CN115197829A - 一种好氧生物降解性测试系统及方法 - Google Patents

一种好氧生物降解性测试系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种好氧生物降解性测试系统及方法，系统包括：氧气供给单元用于存放好氧生物降解反应所需的氧气；气体计量单元用于通过进气管将所述氧气供给单元中的氧气导入至所述好氧发酵单元；气体计量单元，通过导气管与氧气供给单元连接，用于计算出负压导入所述好氧发酵单元中的消耗气体体积；数据处理单元用于反应过程数据采集，根据所述消耗气体体积，计算所述降解反应的生物降解率；好氧发酵单元，包括：发酵瓶和两级原位吸附模块，放置于恒温培养箱内部；发酵瓶用于进行降解反应；两级原位吸附模块用于吸附所述发酵瓶内降解反应所产生的二氧化碳。本发明自动化程度高，操作简单，使用方便，测试效率高。

Description

一种好氧生物降解性测试系统及方法
技术领域
本发明涉及生物降解测定仪技术，具体涉及一种好氧生物降解性测试系统及方法。
背景技术
废弃有机污染物中有些能够在自然环境酶的催化作用下，通过氧化、还原、水解、脱氢、脱中等一系列化学反应，使复杂的有机化合物转变为简单的有机化合物或无机化合物，但有相当一部分，在自然环境下较难降，对人类和生态造成巨大威胁。在有机污染物生物降解研究中，很重要的一点是有机污染物的生物降解究竟能进行到什么程度。因此，准确测量有机污染物的微生物好氧降解性对研究好氧发酵处理有机废弃物技术具有重要的意义。
近年来，对有机固废和塑料等材料的生物降解性能需求不断增长。关于这类化合物在好氧条件下的迁移转化规律以及对环境的影响通过许多不同的方法理论进行了大量的科学研究。虽然在过去30多年中已经可以对成千上万种的不同化合物在好氧条件下的生物降解性能进行定量化测试，但不同文献中的生物降解性能数据很难进行对比分析。这主要是因为试验条件和所用测试方法的多种多样。例如，接种液，营养混合物，液体体积和顶部空间的容量，pH，顶部空间的压力和物料混合程度都有可能不同。这种差异对于好氧条件下化合物的测试尤为明显。
好氧生物降解能力可以由消耗的氧气体积来测定, 也可以由底物消耗量来测定或者是由不同微生物作用的中间产物和最终产物的组成来测定。常规技术是利用数字压力传感装置测定封闭瓶子中的顶空压力，同时通过总有机碳（TOC）分析仪测定无机碳（IC）的量来测定溶解的CO2的量。这类方法需要定期人工操作，且误差较大。
气液置换(经典排水法)系环境领域厌氧消化相关研究常用的微量气体测量方法，有较高的测量精准度，一直用于正压产气的测量。但排水法基本没有用于好氧生物降解消耗氧气等负压产气的测量。
另外，对于好氧生物降解性测试系统来说，发酵产生二氧化碳气体的高效吸附固定是测试精准的关键，也是整套标准化系统的核心部件，通常采用发酵罐软管连接单独设计的碱液吸附装置来进行生物降解性能的测试。近年来，一些研究人员和公司针对有机物的生物降解提出了堆肥生物降解性的测试方法。例如，中国实用新型专利，申请号为CN201721917449.X公开了一种微生物降解呼吸仪，该装置采用气泡计数(红外计数)法计量气体消耗测定耗氧速率，自动化程度高。然而，异位碱液吸收效率低，且不同气体流速下产生的气泡大小(即体积)不一样，这都会导致较大的测量误差；中国实用新型专利申请号为CN202120574548.2公开了一种全自动生化需氧量测定仪，基于排水法原理实施软硬件结合，实现自动化测定。但该技术未在吸附单元前面加冷凝装置，会导致反应器内大量水蒸气进入吸附单元，影响堆肥的有效降解。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明实施例提供了一种好氧生物降解性测试系统及方法，解决了现有技术中由于二氧化碳吸附效率低，无法有效防止物料中的水分蒸发，造成物料降解反应不顺畅，同时水汽冷却后回流稀释碱液，使得碱液的利用效率低，还需要频繁地更换碱液，造成人力浪费。
