CN109946402A - 一种测定畜禽排泄物臭气的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种测定畜禽排泄物臭气的装置及方法，装置包括外罩和设置在所述外罩上的臭气指纹分析器、臭气测量器和控制器；所述外罩内放置畜禽排泄物；所述臭气指纹分析器用于识别外罩内臭气包含的气体组分；所述臭气测量器用于测量臭气各组分的浓度；所述控制器用于检测外罩内的温度，并控制气体组分和浓度的测定过程。方法包括将畜禽排泄物置入外罩内；检测外罩内的温度变化；待温度稳定后，分别测定气体组分和各组分的浓度。本发明提供了一种便携式可移动的、收集气体和测定气体一体化的模式，有效地解决了当前臭气测定中的上述问题。

Description

一种测定畜禽排泄物臭气的装置及方法

技术领域

本发明涉及畜牧业排泄物处理设备技术领域,具体地说是一种测定畜禽排泄物臭气的装置及方法。

背景技术

随着畜禽养殖业的发展，排泄物恶臭污染日益成为一个影响严重的环境问题。猪粪尿恶臭产生的主要原因是猪粪尿中含有未被消化的蛋白质、碳水化合物和脂肪在微生物作用下厌氧分解产生的，恶臭物质多达160余种，主要包括挥发性脂肪酸、酚类、吲哚类、氨和挥发性胺、含硫化合物。这些成分相互叠加干扰，增加了恶臭的研究难度。

当前国家标准臭味检测方法是通过专业训练的嗅便员嗅臭味的浓度级别判定臭味浓度，这对检测人员的素质和人数要求均比较高，操作繁琐，不利于在实验室技术开发、实验研究臭气控制方法中运用。

发明内容

本发明实施例中提供了一种测定畜禽排泄物臭气的装置及方法，以解决现有技术中臭气检测手段操作繁琐，不利于实验室对气体研究的问题。

为了解决上述技术问题，本发明实施例公开了如下技术方案：

本发明第一方面提供了一种测定畜禽排泄物臭气的装置，包括外罩和设置在所述外罩上的臭气指纹分析器、臭气测量器和控制器；

所述外罩内放置畜禽排泄物；所述臭气指纹分析器用于识别外罩内臭气包含的气体组分；所述臭气测量器用于测量臭气各组分的浓度；所述控制器用于检测外罩内的温度，并控制气体组分和浓度的测定过程。

进一步地，所述外罩的侧面设门，底面设置滚轮。

进一步地，所述臭气指纹分析器包括探头和信号处理模块，所述探头置于外罩内部，探头内放置活性材料，所述信号处理单元用于分析所述活性材料与臭气作用产生的化学信号，形成响应谱，根据各气体的响应谱识别出臭气中气体组分。

进一步地，所述臭气测量器包括采样头、气体分离模块和检测器；所述采样头置于外罩内部；所述气体分离模块用于将臭气中的组分分离，逐一进入检测器；所述检测器根据控制器设定的检测模式，测量臭气组分的浓度。

进一步地，所述控制器包括温度检测模块、温度控制模块、检测模式设定模块和检测结果存储模块；所述温度检测模块用于检测外罩内的温度，在温度稳定后控制臭气指纹分析器和臭气测量器开始工作；所述温度控制模块用于控制臭气测量器内的工作温度；所述检测模式设定模块用于设定所述工作温度，并保存标准曲线；所述检测结果存储模块用于存储检测结果。

