一种生物质碳缓释材料碳释放能力的评价方法

摘要

本发明公开了一种生物质碳缓释材料碳释放能力的评价方法，定期从浸泡有缓释材料的密闭容器中取浸泡液，以COD为评价指标，考察释碳过程中浸泡液的COD浓度变化，将释碳过程的数据作COD累积释放量‑‑时间和累积释放度‑‑时间的释碳曲线图，利用Origin软件进行非线性拟合，获取评价碳释放能力的关键参数，评价其释碳能力与释碳速度。本方法基于二级动力学及Rigter‑Peppas方程两种数学方程进行直接拟合，不仅能根据二级动力学关键参数最大释碳量准确评价生物质材料的碳源供给能力，还可以根据Rigter‑Peppas方程中碳释放速率常数准确反映其释放速率，使得对生物质碳缓释材料的释碳能力评价更加全面精准。

权利要求

1.一种生物质碳缓释材料碳释放能力的评价方法，其特征在于，将选取的农业废弃物的生物质碳缓释材料预处理后加入含有去离子水的密闭容器中，相隔一个取样周期从容器中取浸泡液考察释碳过程中容器内COD浓度变化，利用软件基于二级动力学方程对释碳过程的数据作COD累积释放量与时间二级动力学非线性拟合，获取关键参数单位质量生物质碳缓释材料最大COD释放量qm，再基于Rigter‑Peppas方程作COD累积释放度‑‑时间的非线性拟合，获取关键参数碳释放速率常数k，以此评价生物质碳缓释材料的释碳能力；

所述生物质碳缓释材料预处理为用自来水洗去所述生物质碳缓释材料的上的杂质和灰尘，先自然晒干，处理成一定尺寸，随后在60℃烘箱中烘干至恒重，装袋储存于干燥箱中；

所述取样周期为1d，取样时间为7d；

所述二级动力学方程为： 其中，所述qt表示t时刻单位质量生物质碳缓释材料COD的释放量，单位为mg/g；qm代表单位质量生物质碳缓释材料最大COD释放量，单位为mg/g；t1/2表示COD释放到最大释放量一半时所用的时间；

所述Rigter‑Peppas方程为： 其中，所述q∞表示单位质量生物质碳缓释材料COD的最终释放量，单位为mg/g，qt表示t时刻单位质量生物质碳缓释材料COD的释放量，单位为mg/g，n表示碳释放指数，所述k为碳释放速率常数。

2.根据权利要求1所述的一种生物质碳缓释材料碳释放能力的评价方法，其特征在于，所述生物质碳缓释材料为小麦秸秆、玉米芯、核桃壳和木屑。

3.根据权利要求1所述的一种生物质碳缓释材料碳释放能力的评价方法，其特征在于，所述生物质碳缓释材料的添加量为5g。

4.根据权利要求1所述的一种生物质碳缓释材料碳释放能力的评价方法，其特征在于，所述去离子水体积为250mL。

5.根据权利要求1所述的一种生物质碳缓释材料碳释放能力的评价方法，其特征在于，所述软件为Origin。

说明书

一种生物质碳缓释材料碳释放能力的评价方法

技术领域

[0001] 本发明属于水处理技术与应用技术领域，具体涉及一种生物质碳缓释材料碳释放能力的评价方法。

背景技术

[0002] 氮是环境中无所不在的元素，是生物体中不可或缺的成分，然而过多的氮排放到水体中不仅会导致水体富营养化的发生同时危害人体健康。近年来为避免水生态环境进一
步恶化，污水处理厂的排放标准越来越严格，例如，在中国，污水处理厂的废水必须符合A类
标准，总氮(TN)低于15mg N/L，并且某些地区(如北京，巢湖等)已强制执行TN浓度低于
10.0mg N/L的标准。

[0003] 污水排入水体后，脱氮过程变得非常复杂。目前已经有多种技术用于污水中氮的去除包括物理方法(如空气汽提)，化学方法(如化学吸附)和生物方法，其中与物理和化学
方法的潜在二次污染风险以及高成本的弊端相比，生物技术被认为是脱氮的有效方法。在
过去的二十年中，已经开发了许多新型生物脱氮工艺，例如同步硝化反硝化，短程硝化反硝
化，厌氧氨氧化。然而，最广泛使用的方法仍然是传统的完全硝化和反硝化。该过程包括硝
化和反硝化两个步骤，氮的去除效率在很大程度上取决于废水的碳氮比。为了确保完全脱
‑
氮，理论上需要2.86g COD将1g的NO3 ‑N脱氮为N2(C/N比为2.86)。在实际应用中，通常建议
C/N比大于6.00。但是，在实际污水中，C/N比通常低于4或5。

