CN110617862B - 恒压下测量土体甲烷氧化能力与气体体积变化的实验装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种恒压下测量土体甲烷氧化能力与气体体积变化的实验装置和方法，包括培养瓶、集液器以及尾气处理瓶，所述培养瓶的上端封堵有橡胶塞，所述橡胶塞上开设有安装孔并封堵有丁基胶塞，橡胶塞还设置有进气管和排气管，所述排气管上设置有排气阀并经玻璃导管与尾气处理瓶相连接，所述集液器的一侧设置有带有刻度的量管，所述量管设置有丁基胶注液孔，所述集液器的另一侧设置有通气管，所述通气管上设置有集液器连接阀门并经三通玻璃管与设置于进气管上的进气阀门相连接，所述三通玻璃管的第三个通口上设置有换气阀门。该装置可控制培养瓶内为恒定大气压，并测量土体的甲烷氧化能力，以及由于甲烷氧化造成的培养瓶内气体体积的变化量。

Description

恒压下测量土体甲烷氧化能力与气体体积变化的实验装置和 方法

技术领域

本发明涉及一种恒压下测量土体甲烷氧化能力与气体体积变化的实验装置和方法。

背景技术

我国的城市生活垃圾主要由填埋方式处理。填埋垃圾中的有机物在微生物降解作用下，会产生大量的污染性填埋气。填埋气的主要成分为甲烷（体积比50-60%）与二氧化碳（体积比40-45%）。其中，甲烷是仅次于二氧化碳的温室效应气体，但其温室效应是二氧化碳的20-30倍，且为易燃易爆的气体。填埋场的甲烷排放量占全球甲烷排放总量的19%，不仅加剧全球气候变暖，而且容易造成垃圾填埋场的安全隐患。实际工程中，通过建设土质覆盖层将填埋的垃圾与周围环境相隔离，降低填埋的垃圾对环境的污染。土体中广泛存在的甲烷氧化菌为减少填埋场甲烷排放提供了一种环保且可持续的方法。土体中的甲烷氧化菌利用空气中的氧气，将填埋气中的甲烷氧化为二氧化碳。研究表明，甲烷氧化菌可以降低10-70%的填埋场甲烷排放量。利用土体的甲烷氧化菌有助于在填埋气收集装置基础上，进一步降低甲烷排放。对于无填埋气收集系统或填埋气收集系统已经关闭的垃圾填埋场，该方法是唯一有效的甲烷减排措施。

土体的甲烷氧化能力是描述单位干质量的土体在单位时间内，通过甲烷氧化菌氧化甲烷的量。土体的甲烷氧化能力通常由密闭的培养瓶进行测量。通过在培养瓶中注入甲烷气体，并抽出等量的混合气，控制培养瓶中的初始甲烷浓度。试验中测量培养瓶中甲烷浓度的变化，从而得到土体的甲烷氧化能力。目前已有测量土体甲烷氧化能力的培养瓶装置，这些装置针对甲烷氧化具有以下不足：

（1）由于甲烷氧化所消耗的氧气与甲烷的量大于生成的二氧化碳的量，随着试验的进行，培养瓶内的气体的量逐渐减少，从而引起培养瓶内气压降低。然而填埋场中甲烷氧化大多发生在地表浅层部分（0-0.3m），土体的气压为大气压。研究表明微生物的活性受到气压大小的显著影响。因此当前的培养瓶实验装置无法控制培养瓶内的气压为恒定的大气压，无法模拟实际填埋场土体中甲烷氧化的工况，从而造成土体甲烷氧化能力的测量误差。

（2）无法测量土体甲烷氧化造成的培养瓶中气体体积的变化量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种恒压下测量土体甲烷氧化能力与气体体积变化的实验装置和方法，该装置可控制培养瓶内为恒定大气压，并测量土体的甲烷氧化能力，以及由于甲烷氧化造成的培养瓶内气体体积的变化量。

