CN103969359A - 厌氧污泥产氢活性的检测方法 - Google Patents

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徐锐
袁亚阁
段良飞
段欢耘
王秋侠
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Abstract

本发明提供了一种厌氧污泥产氢活性的检测方法，能够迅速而准确地获得厌氧污泥发酵产氢的活性指标，本发明对高活性污泥的筛选和厌氧发酵制氢均具有重要意义。本发明名称为厌氧污泥产氢活性的检测方法，其过程和步骤如下：“在反应器中，将一定量的厌氧污泥和底物混合均匀后发酵，反应器放置在恒温水槽中，在保持搅拌状态、温度控制在30～35℃、pH控制在4.5-5.0的条件下，反应产生的气体进入干燥瓶干燥，最后通过读取计量瓶刻度记录所产气体的体积；采用气相色谱仪测定气体中氢气含量，计算并记录氢气体积；根据试验数据，绘制累积氢气产量与时间的关系曲线图，计算最大比产氢气速率”。

Description

厌氧污泥产氢活性的检测方法
技术领域
本发明涉及一种厌氧污泥产氢活性的检测方法，属于厌氧污泥质量检测技术领域。
背景技术
由于化石燃料的不可再生性以及世界经济对能源的刚性需求，能源危机日益加剧。此时，具有清洁、高能量质量比、可再生等优点的氢能便成为新能源界的一颗新星，而厌氧发酵技术是目前最主要的制氢技术之一。厌氧发酵制氢通常采用生物质为原料，通过微生物的分解消化降解有机质并产生氢气；由于其发酵原料来源广且具有反应条件温和、能耗低、无污染等特点，该技术越来越多地受到人们的关注。在发酵过程中，污泥中的微生物菌群对有机质降解和氢气的产生均起到重要作用，筛选高活性的污泥作为发酵的接种物至关重要。
目前,污泥活性的评价指标主要有脱氢酶活性、ATP含量、耗氧率、污泥沉降比、最大比产甲烷速率等，其中大部分指标用于表征好氧污泥活性，最大比产甲烷速率虽然可以作为厌氧污泥产甲烷的活性指标，但却无法准确描述污泥在厌氧发酵制氢过程中的产氢活性。对于厌氧污泥产氢活性的研究目前尤为欠缺，因此，制氢研究中亟待建立一种厌氧污泥产氢活性的测定方法，本发明的提出恰好可解决这一难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种厌氧污泥产氢活性的检测方法，能够迅速而准确地获得厌氧污泥发酵产氢的活性指标。
本发明名称为厌氧污泥产氢活性的检测方法，其过程和步骤如下：将一定量的厌氧污泥和底物加入反应器中，混合均匀后将反应器放入恒温水槽中，保持搅拌状态，温度控制在30～35℃，pH控制在4.5-5.0；在此条件下，厌氧污泥与发酵底物充分反应产生的气体进入干燥瓶，干燥后的气体通入集气瓶并将饱和NaHCO3压入计量瓶；读取计量瓶刻度，记录所产气体的体积；通过气相色谱仪测定气体中氢气含量，计算并记录氢气体积；根据试验结果，绘制累积氢气产量与时间的关系曲线图，计算最大比产氢气速率；本发明通过最大比产氢气速率来评价厌氧污泥的质量即活性，故也采用最大比产氢气速率这一特定术语来表征污泥的产氢活性。
“厌氧污泥产氢活性的检测方法”所采用的测定装置，包括恒温水槽、反应器、集气瓶、乳胶管、干燥管和计量瓶等；其特征为装有发酵底物和厌氧污泥的反应器放置于恒温水槽中；干燥装置一端通过乳胶管连接反应器，另一端与集气瓶口相连，集气瓶内盛有饱和NaHCO3并在底端设有一橡胶管连接计量瓶，通过计量瓶读取所产气体的体积；并采用气相色谱仪测定气体中氢气含量。
本发明检测方法的反应机理如下：反应器内的厌氧污泥中含有大量的产氢产乙酸菌，在厌氧及适宜的pH条件下，反应器内底物水解后经产氢产乙酸菌降解，并产生氢气。