根据第一方面，本发明实施例提供了一种好氧生物降解性测试系统，包括：包括：氧气供给单元、好氧发酵单元、气体计量单元以及数据处理单元，其中，
所述氧气供给单元用于存放好氧生物降解反应所需的氧气；
所述气体计量单元，通过进气管与所述好氧发酵单元连接，用于将所述氧气供给单元中的氧气导入至所述好氧发酵单元，所述进气管上设有单向阀，用于控制气体流向；通过导气管与所述氧气供给单元连接，用于计算出负压导入所述好氧发酵单元中的消耗气体体积；
所述好氧发酵单元用通入的氧气改善反应传质，对所述好氧生物进行降解反应；
所述数据处理单元用于反应过程数据采集，根据所述消耗气体体积，计算所述降解反应的生物降解率；
所述好氧发酵单元，包括：恒温培养箱、发酵瓶以及两级原位吸附模块，其中，所述的发酵瓶和两级原位吸附模块，放置于恒温培养箱内部；
所述发酵瓶用于进行降解反应，所述降解反应是通过反应物料被所述好氧生物降解进行的反应；
所述两级原位吸附模块用于吸附所述发酵瓶内降解反应所产生的二氧化碳。
本发明实施例提供的好氧生物降解性测试系统，自动化程度高，操作简单，使用方便，可多个通道并行工作处理多个样品，测试效率高；氧气经气体流量计进入好氧发酵系统促进物料进行降解反应，反应产生的二氧化碳被吸附，反应器中产生的负压导致外部氧气得到补充；提高了数据的准确性，并且自动化的处理极大地减少了人力消耗。
结合第一方面，在第一方面第一实施方式中，所述好氧发酵单元，还包括：搅拌装置，所述搅拌装置为机械搅拌棒或磁力搅拌子。
其中，所述机械搅拌棒或磁力搅拌子设置于发酵瓶内，用于促进所述发酵瓶中的好氧微生物与氧气的接触，增加溶解氧，加快物料的混合以实现物料传递和热量传递，进而促进降解反应的进行。
结合第一方面，在第一方面第二实施方式中，所述两级原位吸附模块，包括：固体吸附模块及液体吸附模块，其中，
所述固体吸附模块设置于所述发酵瓶的内部瓶口以下，通过卡口固定，用于初级吸附降解反应产生的二氧化碳；
所述液体吸附模块设置于所述发酵瓶的瓶口上方，通过螺纹口拧紧固定，用于吸附所述固体吸附模块未吸附的二氧化碳。
结合第一方面第二实施方式，在第一方面第三实施方式中，
所述固体吸附模块包括碱块盛放腔体，腔体侧壁上设计有便于二氧化碳渗透进入的格栅孔结构；
所述液体吸附模块包括顶盖外倒锥形斜面回流结构，用于使所述发酵瓶中的冷凝水汽回流到发酵瓶中。
结合第一方面第二实施方式，在第一方面第四实施方式中，所述液体吸附模块包括：顶盖外倒锥形斜面与顶盖形成的双层腔体，用于在所述双层腔体中注入氟化冷却液，以防止物料的中水分的流失。
结合第一方面第二实施方式，在第一方面第五实施方式中，所述液体吸附模块还包括：顶部注液孔及底部排液口；所述顶部注液孔在顶盖面采用突出立柱结构便于向所述液体吸附模块中注入碱液，所述底部排液口位于所述液体吸附模块底部水平面最低处，便于排尽所述液体吸附模块中的碱液。
结合第一方面，在第一方面第六实施方式中，所述系统还包括数据处理单元，所述数据处理单元包括温度传感器和压力传感器，所述的温度传感器和压力传感器连接于气体计量单元内，用于换算为标准状况下耗氧气体体积。
根据第二方面，本发明实施例提供的好氧生物降解性测试方法，应用于第一方面任一所述的一种好氧生物降解性测试系统，包括：
接收氧气供给单元中的氧气，确定氧气浓度，并通过气体计量单元计算消耗气体体积；
利用导入的所述氧气对好氧生物进行降解反应；
根据所述消耗气体体积和氧气浓度计算出所述降解反应所产生的CO2浓度；
根据所述CO2浓度计算所述降解反应的生物降解率，所述生物降解率代表好氧生物降解性。
结合第二方面，在第二方面第一实施方式中，所述根据所述CO2浓度计算所述降解反应的生物降解率，包括：
