CN111141876A - 厌氧消化液起泡潜能的快速测定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种厌氧消化液起泡潜能的快速测定方法，在厌氧消化液样品中投加起泡剂，诱导该厌氧消化液样品充分起泡，记录起泡的最大体积V3；以该起泡的最大体积V3表征该厌氧消化液样品的起泡潜能，或以该起泡的最大体积V3与厌氧消化液样品的体积V1的比值表征该厌氧消化液样品的起泡潜能。本发明的厌氧消化液起泡潜能的快速测定方法，具有以下优点：1)操作简便，对专业仪器设备和技术人员没有要求，所有实验仪器、药品简单易得，操作步骤少，实验流程简单，易懂易学；2)检测快速；3)结果可靠。该方法测出的起泡潜能与消化液粘度和表面张力相关性好，可以准确表征两个参数的变化，准确预警起泡风险。

Description

厌氧消化液起泡潜能的快速测定方法
技术领域
本发明属于有机废物厌氧消化处理技术领域，具体的为一种厌氧消化液起泡潜能的快速测定方法。
背景技术
厌氧消化技术可以在处理废物的同时回收资源和能源，是我国大力推广的有机垃圾处理技术。然而，厌氧消化反应器极易出现起泡现象。有研究者对丹麦、德国和美国的全规模厌氧消化厂进行调研，均发现80％以上的厌氧消化厂频繁出现起泡现象(Kougias PG,Boe K,O-Thong S,et al.Anaerobic digestion foaming in full-scale biogasplants:a survey on causes and solutions[J].Water Science and Technology,2014,69(4):889-895.Moeller L,Lehnig M,Schenk J,et al.Foam formation in biogasplants caused by anaerobic digestion of sugar beet[J].Bioresource Technology,2015,178:270-277.Subramanian B,Pagilla K,Wold D et al.Survey of causes andprevention/control of anaerobic digester foaming–A WERF study[J].Proceedingsof the Water Environment Federation,2012(6):7876-7900.)。起泡现象会带来反应器有效容积下降、搅拌装置及/或出气管堵塞、产气量及有机物去除率下降、甚至消化渣/液溢流等不良影响，引起严重的经济、环境及操作问题。
鉴于此，预测起泡风险以采取应对措施预防起泡现象具有重要的实用意义。研究表明，泡沫是一种由污泥中的表面活性物质或表面活性剂(固体和可溶性成分)、消化池内的液体以及在消化池中产生的沼气三部分组成的复杂三相混合体系；而起泡通常是三相体系中的沼气无法顺利自液相排出，在液体中形成分散体系，最终积累在液体表面形成稳定黏液层的现象(Kougias P G,Tsapekos P,Boe K,et al.Antifoaming effect ofchemical compounds in manure biogas reactors[J].Water Research,2013,47(16):6280-6288.)。鉴于此，消化液粘度和表面张力成为国内外研究中公认的评价起泡风险的重要指标。
然而，粘度和表面张力的测定步骤都非常繁琐，且分别需要专业且昂贵的粘度计、表面张力仪进行测定。在测试仪器及技术人员都缺乏的全规模厌氧消化厂，测定上述指标来监控起泡风险实用性较差。更简便的起泡风险评价方法受到研究者的广泛关注。
在此背景下，起泡潜能测定应运而生，成为目前最广泛采用的起泡风险评价方法。与粘度和表面张力的监测理念不同，该方法通过人为向厌氧消化污泥中曝气，观察短时间内污泥的起泡性能，来表征其潜在的起泡风险。具体而言，现有起泡潜能测定方法多以空气或氮气为起泡剂，以一定的流量向一定量的消化液中通入一段时间的气体，观察充气期间的起泡情况及停止曝气一段时间后，反应器内剩余的泡沫的情况，并基于此界定起泡潜能和泡沫稳定性(Subramanian B,Pagilla K R.Anaerobic digester foaming in full-scale cylindrical digesters–Effects of organic loading rate,feedcharacteristics,and mixing[J].Bioresource Technology,2014,159:182-192.WeeldenM B V,Andersen D S,Kerr B J,et al.Impact of fiber source and feed particlesize on swine manure properties related to spontaneous foam formation duringanaerobic decomposition[J].Bioresource Technology,2016,202:84-92.Nguyen L N,Johir M A H,Commault A,et al.Impacts of mixing on foaming,methane production,stratification and microbial community in full-scale anaerobic co-digestionprocess[J].Bioresource Technology,2019,281:226-233.)