最大比产氢气速率的理论计算如下：由Monod方程U=Umax·S/（Ks+S）可得出如下的表达式： ；式中，S-底物浓度（g/L）；t-时间（h）；Umax-底物的最大比降解速率（h-1）；X-饱和微生物浓度（gVSS/L）；Ks-饱和常数（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，反应器中微生物浓度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，底物基质水解较快，产氢速率与基质降解速率成正比，由此可得：；式中，VH-反应开始后的累积产氢气量（mL）；Yg-底物对氢气的转化系数（mL氢气/gVS底物）；VR-反应器反应区容积（L）。
由上述两式可知：；发酵启动阶段，底物浓度较高，，Ks可忽略不计。原式可化简为：，令Umax·H=YgUmax可得到最大比产氢气速率为： 。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（K）；T0-273.15K。
对于同一基质，Umax·H越大，该厌氧污泥的产氢气活性越强。Umax·H可以作为污泥活性指标，比较不同厌氧污泥在同样环境条件下的产氢气活性，或同一厌氧污泥在不同环境（如不同温度）的活性。
附图说明
图1为本发明厌氧污泥产氢活性检测装置的示意图。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-反应器；8-干燥管；9-玻璃三通；10-集气瓶；11-计量瓶；
图2为本发明实施例1的氢气累积产量与时间的关系曲线图，取图2曲线中线性最好的一段进行线性回归，如图3。
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产氢活性检测装置。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-反应器、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，采用了某实验室发酵制氢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30-40次，反应底物采用某食堂的餐厨垃圾（烘干、粉碎），发酵料液TS浓度为6%。
试验及理论计算
采用本装置测定某实验室反应器内的厌氧污泥的最大比产氢气速率。35℃时，向有效容积为400mL的反应器中投加适量底物与厌氧污泥，记录装置启动时间，然后每隔1h记录一次所产气体体积，并测定气体中氢气含量。绘制累积产氢气量与时间关系曲线，如图2。对图2中线性拟合最好的一段曲线进行线性回归，如图3所示，得到该直线的斜率=58.32。反应结束后测得反应器内的污泥浓度为X=6.21gVSS/L，其中VSS采用重量法测定。将=58.32，VR=0.4L，X=6.21gVSS/L，T1=308.15K代入公式，可得 Umax·H= 20.81mL/（gVSS·h）；
上述试验中，VSS是挥发性悬浮固体的英文缩写，通常在厌氧处理中表示污泥中的微生物浓度，VSS的值越大表示一定体积污泥中的微生物越多。Umax·H为最大比产氢气速率，最终所得到的Umax·H值可作为衡量厌氧污泥产氢活性的指标。

Claims (2)

1.本发明名称为厌氧污泥产氢活性的检测方法，其过程和步骤如下：“将一定量的厌氧污泥和底物加入反应器中，混合均匀后将反应器放入恒温水槽中，保持搅拌状态，温度控制在30～35℃，pH控制在4.5-5.0；在此条件下，厌氧污泥与发酵底物充分反应产生的气体进入干燥瓶，干燥后的气体通入集气瓶并将饱和NaHCO3压入计量瓶；读取计量瓶刻度，记录所产气体的体积；通过气相色谱仪测定气体中氢气含量，计算并记录氢气体积；根据试验结果，绘制累积氢气产量与时间的关系曲线图，计算最大比产氢气速率” 。
2.本发明通过最大比产氢气速率（Umax·H）来评价厌氧污泥的质量即活性，即采用最大比产氢气速率这一特定术语来表征污泥的产氢活性；对于同一基质，Umax·H越大，该厌氧污泥的产氢气活性越强；Umax·H也可以比较不同厌氧污泥在同样环境条件下的产氢气活性，或同一厌氧污泥在不同环境（如不同温度）的活性。
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