本发明的技术方案在于：一种恒压下测量土体甲烷氧化能力与气体体积变化的实验装置，包括培养瓶、集液器以及尾气处理瓶，所述培养瓶的上端封堵有橡胶塞，所述橡胶塞上开设有安装孔并封堵有丁基胶塞，橡胶塞还设置有进气管和排气管，所述排气管上设置有排气阀门并经玻璃导管与尾气处理瓶相连接，所述集液器的一侧设置有带有刻度的量管，所述量管设置有丁基胶注液孔，所述集液器的另一侧设置有通气管，所述通气管上设置有集液器连接阀门并经三通玻璃管与设置于进气管上的进气阀门相连接，所述三通玻璃管的第三个通口上设置有换气阀门。

进一步地，所述集液器的下端设置有排液管，所述排液管上设置有排液阀门。

进一步地，所述进气管伸入到培养瓶下部，进气管的进气端低于排气管的进气端。

进一步地，所述玻璃导管与尾气处理瓶底部相连接，所述尾气处理瓶内设置有吸收剂，尾气处理瓶的顶部设置有处理后尾气排出管。

进一步地，还包括取气针筒，所述取气针筒的取气针头经锁头与取气针筒相连接。

一种测量土体甲烷甲烷氧化能力与气体体积变化量的方法，包括恒压下测量土体甲烷氧化能力与气体体积变化的实验装置，其特征在于，步骤如下：

（1）将一定质量的土体添加到培养瓶中；

（2）打开换气阀门、排气阀门和进气阀门，并关闭集液器连接阀门，将一定量的甲烷气体通过换气阀门端注入培养瓶中；

（3）关闭排气阀门和换气阀门，并打开进气阀门和集液器连接阀门，将可移动的液滴通过丁基胶注液孔注入到量管中；并通过量管内液滴的位置计算实验开始时，培养瓶内甲烷与空气混合气体的总的初始体积（V）；用取气针头穿过丁基胶塞采集固定体积气体检测甲烷的初始体积分数（

），从而实验装置内初始的甲烷气体的含量为：

；

（4）试验∆t 时间后，用取气针头穿过丁基胶塞采集固定体积气体检测甲烷的体积分数

；

（5）培养过程中，当量管中的液滴即将流入集液器时，需及时通过丁基胶注液孔，往量管中注射液滴；

（6）试验结束后，通过注入空气将培养瓶中残留的甲烷气体置换到尾气处理瓶中吸收处理，并及时打开排液阀门排出集液器内的液体；

（7）由土体甲烷氧化过程引起的培养瓶内混合气体体积变化量 (∆V)，通过如下公式计算：

；

式中π为圆周率（3.14）；d为量管的内直径；ΔL为∆t时间内，量管内液滴的移动距离；

为取气针筒每次所采集的气体体积；N为内用取气针筒采集气体的次数；

（8）恒定大气压下的单位干质量土体在单位时间内的甲烷氧化能力（Γ），可通过如下公式计算：

式中

为添加到培养瓶中土体的干质量；

为∆t时间后，实验装置内的甲烷含量，可通过如下公式计算：

。

与现有技术相比较，本发明具有以下优点：

（1）本发明的装置和方法可以保证试验过程中培养瓶内为恒定大气压，能够克服传统培养瓶内气压随时间而降低的缺陷，从而有效模拟实际垃圾填埋场土质覆盖层中甲烷氧化的工况，保证在恒定大气压下开展测量土体甲烷氧化能力的试验；

（2）本发明的装置和方法可以在恒定大气压下，测量土体甲烷氧化过程中气体体积变化量，从而可以用来研究垃圾填埋场土质覆盖层中甲烷氧化的机理。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的培养瓶橡胶塞结构示意图；

图3为本发明的量管和集液器的结构示意图；

图4为本发明的尾气处理瓶的结构示意图；

图5为本发明的取气针的结构示意图；

图中：1-培养瓶、2-橡胶塞、2a-进气管、2b-排气管、3-丁基胶塞、4-进气阀门、5-排气阀门、6换气阀门、7-集液器连接阀门、8-集液器、8a-通气管、9-量管、10-排液阀门、11-丁基胶注液孔、12-尾气处理瓶、13-玻璃导管、14-三通玻璃管、15-吸收剂、16-尾气排出管、17-取气针筒、18-锁头。