。这种方法比粘度和表面张力的测定更简单，但仍需要气瓶(氮气或空气)、流量计等专业设备。且以空气为起泡剂时，由于会改变消化液的氧化还原电位，众多研究者观察测得的起泡潜能与反应器实际观察到的起泡现象并不一致。探索更加便捷且准确的起泡潜能评价方法是必要的。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种厌氧消化液起泡潜能的快速测定方法，通过向厌氧消化液中投加起泡剂，记录消化液起泡过程中的最大泡沫体积来表征起泡潜能。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种厌氧消化液起泡潜能的快速测定方法，在厌氧消化液样品中投加起泡剂，诱导该厌氧消化液样品充分起泡，记录起泡的最大体积V3；以该起泡的最大体积V3表征该厌氧消化液样品的起泡潜能，或以该起泡的最大体积V3与厌氧消化液样品的体积V1的比值表征该厌氧消化液样品的起泡潜能。
进一步，在测试过程中，将厌氧消化液样品置于量程为V2的量筒中，且V2＞V1+V3。
进一步，所述厌氧消化液样品为从厌氧消化反应器中取出的新鲜料液。
进一步，在测试过程中，对厌氧消化液样品保温，且厌氧消化液样品的保温温度T＝T0±1℃，其中，T0为厌氧消化反应器内的温度。
进一步，在测试过程中，当在厌氧消化液样品中投加起泡剂后，用无菌封口膜对所述量筒进行封口，且所述无菌封口膜为透气封口膜。
进一步，所述起泡剂选用以碳酸氢钠和柠檬酸为主要成分的泡腾片。
本发明的有益效果在于：
本发明的厌氧消化液起泡潜能的快速测定方法，通过采用在厌氧消化液样品中直接投加起泡剂的方式，当厌氧消化液样品的取样体积相等时，可利用起泡的最大体积直接表征厌氧消化液样品的起泡潜能，当厌氧消化液样品的取样体积不相等时，可利用起泡最大体积与厌氧消化液样品体积之间的比值表征厌氧消化液样品的起泡潜能；相较于现有的测定方式，具有以下优点：
1)操作简便，对专业仪器设备和技术人员没有要求，所有实验仪器、药品简单易得，操作步骤少，实验流程简单，易懂易学，适用于在全规模厌氧消化厂开展连续、就地检测；
2)检测快速，从取样到读数，整个测定过程可以在10分钟内完成；
3)结果可靠，该方法测出的起泡潜能与消化液粘度和表面张力相关性好，可以准确表征两个参数的变化，准确预警起泡风险。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明厌氧消化液起泡潜能的快速测定方法实施例2中采用的厌氧消化反应器起泡潜能测定装置的结构示意图；
图2为本实施例测量得到的厌氧消化反应器起泡潜能与粘度及表面张力的相关性图；
图3为本发明厌氧消化液起泡潜能的快速测定方法实施例3中采用的厌氧消化反应器器起泡诱导实验装置的结构示意图；
图4为各厌氧消化反应器中的厌氧消化液的起泡潜能与实际起泡体积的相关性图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例1
本实施例厌氧消化液起泡潜能的快速测定方法，在厌氧消化液样品中投加起泡剂，诱导该厌氧消化液样品充分起泡，记录起泡的最大体积V3；以该起泡的最大体积V3表征该厌氧消化液样品的起泡潜能，或以该起泡的最大体积V3与厌氧消化液样品的体积V1的比值表征该厌氧消化液样品的起泡潜能。具体的，起泡剂的用量应当适当过量，使厌氧消化液样品完全充分起泡，以准确表征厌氧消化液样品的起泡潜能。
具体的，在测试过程中，将厌氧消化液样品置于量程为V2的量筒中，且V2＞V1+V3。厌氧消化液样品体积和量筒量程应相互匹配，避免厌氧消化液样品体积过大引起产生的泡沫体积超出量筒量程，也要避免厌氧消化液样品体积过小，产生的泡沫体积过小，导致测定不准确，本实施例选用的量筒量程还满足V1+V3＞2V2/3。
进一步，所述厌氧消化液样品为从厌氧消化反应器中取出的新鲜料液。在测试过程中，对厌氧消化液样品保温，且厌氧消化液样品的保温温度T＝T0±1℃，其中，T0为厌氧消化反应器内的温度。本实施例的将厌氧消化液样品置于量筒中后，将量筒置于恒温水浴锅中，对厌氧消化液样品，使其在测试过程中的温度环境与厌氧消化反应器内的温度环境相同。
