CN104330536A - 一种生物质生化产甲烷潜力测定装置及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于生物质生化产甲烷潜力测定的装置及其操作方法，属于环境工程中资源化技术领域。该生化产甲烷潜力测定的装置由厌氧消化部分、气体收集部分、物料取样部分组成，其中厌氧消化部分包括厌氧消化瓶、恒温和搅拌系统；气体收集部分包括出气口、单向阀、气管、气体体积计量计和气体收集袋；物料取样部分包括取物料口、取样管、阀门。本发明适用于生物质厌氧消化试验研究，包括生物质厌氧消化潜力、生物质厌氧消化机理等方面。

Description

一种生物质生化产甲烷潜力测定装置及其操作方法

技术领域

本发明涉及生物质生化产甲烷潜力(biochemical methane potential,BMP)的测定，特别地涉及一种生化产甲烷潜力的测定装置，属于环境工程中资源化技术领域。

背景技术

随着化石燃料的日益紧缺，生物质能等可再生能源成为未来人们获得能源的新方向。利用生物质、有机废弃物中的有机物进行厌氧发酵产生甲烷而进行生物质能转化的技术已得到长足发展，并日益成熟，得到了越来越广泛的应用。为了设计和选用合适的厌氧消化工艺，提高生物质能源生产的效率，首先需要了解作为原料的生物质的生化产甲烷潜力。

目前，对有机物BMP的测定方法通常有两种，其中：

一种采用厌氧型瓦呼仪测定，其被广泛应用于测定有机物的生物降解性和毒性，但因为其需要比较高的操作技术，而且要求所分析样品的粒径很小，因此在测定生物质、有机废弃物等的BMP方面并无优势，应用受到了一定的制约和影响。

另一种源自于Owen在1979年提出来的方案，用血清瓶作为厌氧反应器，恒温培养接种厌氧微生物的待测样品，通过产生的甲烷，计算其甲烷产率，从而衡量生物质、有机废弃物等的厌氧消化可行性。这种BMP测定装置由于设备简单，计量方便，在批量厌氧消化试验中应用较多，但存在着在试验过程中集气瓶中气体压力不断变化而引起的消化气计量误差，同时消化气不储存，气体成分需要立即测定，无法实现多个样品的大批量式实验。且没有设置物料取样点，无法监测消化过程中物料的特性变化，因此无法进一步地分析物料厌氧消化的反应过程。

针对采用血清瓶测定生物和有机废弃物等生化产甲烷潜力存在的不足，目前已有公司开发多种产品，例如瑞典Bioprocess Control公司开发的AMPTS II、德国Ritter公h FermentationSystem)等。这些产品可以计量厌氧发酵过程中产生的气体，并自带搅拌系统。然而，目前这些产品还存在一些不足：(1)产生的气体不储存，只是通过吸收二氧化碳来计算产生气体中甲烷的量；(2)搅拌系统不完善，只能一个方向搅拌。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能够进行生物质或有机废弃物生化产甲烷潜力及机理分析的测定装置。

为了达到上述目的，本发明提供一种生物质生化产甲烷潜力的测定装置，包括：厌氧消化部分、气体收集部分和物料取样部分。厌氧消化部分包括厌氧消化瓶、恒温和搅拌系统；气体收集部分包括出气口、单向阀、气管、气体体积计量计和气体收集袋；物料取样部分包括取物料口、取样管、阀门。

厌氧消化瓶体积可为100-1000ml，最佳为200-500ml。为了改善消化瓶中物料的搅拌，在瓶壁上设2-4片档板，档板宽度与瓶直径比为1：4-10，最佳为1：5-7。

恒温和搅拌系统可采用恒温水浴或恒温气浴摇床或恒温水浴与磁力搅拌器联合使用；

出气口和物料取样口均设在厌氧消化瓶顶部。

气体收集袋的大小可根据厌氧消化瓶大小和消化物料产气快慢而定。气体收集袋采用金属咀铝箔采气袋最佳。

其具体操作方法如下：

1、当测试物料为液体或半固体时，直接将其含水率调节到70-100％，当物料为固体时，先将进行粉碎，与水混合，将含水率调节到70-100％。

2、将物料加入到厌氧消化瓶中，并接种厌氧消化污泥，加入的物料和接种厌氧消化污泥的总体积占厌氧消化瓶体积的60-75％。测试物料体积与接种厌氧消化污泥的比例可为10～1：1，最佳为4～5：1。测试物料与接种厌氧消化污泥混合液的起始pH值设置在7.0±0.5。

3、装好测试物料的厌氧消化瓶盖好盖后，可放置在恒温水浴摇床或恒温气浴摇床中进行搅拌，或放置于恒温水浴中，依靠磁力搅拌器进行搅拌。温度可采用中温和高温，中温为高温为搅拌速率在150～300转/分钟。

4、在厌氧消化瓶盖上设有一个排气口和一个物料取样口，排气口在消化瓶中的出口在物料液面上，而物料取样口在消化瓶中的出口在物料液面下，接近瓶底约0.5-1cm。排气口的出气口接一个单向阀，再通过气管接与气体计量计和气体收集袋连接。物料取样口出口与一阀门相连，需要采样时将采样器与阀门连接好，再打开阀门，取完样品，再将阀门关闭。

5、在物料厌氧消化过程中，定期从气体体积计量计上记录产生气体体积，用气相色谱测定气袋收集的气体组成(如甲烷和二氧化碳)，计算物料的厌氧消化产甲烷潜力，定期取液体物料进行测定，探索物料厌氧消化产甲烷的机制。