通过以下公式计算在标准大气压下， 0℃温度下降解反应的二氧化碳理论释放量（ThCO 2 ），以克（g）表示：
Figure 621575DEST_PATH_IMAGE001
式中：
M VS ——试验开始加入堆肥容器的试验材料中的挥发性固体，单位为克（g）；
CVS——试验材料中总有机碳与挥发性固体的比，单位为g/g；
44和12——分别表示二氧化碳的分子量和碳的原子量；
通过以下公式计算好氧生物降解反应的生物降解率Dt（%）：
Figure 579166DEST_PATH_IMAGE002
式中：
（CO 2 ） T ——每个含有试验混合物的堆肥发酵瓶累计消耗氧气等效释放出的二氧化碳量，单位为g；
（CO 2 ） B ——空白发酵瓶累计消耗氧气等效释放出的二氧化碳量平均值，单位为g；
ThCO 2 ——试验材料产生的二氧化碳理论释放量，单位为g；
其中（CO 2 ） T 和（CO 2 ） B 分别表示每个含有试验混合物的堆肥容器累计放出的二氧化碳量和空白容器累计放出的二氧化碳量的平均值；
通过气体计量单元计算累积气体体积：
V s =Σf T,P *f w *V MC
式中：
V s ：标准大气压下， 0℃每个反应瓶对应的降解反应消耗气体体积等效的二氧化碳释放量，单位为L；
f T,P ：考虑温度和气体的因素
f w ：考虑气体中水含量的因素
V MC ：气体测定通道（cell）单次翻转理论体积
且根据理想气体定律可得
f T,P =V g /V gas =[(P gas *（T s +20)]/(P s *T gas )
根据道尔顿 (Dalton)提出的分压定律和Antoine方程可得气体水分含量的因素（f w ）：
f w =1-[101.32*10 8.07131-1730.63/(233.426+ti) ]/（760*P i ）
则每个含有试验混合物的堆肥发酵瓶释放二氧化碳的量（单位g）为：
（CO2）T=44*（Vs）T/22.4
空白发酵瓶释放二氧化碳的量平均值（单位g）为：
（CO2）B=44*（Vs）B/22.4
所以好氧生物降解反应的生物降解率（%）为：
Figure 706391DEST_PATH_IMAGE002
式中：
V ST ：表示标准大气压下， 0℃时每个试验样品反应瓶对应的降解反应消耗气体体积等效的二氧化碳释放量，单位为L；
V SB ：表示标准大气压下， 0℃时空白反应瓶对应的降解反应消耗气体体积的平均值等效的二氧化碳的平均释放量，单位为L。
结合第二方面，在第二方面第二实施方式中，所述方法还包括以下步骤：
S1，接种物预处理，按照颗粒小于1.0 cm×1.0 cm调节接种物；
S2，测定试验材料和参比材料的总有机碳，所述总有机碳用每克挥发性固体的总有机碳克数来表示；并将所述试验材料和参比材料预处理成预设形状，所述预设形状的表面积大小不超过1.5cm×1.5cm；
S3，配置试验材料，调节含水率后加入至好氧发酵单元中；
S4，通过气体计量单元计量消耗的氧气体积并确定释放的二氧化碳的量；
S5，根据计量的二氧化碳释放量和二氧化碳的理论释放量计算降解反应的生物降解率，生物降解率代表好氧生物降解性。
根据第三方面，本发明实施例提供了控制计算单元，包括：存储器和处理器，所述存储器和所述处理器之间互相通信连接，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令（包括但不限于降解过程的数据采集、计算、校准算法），从而执行第二方面或者第二方面的任意一种实施方式中所述的好氧生物降解性测试方法。
根据第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行第二方面或者第二方面的任意一种实施方式中所述的好氧生物降解性测试方法。