具体实施方式

为让本发明的上述特征和优点能更浅显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下，但本发明并不限于此。

参考图1至图5

一种恒压下测量土体甲烷氧化能力与气体体积变化的实验装置，包括培养瓶1、集液器8以及尾气处理瓶12，所述培养瓶的上端封堵有橡胶塞2，所述橡胶塞上开设有安装孔并封堵有丁基胶塞3，橡胶塞还设置有进气管2a和排气管2b，所述排气管上设置有排气阀门5并经玻璃导管13与尾气处理瓶相连接，所述集液器的一侧设置有带有刻度的量管9，所述量管设置有丁基胶注液孔11，所述集液器的另一侧设置有通气管8a，所述通气管上设置有集液器连接阀门7并经三通玻璃管14与设置于进气管上的进气阀门4相连接，所述三通玻璃管的第三个通口上设置有换气阀门6。

本实施例中，所述集液器的下端设置有排液管，所述排液管上设置有排液阀门10。

本实施例中，所述进气管伸入到培养瓶下部，进气管的进气端低于排气管的进气端，以便空气更好的进入培养瓶，并让培养瓶中残留的甲烷气体更好的进入尾气处理瓶。

本实施例中，为了更好的吸收甲烷气体，所述玻璃导管与尾气处理瓶底部相连接，所述尾气处理瓶内设置有吸收剂15，尾气处理瓶的顶部设置有处理后尾气排出管16。

本实施例中，还包括取气针筒17，所述取气针筒的取气针头经锁头18与取气针筒相连接。

本实施例中，玻璃导管及三通玻璃管与部件均采用橡胶管连接，并在连接处用密封胶保证气密性。

本实施例中，通过橡胶塞2塞紧培养瓶1保证试验过程的气密性；通过取气针穿过橡胶塞2上的丁基胶塞3在培养过程中取气检测；带刻度的量管9配合内部可移动的液滴用来测量培养过程中装置内气体体积变化量；通过量管9上的丁基胶注液孔11将可移动液体注入到量管中；尾气处理瓶12内添加吸收剂处理培养瓶内残留的甲烷气体；通过打开进气阀门4、排气阀门5和换气阀门6，以及关闭集液器连接阀门7，来实现实验装置换气和试验结束后洗气的目的；通过打开进气阀门4和集液器连接阀门7，以及关闭排气阀门5和换气阀门6，来实现培养过程中装置内的气压等于大气压和测量试验过程中气体体积变化量的目的。

一种测量土体甲烷甲烷氧化能力与气体体积变化量的方法，包括恒压下测量土体甲烷氧化能力与气体体积变化的实验装置，其特征在于，步骤如下：

（1）将一定质量的土体添加到培养瓶中；

（2）打开换气阀门、排气阀门和进气阀门，并关闭集液器连接阀门，将一定量的甲烷气体通过换气阀门端注入培养瓶中；

（3）关闭排气阀门和换气阀门，并打开进气阀门和集液器连接阀门，将可移动的液滴通过丁基胶注液孔注入到量管中，从而保证实验装置的气密性；并通过量管内液滴的位置计算实验开始时，培养瓶内甲烷与空气混合气体的总的初始体积（V）；用取气针头穿过丁基胶塞采集固定体积气体检测甲烷的初始体积分数（