6、为保证不影响厌氧消化潜力测定的结果，每次物料的取样量不超过物料本身的5％。

7、物料厌氧消化产甲烷潜力计算如下：

实际的生物质物料的甲烷生成潜力按如下公式推算：

M_s：生物质物料产生的甲烷体积；M₀：空白接种消化液产生的甲烷体积；VS₀：加入厌氧消化瓶的物料挥发性组份量。

与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：

(1)本发明所提出的生化产甲烷潜力测定装置厌氧消化部分采用的厌氧消化瓶中设置挡板，可以改善厌氧消化物料的混合，提高搅拌效果。

(2)本发明所提出的生化产甲烷潜力测定装置气体收集部分采用单向阀，可以防止气体回倒；采用采用金属咀铝箔采气袋收集气体，可以使产生气体长期贮存。

(3)本发明所提出的生化产甲烷潜力测定装置气体收集部分采用金属咀铝箔采气袋与厌氧消化瓶直接连通，保证了厌氧消化体系内的压力恒定，使得测定结果更加准确。

(4)本发明所提出的生化产甲烷潜力测定装置不仅设置有气体取样口，而且设置了物料取样口，可以连续了解物料的变化以及产气情况，便于实现物料产甲烷过程的机理性探索。

附图说明

图1为本发明的BMP测定装置的结构示意图；

图2为不同种类污泥的累计产甲烷量；

图3为消化气中甲烷含量随时间的变化图；

图4为厌氧消化过程中污泥碱度随时间的变化图；

附图标号说明：1-厌氧消化瓶；2-挡板；3-物料取样管；4-两孔螺旋盖；5-旋拧阀；6-单向阀；7-气体计量计；8-金属咀铝箔采气袋。

具体实施方式

实施例1不同种类污泥的产甲烷潜力测定

本次产甲烷潜力测定的对象为初沉泥、二沉泥、消化泥和混合泥。初沉泥、二沉泥和消化泥取自北京市某城市污水处理厂。初沉泥与二沉泥分别以1：4、1：1和4：1的体积比混合得到混合泥1、混合泥2和混合泥3。将540ml的污泥样品加入到1000ml的厌氧消化瓶中，并接种60ml的厌氧消化污泥。将装好样品的厌氧消化瓶盖好盖后，连接出气口、单向阀、气体计量计和金属咀铝箔采气袋(100ml)，同时连接好物料取样口与阀门。物料取样部分的阀门设置为关闭状态。将连接好的厌氧消化瓶放置在恒温水浴中，温度设置为磁力搅拌器设置于恒温水浴装置的下方，并设定搅拌速率为200转/分钟。定期记录产生的气体体积，并用气相色谱测定气袋所收集气体的甲烷和二氧化碳含量。定期对物料进行测定。待厌氧消化完毕后，计算物料的厌氧消化产甲烷潜力。

图2为不同种类污泥的累计产甲烷量。经计算得到初沉泥、二沉泥、消化泥、混合泥1、混合泥2和混合泥3的产甲烷潜力分别为45.14mlCH₄/gVS、77.84mlCH₄/gVS、50.47mlCH₄/gVS、151.25mlCH₄/gVS、85.57mlCH₄/gVS和190.16mlCH₄/gVS其中初沉污泥与剩余污泥以4：1的体积比的产甲烷潜力最大。图3为消化气中甲烷含量随时间的变化图。由图3可知，随着厌氧消化的进行，消化气中甲烷含量呈上升趋势，当厌氧消化进行到第11天以后，甲烷含量开始呈现波动变化，波动区间为30％-60％。图4为厌氧消化过程中污泥碱度随时间的变化图。由图4可知，随着厌氧消化的进行，消化物料的碱度总体呈现上升趋势。污泥样品厌氧消化系统最初的碱度为500-1000mg/L(消化泥除外)，经20天的厌氧消化后，上升到了1700-2500mg/l。

Claims (7)

1.一种用于生物质生化产甲烷潜力测定的装置及其操作方法，其特征在于，由厌氧消化部分、气体收集部分、物料取样部分3部分组成；其中厌氧消化部分包括厌氧消化瓶、恒温和搅拌系统；气体收集部分包括出气口、单向阀、气管、气体体积计量计和气体收集袋；物料取样部分包括取物料口、取样管、阀门。

2.如权利要求1所述的测定装置，其特征在于，厌氧消化瓶体积可为100-1000ml，最佳为200-500ml。

3.如权利要求1所述的测定装置，其特征在于，厌氧消化瓶的瓶壁上设2-4片档板，档板宽度与瓶直径比为1：4-10，最佳为1：5-7。

4.如权利要求1所述的测定装置，其特征在于，加入到厌氧消化瓶中物料和接种厌氧消化污泥的总体积占厌氧消化瓶体积的60-75％；测试物料体积与接种厌氧消化污泥的比例可为10～1：1，最佳为4～5：1。

5.如权利要求1所述的测定装置，其特征在于，厌氧消化瓶通过单向阀与气体收集袋相连。

6.如权利要求1所述的测定装置，其特征在于，用于收集产气的气体收集袋大小根据厌氧消化瓶大小和消化物料产气快慢而定。

7.如权利要求1所述的测定装置，其特征在于，物料取样部分可用于探索物料厌氧消化产甲烷的机制。