[0004] 为提高脱氮效率通常需要外加碳源，目前外加碳源通常分为两大类：一类是以液态有机物为主的传统碳源如甲醇、乙酸钠等，另一类是以一些固体有机物为主的新型碳源
主要是人工合成可降解聚合物和天然纤维类物质。然而传统液体碳源的投加存在投加量难
以控制、过量易造成二次污染、成本偏高等问题，人工合成可降解聚合物如聚羟基脂肪酸
酯、聚己内酸酯、聚乳酸等虽然反硝化效率很高，但它们通常价格昂贵。相比之下，使用农业
废弃物这种天然纤维类物质作为碳源已表现出显著的经济优势。目前，已经有一些农业废
弃物如小麦秸秆，玉米芯和稻草秸秆等作为固体碳源进行反硝化处理并表现出优异的释碳
性能。但是目前对于小麦秸秆，玉米芯等这种生物质碳缓释材料的释碳性能还没有统一评
价方法，因此开发研究生物质碳缓释材料释碳性能的评价方法对寻找一种释碳时间长、释
碳性能好、反硝化性能佳的新型缓释碳源应用于实际具有现实意义。

发明内容

[0005] 本发明针对上述缺陷，提供一种通过非线性拟合，获取碳释放速率常数k值，采用k值大小代表界面传质阻力大小进而评价材料的释碳速度的生物质碳缓释材料碳释放能力
的评价方法。

[0006] 本发明提供如下技术方案：一种生物质碳缓释材料碳释放能力的评价方法，其特征在于，将选取的农业废弃物的生物质碳缓释材料预处理后加入含有去离子水的密闭容器
中，相隔一个取样周期从容器中取浸泡液考察释碳过程中容器内COD浓度变化，利用软件基
于二级动力学方程对释碳过程的数据作COD累积释放量与时间二级动力学非线性拟合，获
取关键参数单位质量生物质碳缓释材料最大COD释放量qm，再基于Rigter‑Peppas方程作
COD累积释放度‑‑时间的非线性拟合，获取关键参数碳释放速率常数k，以此评价生物质碳
缓释材料的释碳能力。

[0007] 进一步地，所述生物质碳缓释材料为小麦秸秆、玉米芯、核桃壳和木屑。

[0008] 进一步地，所述生物质碳缓释材料的添加量为5g。

[0009] 进一步地，所述生物质碳缓释材料预处理为用自来水洗去所述生物质碳缓释材料的上的杂质和灰尘，先自然晒干，处理成一定尺寸，随后在60℃烘箱中烘干至恒重，装袋储
存于干燥箱中。

[0010] 进一步地，所述去离子水体积为250mL。

[0011] 进一步地，所述取样周期为1d，取样时间为7d。

[0012] 进一步地，所述软件为Origin。

[0013] 进一步地，所述二级动力学方程为：

[0014]

[0015] 其中，所述qt表示t时刻单位质量生物质碳缓释材料COD的释放量，单位为mg/g；qm代表单位质量生物质碳缓释材料最大COD释放量，单位为mg/g；t1/2表示COD释放到最大释放
量一半时所用的时间。

[0016] 进一步地，所述Rigter‑Peppas方程为：

[0017]

[0018] 其中，所述q∞表示单位质量生物质碳缓释材料COD的最终释放量，单位为mg/g，qt表示t时刻单位质量生物质碳缓释材料COD的释放量，单位为mg/g，所述k为碳释放速率常
数。

[0019] 本发明的有益效果为：

[0020] 1、本发明提供的一种生物质碳缓释材料碳释放能力的评价方法，使用二级动力学方程对1d至7d的浸出液累积COD释放量与时间关系进行非线性拟合获取单位质量生物质碳
缓释材料最大COD释放量qm与COD释放到最大释放量一半时所用的时间t1/2值，根据qm与t1/2
值分别评价出材料的释碳能力以及释碳达平衡状态的快慢，使用Rigter‑Peppas方程对1d
至7d的浸出液COD累积释放度进行非线性拟合，获取碳释放速率常数k值，采用k值大小代表
界面传质阻力大小，k值越大界面传质阻力越小，释放速率越快，进而评价材料的释碳速度。
本发明提供了一种多角度评价生物质碳缓释材料释碳能力的方法，使得生物质碳缓释材料
的释碳能力评价更加全面精准。

[0021] 2、本发明提供的一种生物质碳缓释材料碳释放能力的评价方法基于二级动力学及Rigter‑Peppas方程两种数学方程进行直接拟合，不仅能根据二级动力学关键参数最大
释碳量准确评价生物质材料的碳源供给能力，还可以根据Rigter‑Peppas方程中碳释放速
率常数准确反映其释放速率，使得对生物质碳缓释材料的释碳能力评价更加全面精准。

[0022] 3、本发明提供的一种生物质碳缓释材料碳释放能力的评价方法只涉及1d至7d的COD测定，取样时间相对较短，工作量少，使用Origin软件进行非线性拟合，无需对数据进行
变换处理，操作简单。

