CN103969154B - 一种厌氧污泥产沼气活性的测定方法及测定装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种厌氧污泥产沼气活性的快速测定方法，即采用污泥最大比产气速率表征其活性。本发明方法的建立有助于培养高活性污泥、筛选不同性质的污泥等。本发明方法特点是将厌氧污加入发酵瓶中并与瓶中底物混合均匀，将发酵瓶放入恒温水槽中，在30～35℃及搅拌条件下，厌氧污泥与发酵底物充分接触并反应，产生的沼气经干燥后记录其体积，绘制沼气累积体积与时间的关系曲线图并计算最大比产气速率。

Description

一种厌氧污泥产沼气活性的测定方法及测定装置

技术领域

本发明涉及一种厌氧污泥产沼气活性的测定方法，属于厌氧消化器接种污泥质量测定技术领域。

背景技术

目前，国内大中型沼气工程通常存在启动周期较长、启动前负荷较低等问题，已对沼气工业的健康快速发展形成了制约瓶颈，而厌氧污泥活性的变化能在一定程度上反映出某种抑制性因素或是非降解性和难降解性有机物在污泥中的积累。因此，寻求一种快速准确的检测出厌氧污泥活性的方法迫在眉睫。此种方法的建立有助于培养高活性污泥、筛选不同性质的污泥，进而可以有效缩短沼气发酵启动时间以及为不同类别微生物群落构成研究奠定基础等。

对于厌氧污泥活性的检测，目前多数采用最大比产甲烷速率来表征。在此方法中，参考沼气发酵阶段性产物的主要化学成分，采用固定配比的多种有机酸混合物作为污泥活性测试底物，这虽然有助于提升测定方法的稳定性和一致性，但并不能真实反映测试污泥在整个沼气发酵周期的产气活力，而是仅仅代表了其产甲烷的活性。因为，对于一些富含纤维素的发酵底物，其水解过程是发酵的限速步骤，有机酸代谢产甲烷步骤很大程度上受到水解过程的制约，故用该方法测定的结果不能完全表征污泥对整个发酵过程的活性。另外，采用该方法会导致针对同种污泥的检测活性相同，但实际应用上对不同底物表现出的产沼气活性可能不尽相同，即针对实际工程应用中不同性质底物，以特定成分有机酸为底物的测定方法无法准确判断污泥对实际底物的作用效果。因此，实际应用中应该通过科学、准确地污泥活性测定方法建立不同性质底物的污泥活性数据库来解决应用中存在的各种问题。为此，本发明提出一种新型厌氧污泥产沼气活性的测定方法,即通过测定污泥的最大比产气速率来表征污泥活性，此方法的提出可以使上述问题得到很好地解决。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型厌氧污泥产沼气活性的快速测定方法，以便在简单的实验操作条件下和较短时间内能够准确获得厌氧污泥针对特定底物的活性指标。

本发明名称为一种厌氧污泥产沼气活性的测定方法，其内容包括：

测定污泥与底物混合后在厌氧发酵过程中的沼气产量，具体操作方法为：将一定量的厌氧污泥加入发酵瓶中，与发酵瓶中底物混合均匀，将发酵瓶放 入恒温水槽中，保持搅拌状态，温度控制在30～35℃；保持条件，使厌氧污泥与发酵底物充分接触并发生反应，产生沼气；沼气干燥后进入集气瓶，将集气瓶中的饱和NaHCO₃压入计量瓶，通过对计量瓶读数测量并记录所产生的沼气体积。

根据所得数据，绘制沼气累积产量与时间的关系曲线图；计算表征该污泥产沼气活性的最大比产气速率值U_max·gas，公式如下

式中，V_R-反应器反应区容积，单位为L；X-饱和微生物浓度，单位为gVSS/L；V_gas-反应开始后的累积产气量，单位为mL；T₀-273.15K；T₁-试验温度，单位为K。

本发明测定方法涉及的原理及U_max·gas公式推导如下：由莫纳方程U＝U_max·S/(K_s+S)可得出如下的表达式：式中，S-基质浓度，单位为g/L；t-时间，单位为h；U_max-基质的最大比降解速率，单位为h^-1；X-饱和微生物浓度，单位为gVSS/L；K_s-饱和常数，单位为g/L。

由于厌氧条件下，污泥净产率系数很小，在反应启动阶段，发酵瓶中微生物浓度X较高，而微生物增量ΔX远小于X，处理数据时可近似的认为X不变。在厌氧系统中，启动阶段底物水解较快，产气速率与基质降解速率成正比，由此可得：式中，V_gas-反应开始后的累积产气量，单位为mL；Y_g-基质对气体的转化系数，单位为mL气体/gVS基质；V_R-反应器反应区容积，单位为L。

由上述两式可知：发酵启动阶段，基质浓度较高，S＞＞Ks，Ks可忽略不计。原式可化简为：令U_max·gas＝Y_gU_max可得到最大比产气速率为：实际计算中，忽略实验环境的大气压与标准状态下的大气压的偏差，考虑温度对气体体积的影响，上式可变为： 式中，T₁-试验温度，单位为K；T₀-273.15K。

在反应启动阶段，由于底物充足，由米氏方程可知，在一段时间内反应为零级反应，比产气速率为常数，数值等于最大比产气速率。常数U_max·gas表示厌氧微生物降解底物产沼气的最大能力。对于同一基质，U_max·gas越大，该厌氧污泥的产沼气活性越强。用U_max·gas可以比较不同厌氧污泥在同样环境条件下的产沼气活性，也可比较同一厌氧污泥在不同环境(如不同温度)的活性，测定同一厌氧污泥利用不同底物时的U_max·gas，可以评价它降解不同底物的能力， U_max·gas大则底物降解速率快，反之较慢。