本发明提供的好氧生物降解性测试系统，自动化程度高，操作简单，使用方便，可多个通道并行工作处理多个样品，测试效率高；氧气经气体流量计进入好氧发酵系统促进物料进行降解反应，反应产生的二氧化碳被吸附，反应器中产生的负压导致外部氧气得到补充；提高了数据的准确性，并且自动化的处理极大地减少了人力消耗。其中，所述好氧发酵单元用通入的氧气改善反应传质；所述机械搅拌棒或磁力搅拌子设置于发酵瓶内，用于促进所述发酵瓶中的好氧微生物与氧气的接触，增加溶解氧，加快物料的混合以实现物料传递和热量传递，进而促进降解反应的进行。
采用两级原位吸附模块，提高二氧化碳吸附效率，有效防止物料中的水分蒸发，解决物料降解反应不顺畅的问题，同时水汽冷却后没有回流稀释碱液，进而提高碱液的利用效率，不需要频繁地更换碱液。
MVS为放入堆肥容器生物质的挥发性固体，相比总固量(TS)，主要表征有机物的含量，能更好的衡量降解物的降解程度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例的好氧生物降解性测试系统的示意图；
图2是根据本发明优选实施例的好氧生物降解性测试系统两级吸附模块的结构图；
图3是根据本发明优选实施例的好氧生物降解性测试系统两级吸附模块的吸附效果结果示意图；
图4是根据本发明优选实施例的好氧生物降解性测试方法的生物降解曲线图；
图5是根据本发明优选实施例的好氧生物降解性测试方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动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。
在本实施例中提供了一种好氧生物降解性测试系统，如以下所使用的，术语“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的系统较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。
因此，针对上述问题，本发明公开了好氧生物降解性测试系统，如图1所示，包括：氧气供给单元1、气体计量单元2、好氧发酵单元3以及数据处理单元5，其中，氧气供给单元1用于存放好氧生物降解反应所需的氧气；气体计量单元2，通过导气管6a与氧气供给单元1连接，用于计算出负压导入好氧发酵单元3中的消耗气体体积；其中导气管6a上设置有单向阀7a。气体计量单元2用于通过进气管6b与好氧发酵单元3连接，用于将所述氧气供给单元1中的氧气导入至所述好氧发酵单元3，进气管6b上设有单向阀7a，用于控制气体流向。
氧气通入好氧发酵单元3对降解物进行好氧降解反应；数据处理单元5用于反应过程数据采集，根据消耗气体体积，计算降解反应的生物降解率；好氧发酵单元3，包括：恒温培养箱4、发酵瓶以及两级原位吸附模块，其中，的发酵瓶和两级原位吸附模块放置于恒温培养箱4内部；发酵瓶用于进行降解反应，降解反应是通过反应物料被好氧生物降解进行的反应；两级原位吸附模块用于吸附发酵瓶内降解反应所产生的二氧化碳。其中，发酵瓶以及两级原位吸附模块的具体构造详细参见下文。
在实际应用中，本实施例提供的好氧生物降解性测试系统还包括数据处理单元5，其中数据处理单元5包括温度传感器和压力传感器，的温度传感器和压力传感器连接于气体计量单元内，用于换算为标准状况下耗氧气体体积。
在另一具体实施例中，如图2所示，上述好氧发酵单元3，还包括：搅拌装置34，搅拌装置34为机械搅拌棒或磁力搅拌子，其中，机械搅拌棒或磁力搅拌子设置于发酵瓶33内，用于促进发酵瓶33中的好氧微生物与氧气的接触，增加溶解氧，加快物料的混合以实现物料传递和热量传递，进而促进降解反应的进行。