本发明第二方面提供了一种测定畜禽排泄物臭气的方法，基于所述的装置，所述方法包括以下步骤：

将畜禽排泄物置入外罩内；

检测外罩内的温度变化；

待温度稳定后，根据不同气体对活性物质响应谱的不同，检测气体组分；

测定标准曲线，利用所述标准曲线和臭气测量器测定气体组分的浓度。

进一步地，所述根据不同气体对活性物质响应谱的不同，检测气体组分的具体过程为：

获取外罩内的臭气，将所述臭气与活性材料相互作用产生化学信号；

气敏传感器将所述化学信号转化为电信号，气敏传感器阵列形成对每个气体组分的响应谱；

识别响应谱对应的气体，测得臭气中的气体组分。

进一步地，所述利用所述标准曲线和臭气测量器测定气体组分的浓度的具体过程为：

设置进样温度、平衡时间和色谱柱的升温规则；

待测试条件稳定后，启动臭气测量器的进样器；

获取标准曲线，测定气体组分的浓度。

发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是发明所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：

将排泄物置于有限空间内进行发酵，通过检测空间内的温度，判断排泄物的发酵程度，待温度稳定后，进行臭气取样检测，测得臭气中的气体组分及各组分的浓度，便于进行试验分析，根据检测结果调整饲料的成分，利于畜禽健康成长的同时，减轻环境污染。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，对于本领域普通技术人员而言，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是本发明所述装置的结构示意图；

图2是本发明所述方法的流程示意图；

图中，1外罩、11门、2滚轮、3控制器、4臭气指纹分析器、5臭气测量器。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。

如图1所示，本发明测定畜禽排泄物臭气的装置包括外罩1和设置在外罩1上的控制器3、臭气指纹分析器4和臭气测量器5。外罩的侧面设门11，用于排泄物的内外转移。外罩底面设置滚轮2，滚轮2可以是万向轮，且具有锁死装置，便于外罩的移动和固定。

外罩容纳的空间大小可根据需要测定的排泄物的质量设定。以猪排泄物臭气检测为例，内部空间约为6头猪的生存空间，一个养猪室的猪一天的排泄物全部转移至次装置内，可将外罩的容纳空间设置为27立方米，如长宽高分别为3米的正方体外罩。

臭气指纹分析器4用于识别外罩内臭气包含的气体组分。臭气指纹分析器4包括探头和信号处理模块。探头置于外罩内，探头中放置活性材料，活性材料为石墨烯、纳米线、二维材料以及有机半导体材料中的一种或几种。气体与活性材料相互作用产生化学信号，传感器将化学信号转换成电信号，由传感器阵列对一种气体的响应构成传感器阵列对该气体的响应谱。臭气是多种气体的混合体，每种气体均会与活性材料发生作用，不同气体在传感器上产生的响应信号强度不同，因此传感器阵列对不同气体的响应谱图也就不同，从而识别出臭气中的各种气体组成。

臭气指纹分析器4可以采用市售的“电子鼻”代替。探头安置在外罩1的内部，信号处理模块安置在外罩1外表面上。

臭气测量器5包括采样头、气体分离模块和检测器；采样头置于外罩1内部；气体分离模块用于将臭气中的组分分离，逐一进入检测器；检测器根据控制器3设定的检测模式，测量臭气组分的浓度。具体工作过程为臭气测量器5通过气体封闭注射器将臭气送进测量单元的色谱柱，惰性气体(He气)和臭气同时进入色谱柱，当多组分的臭气进入色谱柱后，吸附机对每种气体的吸附能力不同，不同气体的运行速度也就不同，吸附力弱的气体被解析下来，最先离开色谱柱进去检测器，吸附力最强的气体最不容易被解析下来，因此最后离开色谱柱。如此各种气体得以在色谱柱中彼此分离，顺序进入检测器。检测器根据臭气指纹分析器分析的结果，通过控制器调出各种臭气的检测方法，检测器测定出臭气中各组分的浓度。

控制器3包括温度检测模块、温度控制模块、检测模式设定模块和检测结果存储模块；温度检测模块用于检测外罩内的温度，在温度稳定后，控制臭气指纹分析器和臭气测量器开始工作；温度控制模块用于控制臭气测量器内的工作温度；检测模式设定模块用于设定工作温度，并保存标准曲线；检测结果存储模块用于存储检测结果。