“一种厌氧污泥活性的测定方法”所采用的测定装置是由发酵瓶、集气瓶、干燥管、计量瓶、橡胶管和恒温水槽组成；其连接方式为装有厌氧污泥及底物的发酵瓶放置于恒温水槽中；在其一侧设有干燥管，发酵瓶口设有一橡胶管与干燥管一端相连，干燥管另一端连接集气瓶，集气瓶内盛有饱和NaHCO₃；集气瓶底端设有一橡胶管与计量瓶相连接，通过计量瓶读数测出所产沼气的体积。

附图说明

图1为本发明厌氧污泥活性测定装置的示意图。其中1-控温仪；2-交流接触器；3-水槽；4-电热管；5-热电偶；6-循环水泵；7-发酵瓶；8-干燥管；9-玻璃三通；10-集气瓶；11-计量瓶。

图2为本发明实验中沼气累积体积与时间的关系曲线以及测量区的回归方程图。

具体实施方式

实施例1

本发明实施例中的实验采用了厌氧污泥活性测定装置。如图1所示，该装置由1-控温仪、2-交流接触器、3-水槽、4-电热管、5-热电偶、6-循环水泵、7-发酵瓶、8-干燥管、9-玻璃三通、10-集气瓶、11-计量瓶所组成；

本实施例中，采用了某沼气工程反应器内的厌氧污泥为试样，采用的工艺参数如下：恒温水槽的温度为35℃，持续摇晃，频率每分钟30次，反应底物采用淀粉基质，发酵料液TS浓度为6％。

实验及理论计算：采用本装置测定某沼气工程反应器内的厌氧污泥的最大比产气速率。35℃时，向有效容积为400mL的发酵瓶中投加适量厌氧污泥与底物，记录装置启动时间，然后每隔1h记录一次所产沼气体积。绘制沼气累积产气量与时间关系曲线图，对曲线中线性拟合最好的一段进行线性回归，得到该直线的斜率反应结束后测得发酵瓶内的污泥浓度为X＝4.35gVSS/L。将V_R＝0.4L，X＝4.35gVSS/L，T₁＝308.15K代入公式可得U_max·gas＝15.67mL/(gVSS·h)。

上述实验中，VSS是挥发性悬浮固体的英文缩写，采用重量法测定，在厌氧处理中常用VSS来表示污泥中的微生物浓度。U_max·gas为最大比产气速率，最终所得到的U_max·gas的值可作为衡量厌氧污泥的活性指标。

实施例2

本实施例中测定装置同实施例1。本实施例中，分别采用了某实验室 培养的2种不同的厌氧污泥(分别记为A和B)为试样，采用的工艺参数如下：恒温水槽的温度为30℃，持续摇晃，频率每分钟30-40次，反应底物采用新鲜牛粪，发酵料液TS浓度为6％。

实验及理论计算：35℃时，向有效容积为400mL的发酵瓶中投加适量厌氧污泥与底物，记录装置启动时间，然后每隔1天记录一次所产沼气体积。根据实验数据，绘制沼气累积产气量与时间关系曲线，分别对实验组A和B的累积产气量与时间曲线图中线性拟合最好的一段进行线性回归，得到斜率 反应结束后测定发酵瓶内的污泥浓度，实验组A为X_A＝6.71gVSS/L；实验组B为X_B＝5.47gVSS/L；VSS的测定方法同实施例1。将V_R＝0.4L，X_A＝6.71gVSS/L，T₁＝303.15K代入公式可得厌氧污泥A的U_max·gas为22.48mL/(gVSS·h)。将 V_R＝0.4L，X_B＝5.47g，T₁＝303.15K代入公式可得厌氧污泥B的U_max·gas为11.96mL/(gVSS·h)。

Claims (2)

1.一种厌氧污泥产沼气活性的测定方法，其测定步骤包括：将一定量的厌氧污泥加入发酵瓶中，与发酵瓶中底物混合均匀，将发酵瓶放入恒温水槽中，保持搅拌状态，温度控制在30～35℃；保持条件，使厌氧污泥与发酵底物充分接触并发生反应，产生沼气；沼气干燥后进入集气瓶，将集气瓶中的饱和NaHCO₃压入计量瓶，通过对计量瓶读数测量并记录所产生的沼气体积；其特征在于根据所得数据，绘制沼气累积产量与时间的关系曲线图，计算该污泥的最大比产气速率U_max·gas，采用最大比产气速率这一特定术语来表示污泥的活性，U_max·gas的计算公式如下式中，V_R-反应器反应区容积，单位为L；X-饱和微生物浓度，单位为gVSS/L；V_gas-反应开始后的累积产气量，单位为mL；T₀-273.15K；T₁-试验温度，单位为K。

2.一种如权利要求1所述厌氧污泥产沼气活性的测定方法所采用的测定装置，其特征在于，它是由消化瓶、气体收集瓶、干燥管、计量瓶、橡胶管和恒温水槽组成；所述干燥管连接在消化瓶和气体收集瓶之间，用于除去沼气中的水分；所述气体收集瓶内盛有饱和NaHCO₃溶液，用于降低沼气中的CO₂在液体中的溶解度，提高沼气测量精度。