进一步，在测试过程中，当在厌氧消化液样品中投加起泡剂后，用无菌封口膜对所述量筒进行封口，且所述无菌封口膜为透气封口膜，使厌氧消化液样品处于与厌氧消化反应器相类似的厌氧环境中。当然，由于测定速度较快，也可以不对量筒进行封口，不再累述。
进一步，所述起泡剂选用以碳酸氢钠和柠檬酸为主要成分的泡腾片。
本实施例的厌氧消化液起泡潜能的快速测定方法，通过采用在厌氧消化液样品中直接投加起泡剂的方式，当厌氧消化液样品的取样体积相等时，可利用起泡的最大体积直接表征厌氧消化液样品的起泡潜能，当厌氧消化液样品的取样体积不相等时，可利用起泡最大体积与厌氧消化液样品体积之间的比值表征厌氧消化液样品的起泡潜能；相较于现有的测定方式，具有以下优点：
1)操作简便，对专业仪器设备和技术人员没有要求，所有实验仪器、药品简单易得，操作步骤少，实验流程简单，易懂易学，适用于在全规模厌氧消化厂开展连续、就地检测；
2)检测快速，从取样到读数，整个测定过程可以在10分钟内完成；
3)结果可靠，该方法测出的起泡潜能与消化液粘度和表面张力相关性好，可以准确表征两个参数的变化，准确预警起泡风险。
实施例2
如图1所示，为本发明厌氧消化液起泡潜能的快速测定方法实施例2中采用的厌氧消化反应器起泡潜能测定装置的结构示意图。从三个连续稳定运行的中温餐厨垃圾厌氧消化反应器中以2-3天的时间间隔采集厌氧消化污泥样品，进行粘度、表面张力及起泡潜能测定，各采集8个样品；然后在反应器中引入有机负荷扰动，诱导其起泡，扰动过程中同样以2-3天的间隔，再采集8个厌氧消化污泥样品进行粘度、表面张力及起泡潜能测定。本实施例的厌氧消化污泥样品即为实施例1中所述的厌氧消化液样品，不再累述。
本实施例的起泡潜能测定过程如下：
取厌氧消化污泥样品50mL于起泡潜能测定装置中。如图1所示，装置由250mL量筒和37±1℃的水浴锅组成，将厌氧消化污泥样品导入量筒中，将量筒置于水浴锅内，随后投加一粒力度伸牌维生素C泡腾片后，立即将量筒口用无菌封口膜进行封口。记录量筒中污泥泡沫最大高度记为起泡潜能。
采用粘度计和表面张力仪分别测定厌氧消化污泥样品的粘度和表面张力。
如图2所示，将三个反应器内的厌氧消化污泥样品的起泡潜能、粘度及表面张力进行了相关性分析。从图中可知，三个反应器中采用实施例1记载的厌氧消化液起泡潜能的快速测定方法测得的起泡潜能与粘度和表面张力均具有很好的相关性(R2≥0.88)，表明采用实施例1记载的厌氧消化液起泡潜能的快速测定方法得到的消化液起泡潜能，与消化液粘度及表面张力存在统计相关性，连续监测起泡潜能的变化来表征消化液粘度和表面张力的变化是可行的。
实施例3
如图3所示，为本发明厌氧消化液起泡潜能的快速测定方法实施例3中采用的厌氧消化反应器起泡诱导实验装置的结构示意图。从连续中温运行的餐厨垃圾厌氧消化反应器中取一定量的厌氧消化污泥样品，根据表1条件于图3所示的反应器中开展起泡诱导实验。30h后记录各反应器的实际起泡体积，并采用实施例1记载的厌氧消化液起泡潜能的快速测定方法开展起泡潜能测定。最后测得的起泡潜能与实际起泡体积的相关性如图4所示。从图中可知，分别采用两种泡沫诱导方式，反应器内实际观察到的泡沫体积与测得的起泡潜能之间都有很强的相关性(R2≥0.91)。此实施例表明用采用实施例1记载的厌氧消化液起泡潜能的快速测定方法得到的消化液起泡潜能来表征厌氧消化液的起泡能力、预测有机垃圾厌氧消化反应器起泡风险是可行的。本实施例的厌氧消化污泥样品即为实施例1中所述的厌氧消化液样品，不再累述。
表1：泡沫诱导实验设计及结果
Figure BDA0002372577230000051
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (6)

1.一种厌氧消化液起泡潜能的快速测定方法，其特征在于：在厌氧消化液样品中投加起泡剂，诱导该厌氧消化液样品充分起泡，记录起泡的最大体积V3；以该起泡的最大体积V3表征该厌氧消化液样品的起泡潜能，或以该起泡的最大体积V3与厌氧消化液样品的体积V1的比值表征该厌氧消化液样品的起泡潜能。
2.根据权利要求1所述厌氧消化液起泡潜能的快速测定方法，其特征在于：在测试过程中，将厌氧消化液样品置于量程为V2的量筒中，且V2＞V1+V3。
3.根据权利要求1所述厌氧消化液起泡潜能的快速测定方法，其特征在于：所述厌氧消化液样品为从厌氧消化反应器中取出的新鲜料液。
4.根据权利要求3所述厌氧消化液起泡潜能的快速测定方法，其特征在于：在测试过程中，对厌氧消化液样品保温，且厌氧消化液样品的保温温度T＝T0±1℃，其中，T0为厌氧消化反应器内的温度。
5.根据权利要求2所述厌氧消化液起泡潜能的快速测定方法，其特征在于：在测试过程中，当在厌氧消化液样品中投加起泡剂后，用无菌封口膜对所述量筒进行封口，且所述无菌封口膜为透气封口膜。
6.根据权利要求1所述厌氧消化液起泡潜能的快速测定方法，其特征在于：所述起泡剂选用以碳酸氢钠和柠檬酸为主要成分的泡腾片。
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