附图说明

[0023] 在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

[0024] 图1为实施例中小麦秸秆、玉米芯、核桃壳与木屑四种生物质碳缓释材料单位质量释碳量与时间变化图；

[0025] 图2为实施例中小麦秸秆、玉米芯、核桃壳与木屑四种生物质碳缓释材料累积释碳量与时间二级动力学拟合图；

[0026] 图3为实施例中小麦秸秆、玉米芯、核桃壳与木屑四种生物质碳缓释材料累积释碳度与时间Rigter‑Peppas方程拟合图。

[0027] 具体实施例方式

[0028] 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
本发明中的实施例，本领域普通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。

[0029] 本发明提供一种生物质碳缓释材料碳释放能力的评价方法，包括以下步骤：

[0030] (1)材料处理，用自来水洗去小麦秸秆、玉米芯、核桃壳和木屑上的杂质和灰尘，先自然晒干，处理成一定尺寸，随后在60℃烘箱中烘干至恒重，装袋储存于干燥箱中，整个实
验使用同一批材料；

[0031] (2)量取250mL的去离子水于250mL锥形瓶中，每种材料3组；

[0032] (3)分别称取5g烘干至恒重的小麦秸秆、玉米芯、核桃壳以及木屑于步骤(2)中装有250mL去离子水的锥形瓶中，用封口膜密封后置于磁力搅拌器在60rpm条件下使其混匀；

[0033] (4)每天取步骤(3)的浸泡液过0.45um膜测其COD浓度，并根据公式计算的单位质量材料的COD释放量。其中，qt为t时刻单位质量生物质碳缓释材料COD的释放
量；ct为t时刻COD浓度；V为溶液体积；m为生物质碳缓释材料的质量；

[0034] (5)COD采用快速密闭催化消解法测定，1d‑7d单位质量四种材料COD释放量如图1所示；

[0035] (6)根据1d至7d的浸出液累积COD释放量，做COD累积释放量‑‑时间的释碳曲线图，通过Origin软件进行二级动力学非线性拟合，方程：

[0036]

[0037] 即，

[0038] 其中，qt表示t时刻单位质量生物质碳缓释材料COD的释放量，单位为mg/g；qm代表单位质量生物质碳缓释材料最大COD释放量；mg/g；t1/2表示COD释放到最大释放量一半时所
用的时间。

[0039] 具体操作为，自定义二级动力学函数：打开Origin软件选择Tools，打开Fitting Function Organizer(快捷键F9)，单击New Category，创建函数类并命名，单击New 
Function，创建新函数并命名，定义函数所需参数a(即，qm)，b(即，t1/2)，在Function栏输入
需编写的方程：y＝a*x/(b+t)，点击Function右侧按钮，点击Complie，公式定义成功后单击
save后单击return to dialog，再点击OK，至此自定义二级动力学函数建立完成；二级动力
学拟合：用点格式绘制释放量—时间图，点击工具栏中Analysis‑‑‑‑Fitting‑‑‑‑
Nonlinear Curve Fit选择新建的二级动力学函数进行拟合。得到a值与b值即qm与t1/2，小
麦秸秆、玉米芯、核桃壳与木屑的qm值分别为：42.59mg/g、103.94mg/g、21.37mg/g，
34.67mg/g；t1/2分别为：0.96d，0.82d，2.25d，4.81d。

[0040] (7)做累积释放度‑‑时间的释碳曲线图，利用Rigter‑Peppas方程通过Origin软件进行非线性拟合，方程：

[0041]

[0042] 其中，qt表示t时刻单位质量生物质碳缓释材料COD的释放量，mg/g；q∞代表单位质量生物质碳缓释材料最终COD释放量；mg/g；k表示释碳放速率常数；n表示碳释放指数；具体
操作为，自定义Rigter‑Peppas方程：打开Origin软件选择Tools，打开Fitting Function 
Organizer(快捷键F9)，单击New Category，创建函数类并命名，单击New Function，创建新
函数并命名，定义函数所需参数k，n，在Function栏输入需编写的方程：y＝k*(x^n)，点击
Function右侧按钮，点击Complie，公式定义成功后单击save后单击return to dialog，再
点击OK，至此自定义Rigter‑Peppas函数建立完成；Rigter‑Peppas拟合：用点格式绘制释放
度—时间图，点击工具栏中Analysis‑‑‑‑Fitting‑‑‑‑Nonlinear Curve Fit选择新建的
Rigter‑Peppas函数进行拟合。得到k值与n值，小麦秸秆、玉米芯、核桃壳与木屑的k值分别
为：0.5979、0.6465、0.4100，0.2849。

[0043] 通过四种材料二级动力学参数qm、t1/2以及Rigter‑Peppas参数k值可得四种材料中玉米芯的释碳量最大，界面传质阻力最小，释碳速率最快；木屑的界面传质阻力最大，释
碳速率最慢，同时释碳量居中，适合做缓释碳源材料。

[0044] 以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各
实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而
这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

[0045] 此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围
之内并且形成不同的实施例。例如，在上面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之
一都可以以任意的组合方式来使用。公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明
的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技
术人员所公知的现有技术。