具体地，两级原位吸附模块，包括：固体吸附模块32及液体吸附模块31，其中，固体吸附模块32设置于发酵瓶33的内部瓶口以下，通过卡口固定，用于初级吸附降解反应产生的二氧化碳；液体吸附模块31设置于发酵瓶33的瓶口上方，通过螺纹口拧紧固定，用于吸附固体吸附模块32未吸附的二氧化碳。固体吸附模块32包括：碱块盛放腔体321，侧壁并设置有便于二氧化碳渗透进入的格栅孔3221。
液体吸附模块31包括：顶盖外倒锥形斜面311，用于使发酵瓶33中的冷凝水汽回流到发酵瓶33中；液体吸附模块31还包括：顶盖外倒锥形斜面311与顶盖形成的双层腔体312，用于在双层腔体中312注入氟化冷却液，由于氟化冷却液良好的化学惰性、电气绝缘性能、热传导性，电子氟化液沸点高，其随时间的挥发也比较少，从而使得发酵瓶中的水汽冷凝效果极大的提升，有效的防止物料的中水分的流失；液体吸附模块31还包括：顶部注液孔313及底部排液口314，顶部注液孔313在顶盖面采用突出立柱结构便于向液体吸附模块31中注入碱液，底部排液口314位于液体吸附模块31底部水平面最低处，便于排尽液体吸附模块31中的碱液。
由于好氧呼吸降解过程中反应温度要求控制在58±2℃，反应物料中的水分很容易蒸发被固体碱块吸收或冷凝回流到液体吸附腔中造成碱液稀释影响CO2吸附效率，同时使反应物料中的水分流失影响生物降解效果。为了解决该问题，设计增加了冷凝和回流结构：顶盖外倒锥形斜面311与顶盖形成双层腔体312中注入氟化冷却液，由于其良好的化学惰性、电气绝缘性能、热传导性，电子氟化液沸点高，其随时间的挥发也比较少，从而使得发酵瓶中的水汽冷凝效果极大的提升，有效地防止了物料中水分的流失又不影响吸附效率从而降低循环反应的动力源。本实施例中，液体和固体两级吸附装置大大提高了CO2的吸附效率，有效形成负压提供动力源保证好氧反应更加顺畅地连续运行。
其中采用上述两级原位吸附装置（固体吸附模块及液体吸附模块）的吸附CO2能力的曲线如图3所示，两级吸附装置的CO2吸附能力特性曲线，横坐标表示通入CO2体积（单位为L），纵坐标表示CO2吸附率（%），通入气体组分：99.9% CO2，固体吸附颗粒：40g NaOH颗粒，液体吸附溶液：NaOH 3mol/L 60ml 进行实验，确定此装置的吸附效率和吸附能力明显比现有的独立吸附瓶和单级液体原位吸附装置要高，能有效保证了生物降解反应连续进行。
具体地，好氧发酵单元3中顶空部分的氧气被微生物消耗进行好氧发酵反应，而微生物有氧降解反应释放出的二氧化碳气体被吸附单元吸附，导致反应器内产生负压。为了维持反应器内气体压力平衡，使得氧气源源不断通过气体计量单元2进入好氧发酵单元3内。具体还包括两孔橡胶密封塞35，用于保证好氧发酵单元3的密闭性能，开孔螺纹盖36用于固定好氧发酵单元3的密封塞。
在实际应用中，取聚乳酸（PLA）可降解塑料袋100g做试验材料，纤维素100g做参比材料，取厨余垃圾机械堆肥反应器产生的堆肥做接种物，调节堆肥含水率至50％，将调节过含水率的600g堆肥注入1L发酵瓶中，将发酵瓶置于58℃恒温培养箱中培养。当发酵瓶内堆肥产生的二氧化碳被两级吸附模块吸附形成负压，使氧气供给单元输出纯氧气通过微量气体流量计并输送到发酵瓶中，流量计记录下通过的气体累计体积。当发酵瓶里的负压逐渐被新补给的氧气平衡时，氧气供给单元逐步停止输出氧气。如此循环，堆肥试验连续进行63天后，连续3天当天累计的二氧化碳释放量小于总体累计二氧化碳释放量的1.5%，达到设定的试验停止条件，数据处理单元自动结束试验，停止采集试验数据，并根据最终的二氧化碳释放量自动计算各发酵瓶的生物降解率。
具体地试验结果如图4所示，根据本申请的好氧生物降解性测试系统的工作原理对纤维素和聚乳酸（PLA）的降解率测试结果。利用本申请的系统和方法实验，纤维素的降解效果达到了预期效果，PLA降解效果略高于现有技术的水平，测试结果可重复性高。