如图2所示，本发明测定畜禽排泄物臭气的方法包括以下步骤：

S1,将畜禽排泄物置入外罩内；

S2,检测外罩内的温度变化；

S3,待温度稳定后，根据不同气体对活性物质响应谱的不同，检测气体组分；

S4,测定标准曲线，利用所述标准曲线和臭气测量器测定气体组分的浓度。

步骤S1中，通常将同一生活条件下的一种畜禽一天内的排泄物置于外罩内，如一猪室内一天的排泄物。

步骤S2中，通过温度检测模块实时监测外罩内的温度变化，温度稳定说明内部排泄物已经充分发酵。

步骤S3中，利用臭气指纹分析器检测臭气中的气体组分。获取外罩内的臭气，将所述臭气与活性材料相互作用产生化学信号；气敏传感器将所述化学信号转化为电信号，气敏传感器阵列形成对每个气体组分的响应谱；识别响应谱对应的气体，测得臭气中的气体组分。

步骤S4中，首先配置标准曲线，因臭气中可能包含的气体主要有硫化氢、硫醇类、氨、胺类、硝基化合物、烃类、脂肪酸类、醇类、酚类、酯类以及有机卤系衍生物，因此母液包含的硫化氢、氨气、丙酮、乙酸乙酯、乙酸丁脂、甲醇、乙二醇甲醚、乙二醇乙醚、苯、邻二甲苯、对二甲苯、间二甲苯、乙苯、苯乙烯。配置混合标准母液：称取硫化氢、氨气、丙酮、乙酸乙酯、乙酸丁脂、甲醇、乙二醇甲醚、乙二醇乙醚、苯、邻二甲苯、对二甲苯、间二甲苯、乙苯、苯乙烯，溶于10mL容量瓶中，用甲醇定容，配置浓度为1.00mg/L的母液。用母液配置成浓度梯度为0ug/L，10ug/L，20ug/L，40ug/L，70ug/L，100ug/L，150ug/L的标准曲线，用甲醇定容于10mL容量瓶中备用，低温保存。用标准液测定标准曲线，保存到检测模式设定模块内。

测试时，设置进样温度、平衡时间和色谱柱的升温规则；待测试条件稳定后，启动臭气测量器的进样器；获取标准曲线，测定气体组分的浓度。

进样温度、平衡时间和色谱柱的升温规则具体为：进样口设置温度为250℃、分流比100：1、流速1.5ml/min，色谱柱采用极性色谱柱，载气为氦气。升温过程中每上升40℃平衡2min，以升温速率10℃/min到20℃/min升温至250℃。电离方式为EI，电子能量为70eV，离子源温度230℃，全谱扫描。鉴于气体沸点在70～200℃之间，在保证分离度的情况下，色谱柱温度条件设置为40°平衡2min，最终升温至220℃。进样体积为100μL。

臭气测量器和控制器可以采用市售便携式GC-MS代替，且在现有GC-MS基础上，在检测模式设定模块内设置利用标准曲线测试气体浓度的方法，在检测臭气中气体组分的同时，检测出各组分的浓度。如表1所示，测定的气体回收率在91.8％～117.1％，相对偏差在0.45％～7.98％之间。

表1气体各组分回收率及精密度(n＝6)

畜禽排泄物中臭气种类有上百种，常见对环境和人体、动物易产生毒害作用的有10余中，本发明建立的检测方法可以同时分离检测10余种气体的浓度，传统的电子鼻和GC-MS只能对臭气中的组分和百分比进行简单定性。本发明在当前研究基础上，对便携式GC-MS的分析方法进一步优化，可以准确分离出10余中臭气类畜禽粪便中的臭气主要有硫化氢、氨气和挥发性有机物质(VOCs)，其中，VOCs包括苯类同系物和挥发性有机溶剂，包括硫化氢、氨气、丙酮、乙酸乙酯、乙酸丁脂、甲醇、乙二醇甲醚、乙二醇乙醚、苯、邻二甲苯、对二甲苯、间二甲苯、乙苯、苯乙烯。该方法操作简便、检测结果灵敏准确，能有效地分离同分异构体，最低定量限达到了国标的要求，为今后畜禽排泄物臭气的环境危害控制提供了方法基础。