），从而实验装置内初始的甲烷气体的含量为：

；

（4）试验∆t 时间后，用取气针头穿过丁基胶塞采集固定体积气体检测甲烷的体积分数

；

（5）培养过程中，当量管中的液滴即将流入集液器时，需及时通过丁基胶注液孔，往量管中注射液滴，保证实验装置的气密性；

（6）试验结束后，通过注入空气将培养瓶中残留的甲烷气体置换到尾气处理瓶中吸收处理，并及时打开排液阀门排出集液器内的液体；

（7）由土体甲烷氧化过程引起的培养瓶内混合气体体积变化量 (∆V)，通过如下公式计算：

；

式中π为圆周率（3.14）；d为量管的内直径；ΔL为∆t时间内，量管内液滴的移动距离；

为取气针筒每次所采集的气体体积；N为内用取气针筒采集气体的次数；

（8）恒定大气压下的单位干质量土体在单位时间内的甲烷氧化能力（Γ），可通过如下公式计算：

式中

为添加到培养瓶中土体的干质量；

为∆t时间后，实验装置内的甲烷含量，可通过如下公式计算：

。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出不同形式的恒压下测量土体甲烷氧化能力与气体体积变化的实验装置并不需要创造性的劳动，在不脱离本发明的原理和精神的情况下凡依本发明申请专利范围所做的均等变化、修改、替换和变型，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (1)

1.一种测量土体甲烷氧化能力与气体体积变化量的方法，包括恒压下测量土体甲烷氧化能力与气体体积变化的实验装置，该实验装置包括培养瓶、集液器以及尾气处理瓶，所述培养瓶的上端封堵有橡胶塞，所述橡胶塞上开设有安装孔并封堵有丁基胶塞，橡胶塞还设置有进气管和排气管，所述排气管上设置有排气阀门并经玻璃导管与尾气处理瓶相连接，所述集液器的一侧设置有带有刻度的量管，所述量管设置有丁基胶注液孔，所述集液器的另一侧设置有通气管，所述通气管上设置有集液器连接阀门并经三通玻璃管与设置于进气管上的进气阀门相连接，所述三通玻璃管的第三个通口上设置有换气阀门；所述玻璃导管与尾气处理瓶底部相连接，所述尾气处理瓶内设置有吸收剂，尾气处理瓶的顶部设置有处理后尾气排出管；所述集液器的下端设置有排液管，所述排液管上设置有排液阀门；所述进气管伸入到培养瓶下部，进气管的进气端低于排气管的进气端；还包括取气针筒，所述取气针筒的取气针头经锁头与取气针筒相连接；玻璃导管及三通玻璃管与各部件均采用橡胶管连接，并在连接处用密封胶保证气密性；

其特征在于，步骤如下：

（1）将一定质量的土体添加到培养瓶中；

（2）打开换气阀门、排气阀门和进气阀门，并关闭集液器连接阀门，将一定量的甲烷气体通过换气阀门端注入培养瓶中；

（3）关闭排气阀门和换气阀门，并打开进气阀门和集液器连接阀门，将可移动的液滴通过丁基胶注液孔注入到量管中；并通过量管内液滴的位置计算实验开始时，培养瓶内甲烷与空气混合气体的总的初始体积（V）；用取气针头穿过丁基胶塞采集固定体积气体检测甲烷的初始体积分数（

），从而实验装置内初始的甲烷气体的含量为：

；

（4）试验∆t 时间后，用取气针头穿过丁基胶塞采集固定体积气体检测甲烷的体积分数

；

（5）培养过程中，当量管中的液滴即将流入集液器时，需及时通过丁基胶注液孔，往量管中注射液滴；

（6）试验结束后，通过注入空气将培养瓶中残留的甲烷气体置换到尾气处理瓶中吸收处理，并及时打开排液阀门排出集液器内的液体；

（7）由土体甲烷氧化过程引起的培养瓶内混合气体体积变化量 (∆V)，通过如下公式计算：

；

式中π为圆周率（3.14）；d为量管的内直径；ΔL为∆t时间内，量管内液滴的移动距离；

为取气针筒每次所采集的气体体积；N为内用取气针筒采集气体的次数；

（8）恒定大气压下的单位干质量土体在单位时间内的甲烷氧化能力（Γ），可通过如下公式计算：

；

式中

为添加到培养瓶中土体的干质量；

为∆t时间后，实验装置内的甲烷含量，可通过如下公式计算：

。

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