本实施例提供的好氧生物降解性测试系统，自动化程度高，操作简单，使用方便，并且能够处理多个样品，测试效率高；氧气经气体流量计进入好氧发酵系统促进物料进行降解反应，反应产生的二氧化碳被吸附，反应器中产生的负压导致外部氧气得到补充；提高了数据的准确性，并且自动化的处理极大地减少了人力消耗。
在本实施例中提供了一种好氧生物降解性测试方法，可应用于电子设备，例如电脑、手机、平板电脑等。图5是根据本发明实施例的好氧生物降解性测试方法的流程图，如图5所示，该流程包括如下步骤：
S1，接种物预处理，按照颗粒小于1.0 cm×1.0 cm调节接种物。
具体地，调节过程需要保持均匀且没有大的类似如玻璃、石块、金属件等惰性物质，调节接种物。
S2，测定试验材料和参比材料的总有机碳，总有机碳用每克挥发性固体的总有机碳克数来表示；并将试验材料和参比材料预处理成预设形状，预设形状的表面积大小不超过1.5cm×1.5cm
S3，配置试验材料，调节含水率后加入至好氧发酵单元中；
S4，通过气体计量单元计量消耗的氧气体积并确定释放的二氧化碳的量；
S5，根据计量的二氧化碳释放量和二氧化碳的理论释放量计算降解反应的生物降解率，生物降解率代表好氧生物降解性。
在实际应用中，本实施例的方法还包括如下步骤：
S01，接收氧气供给单元中的氧气，确定氧气浓度，并通过气体计量单元计算消耗气体体积；具体实现过程详细参见上述系统的相应步骤，本实施例不在赘述。
S02，利用导入的氧气对好氧生物进行降解反应；具体实现过程详细参见上述系统的相应步骤，本实施例不在赘述。
S03，根据消耗气体体积和氧气浓度计算出降解反应所产生的CO2浓度；具体实现过程详细参见上述系统的相应步骤，本实施例不在赘述。
S04，根据CO2浓度计算降解反应的生物降解率，生物降解率代表好氧生物降解性。具体实现过程详细参见上述系统的相应步骤，本实施例不在赘述。
具体地，上述步骤S04，根据CO2浓度计算降解反应的生物降解率，包括：
通过以下公式计算在标准大气压下， 0℃温度下降解反应的二氧化碳理论释放量（ThCO 2 ），以克（g）表示：
Figure 760935DEST_PATH_IMAGE001
式中：
M VS ——试验开始加入堆肥容器的试验材料中的挥发性固体，单位为克（g）；
CVS——试验材料中总有机碳与挥发性固体的比，单位为g/g；
44和12——分别表示二氧化碳的分子量和碳的原子量；
通过以下公式计算好氧生物降解反应的生物降解率Dt（%）：
Figure 394041DEST_PATH_IMAGE003
式中：
（CO 2 ） T ——每个含有试验混合物的堆肥发酵瓶累计消耗氧气等效释放出的二氧化碳量，单位为g；
（CO 2 ） B ——空白发酵瓶累计消耗氧气等效释放出的二氧化碳量平均值，单位为g；
ThCO 2 ——试验材料产生的二氧化碳理论释放量，单位为g；
其中（CO 2 ） T 和（CO 2 ） B 分别表示每个含有试验混合物的堆肥容器累计放出的二氧化碳量和空白容器累计放出的二氧化碳量的平均值；
通过气体计量单元计算累积气体体积：
V s =Σf T,P *f w *V MC
式中：
V s ：标准大气压下， 0℃每个反应瓶对应的降解反应消耗气体体积等效的二氧化碳释放量，单位为L；
f T,P ：考虑温度和气体的因素
f w ：考虑气体中水含量的因素
V MC ：气体测定通道（cell）单次翻转理论体积
且根据理想气体定律可得
f T,P =V g /V gas =[(P gas *（T s +20)]/(P s *T gas )
根据道尔顿 (Dalton)提出的分压定律和Antoine方程可得气体水分含量的因素（f w ）：
f w =1-[101.32*10 8.07131-1730.63/(233.426+ti) ]/（760*P i ）
则每个含有试验混合物的堆肥发酵瓶释放二氧化碳的量（单位g）为：
（CO2）T=44*（Vs）T/22.4
空白发酵瓶释放二氧化碳的量平均值（单位g）为：