本发明在现有仪器的基础上，通过改变测量方法，测定臭气的组分和各组分的浓度，减少了测量数据的主观误差。考虑到猪舍的建设一般对通风透气性要求较高，有利于猪的健康成长，这种条件容易造成猪舍内臭气浓度稀释，收集的气体不准确，加之臭气采集的难度和精确度难以有统一的标准控制，采集的臭气样品在保存和转移过程中容易损耗和稀释的问题，本发明提供了一种便携式可移动的、收集气体和测定气体一体化的模式，有效地解决了当前臭气测定中的上述问题。

以上所述只是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也被视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种测定畜禽排泄物臭气的装置，其特征是，包括外罩和设置在所述外罩上的臭气指纹分析器、臭气测量器和控制器；

所述外罩内放置畜禽排泄物；所述臭气指纹分析器用于识别外罩内臭气包含的气体组分；所述臭气测量器用于测量臭气各组分的浓度；所述控制器用于检测外罩内的温度，并控制气体组分和浓度的测定过程。

2.根据权利要求1所述的一种测定畜禽排泄物臭气的装置，其特征是，所述外罩的侧面设门，底面设置滚轮。

3.根据权利要求1所述的一种测定畜禽排泄物臭气的装置，其特征是，所述臭气指纹分析器包括探头和信号处理模块，所述探头置于外罩内部，探头内放置活性材料，所述信号处理单元用于分析所述活性材料与臭气作用产生的化学信号，形成响应谱，根据各气体的响应谱识别出臭气中气体组分。

4.根据权利要求1所述的一种测定畜禽排泄物臭气的装置，其特征是，所述臭气测量器包括采样头、气体分离模块和检测器；所述采样头置于外罩内部；所述气体分离模块用于将臭气中的组分分离，逐一进入检测器；所述检测器根据控制器设定的检测模式，测量臭气组分的浓度。

5.根据权利要求1所述的一种测定畜禽排泄物臭气的装置，其特征是，所述控制器包括温度检测模块、温度控制模块、检测模式设定模块和检测结果存储模块；所述温度检测模块用于检测外罩内的温度，在温度稳定后控制臭气指纹分析器和臭气测量器开始工作；所述温度控制模块用于控制臭气测量器内的工作温度；所述检测模式设定模块用于设定所述工作温度，并保存标准曲线；所述检测结果存储模块用于存储检测结果。

6.一种测定畜禽排泄物臭气的方法，基于权利要求1-5任一项所述的装置，其特征是，所述方法包括以下步骤：

将畜禽排泄物置入外罩内；

检测外罩内的温度变化；

待温度稳定后，根据不同气体对活性物质响应谱的不同，检测气体组分；

测定标准曲线，利用所述标准曲线和臭气测量器测定气体组分的浓度。

7.根据权利要求6所述的一种测定畜禽排泄物臭气的方法，其特征是，所述根据不同气体对活性物质响应谱的不同，检测气体组分的具体过程为：

获取外罩内的臭气，将所述臭气与活性材料相互作用产生化学信号；

气敏传感器将所述化学信号转化为电信号，气敏传感器阵列形成对每个气体组分的响应谱；

识别响应谱对应的气体，测得臭气中的气体组分。

8.根据权利要求6所述的一种测定畜禽排泄物臭气的方法，其特征是，所述利用所述标准曲线和臭气测量器测定气体组分的浓度的具体过程为：

设置进样温度、平衡时间和色谱柱的升温规则；

待测试条件稳定后，启动臭气测量器的进样器；

获取标准曲线，测定气体组分的浓度。