大多数适合在 pH6.4~8.1 的中性到偏碱性环境中繁殖与活动。细菌和放线菌最适合的生长条件为中性和微碱性，真菌 为嗜酸性环境。研究表明堆肥过程中 pH 的降低会导致真菌的迅速增长，其他菌群不受影响。 所以 pH 不是影响各种微生物种群变化的主要原因，一般认为 pH3~12 之间都可以进行堆肥， 适宜的范围为 pH7.8~8.5。 一般在堆制过程中，没有其他的特殊要求不必调 pH 值。在一些堆制过程中，由于微生 物的作用而产生有机酸，可根据原料的酸碱性，适当加入石灰等碱性物质，以调节酸碱度。 为了减少氮素的损失，可以用碱性磷肥，调节酸碱度。 6、温度 堆肥温度是微生物活动状况的标志，堆温的高低决定堆肥速度的快慢。温度的变化反映 了堆肥过程中微生物活性的变化。 一方面这种变化与堆肥中可被氧化分解有机质的含量呈正相关。无论何种物料的堆肥， 其温度通常在开始的 3～5ｄ从环境温度迅速上升至 60～70℃的高温，并在这一水平持续一 段时间后逐渐下降。当其趋近于环境温度时，表明有机质的分解接近完全，堆肥可被认为已 达稳定。 另一方面新鲜的有机固体废弃物中含有大量致病微生物，如大肠杆菌、病毒及寄生虫等， 直接影响堆肥的安全性。但这些致病微生物对温度非常敏感，当堆肥的温度高于 55℃，并 保持 4ｄ以上时，可杀死大多数病原菌。经过高温阶段后，堆肥中已经检测不出大肠杆菌的 存在。堆肥经过 55℃以上高温达 3 天即可有效杀灭绝大部分病原菌及虫卵。一般认为堆肥 温度在 50℃以上并维持 5~10 天，符合粪便无害化卫生标准。 有研究显示，堆肥的最适宜温度在 50～60℃之间，也有人认为城市固体废物堆肥的最 适宜温度为 65～70℃。一般来说，大部分的微生物活动的适宜温度是 50~60℃，堆肥的温度