（CO2）B=44*（Vs）B/22.4
所以好氧生物降解反应的生物降解率（%）为：
Figure 25880DEST_PATH_IMAGE002
式中：
V ST ：表示标准大气压下， 0℃时每个试验样品反应瓶对应的降解反应消耗气体体积等效的二氧化碳释放量，单位为L；
V SB ：表示标准大气压下， 0℃时空白反应瓶对应的降解反应消耗气体体积的平均值等效的二氧化碳的平均释放量，单位为L。
本实施例提供的好氧生物降解性测试方法，自动化程度高，操作简单，使用方便，并且能够处理多个样品，测试效率高；氧气经气体流量计进入好氧发酵系统促进物料进行降解反应，反应产生的二氧化碳被吸附，反应器中产生的负压导致外部氧气得到补充；提高了数据的准确性，并且自动化的处理极大地减少了人力消耗。
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种好氧生物降解性测试系统，其特征在于，包括：氧气供给单元、好氧发酵单元、气体计量单元以及数据处理单元，其中，
所述氧气供给单元用于存放好氧生物降解反应所需的氧气；
所述气体计量单元通过进气管与所述好氧发酵单元连接，用于将所述氧气供给单元中的氧气导入至所述好氧发酵单元，所述进气管上设有单向阀，用于控制气体流向；所述气体计量单元通过导气管与所述氧气供给单元连接，用于计算出负压导入所述好氧发酵单元中的消耗气体体积；
所述数据处理单元用于采集反应过程的数据，根据消耗气体体积，计算所述降解反应的生物降解率；
所述好氧发酵单元，包括：恒温培养箱、发酵瓶以及两级原位吸附模块，其中，所述的发酵瓶和两级原位吸附模块，放置于恒温培养箱内部；
所述发酵瓶用于进行降解反应，所述降解反应是通过反应物料被所述好氧生物降解进行的反应；
所述两级原位吸附模块用于吸附所述发酵瓶内降解反应所产生的二氧化碳。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述好氧发酵单元，还包括：搅拌装置，所述搅拌装置为机械搅拌棒或磁力搅拌子。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述两级原位吸附模块，包括：固体吸附模块及液体吸附模块，其中，
所述固体吸附模块设置于所述发酵瓶的内部瓶口以下，通过卡口固定，用于初级吸附降解反应产生的二氧化碳；
所述液体吸附模块设置于所述发酵瓶的瓶口上方，通过螺纹口拧紧固定，用于吸附所述固体吸附模块未吸附的二氧化碳。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，
所述固体吸附模块包括碱块盛放腔体，腔体侧壁上设计有便于二氧化碳渗透进入的格栅孔结构；
所述液体吸附模块包括顶盖外倒锥形斜面回流结构，用于使所述发酵瓶中的冷凝水汽回流到发酵瓶中。
5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述液体吸附模块包括：顶盖外倒锥形斜面与顶盖形成的双层腔体，用于在所述双层腔体中注入氟化冷却液，以防止物料的中水分的流失。
6.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述液体吸附模块还包括：顶部注液孔及底部排液口；所述顶部注液孔在顶盖面采用突出立柱结构便于向所述液体吸附模块中注入碱液，所述底部排液口位于所述液体吸附模块底部水平面最低处，便于排尽所述液体吸附模块中的碱液。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括数据处理单元，
所述数据处理单元包括温度传感器和压力传感器，所述的温度传感器和压力传感器连接于气体计量单元内，用于换算为标准状况下耗氧气体体积。
8.一种好氧生物降解性测试方法，其特征在于，应用于权利要求1至7中任一所述的一种好氧生物降解性测试系统，包括：
接收氧气供给单元中的氧气，确定氧气浓度，并通过气体计量单元计算消耗气体体积；
利用导入的所述氧气对好氧生物进行降解反应；
根据所述消耗气体体积和氧气浓度计算出所述降解反应所产生的CO2浓度；
根据所述CO2浓度计算所述降解反应的生物降解率，所述生物降解率代表好氧生物降解性。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述根据所述CO2浓度计算所述降解反应的生物降解率，包括：
通过以下公式计算在标准大气压下， 0℃温度下降解反应的二氧化碳理论释放量ThCO 2 ，以克表示：
Figure 828761DEST_PATH_IMAGE001
式中：
M VS ——试验开始加入堆肥容器的试验材料中的挥发性固体，单位为克；
CVS——试验材料中总有机碳与挥发性固体的比，单位为g/g；
44和12——分别表示二氧化碳的分子量和碳的原子量；
通过以下公式计算好氧生物降解反应的生物降解率Dt：
Figure 230923DEST_PATH_IMAGE002
式中：
（CO 2 ） T ——每个含有试验混合物的堆肥发酵瓶累计消耗氧气等效释放出的二氧化碳量，单位为g；
（CO 2 ） B ——空白发酵瓶累计消耗氧气等效释放出的二氧化碳量平均值，单位为g；
ThCO 2 ——试验材料产生的二氧化碳理论释放量，单位为g；
其中（CO 2 ） T 和（CO 2 ） B 分别表示每个含有试验混合物的堆肥容器累计放出的二氧化碳量和空白容器累计放出的二氧化碳量的平均值；
通过气体计量单元计算累积气体体积：
V s =Σf T,P *f w *V MC
式中：
V s ：标准大气压下， 0℃每个反应瓶对应的降解反应消耗气体体积等效的二氧化碳释放量，单位为L；
f T,P ：考虑温度和气体的因素
f w ：考虑气体中水含量的因素
V MC ：气体测定通道单次翻转理论体积
且根据理想气体定律可得
f T,P =V g /V gas =[(P gas *（T s +20)]/(P s *T gas )
根据道尔顿提出的分压定律和Antoine方程可得气体水分含量的因素f w ：
f w =1-[101.32*10 8.07131-1730.63/(233.426+ti) ]/（760*P i ）
则每个含有试验混合物的堆肥发酵瓶释放二氧化碳的量为：
（CO2）T=44*（Vs）T/22.4
空白发酵瓶释放二氧化碳的量平均值为：
（CO2）B=44*（Vs）B/22.4
所以好氧生物降解反应的生物降解率为：
Figure 86753DEST_PATH_IMAGE003
式中：
V ST ：表示标准大气压下， 0℃时每个试验样品反应瓶对应的降解反应消耗气体体积等效的二氧化碳释放量，单位为L；
V SB ：表示标准大气压下， 0℃时空白反应瓶对应的降解反应消耗气体体积的平均值等效的二氧化碳的平均释放量，单位为L。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：
S1，接种物预处理，按照颗粒小于1.0 cm×1.0 cm调节接种物；
S2，测定试验材料和参比材料的总有机碳，所述总有机碳用每克挥发性固体的总有机碳克数来表示；并将所述试验材料和参比材料预处理成预设形状，所述预设形状的表面积大小不超过1.5cm×1.5cm；
S3，配置试验材料，调节含水率后加入至好氧发酵单元中；
S4，通过气体计量单元计量消耗的氧气体积并确定释放的二氧化碳的量；
S5，根据计量的二氧化碳释放量和二氧化碳的理论释放量计算降解反应的生物降解率，生物降解率代表好氧生物降解性。
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