CN113375980A - 一种湿垃圾厌氧消化物料的在线取样系统及取样方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种湿垃圾厌氧消化物料的在线取样系统，装置包括取样泵、电动阀、收集池、滤膜等，均采用在线系统进行自动控制。本发明还提出了一种湿垃圾厌氧消化物料的在线取样步骤主要包括：样品取样前，对厌氧消化罐充分混合搅拌；启动取样泵，利用电动阀、电动阀、电动阀之间的管段中，收集样品，存入进入收集池，重复多次取样，直至取样完成；利用压缩氮气对收集池样品进行混合均匀；在压缩氮气作用下，利用滤膜对样品进行过滤，获得滤液用于后续在线测定；在线测试完成之后，利用自来水对滤膜池、收集池及管路进行清洗，同时使用压缩氮气将管路中残余水份进行吹脱去除，避免取样交叉污染。本发明结构简单，样品代表性好，可避免交叉污染。

Description

一种湿垃圾厌氧消化物料的在线取样系统及取样方法
技术领域
本发明涉及生物环保技术领域，尤其涉及一种湿垃圾厌氧消化物料的在线取样系统及取样方法。
背景技术
随着垃圾分类工作的不断展开，湿垃圾产生量将不断增加。湿垃圾有机质含量高、容易腐烂，若得不到及时有效的处理，则会对生态环境和人体健康产生巨大的威胁。湿垃圾厌氧消化处理不仅可以实现湿垃圾的减量化处理，还可以有效地生产生物质燃料——甲烷，因而被广泛使用。由于湿垃圾易腐有机质含量高，导致厌氧消化过程易酸化，因此需实时监测物料的变化，以确保厌氧消化系统的稳定性。
现有厌氧消化在线监测指标主要包括pH、ORP、产气量等，这些指标都是直接在消化罐中对厌氧消化物料进行测定，不需要额外取样分析，但是这些指标对湿垃圾厌氧消化系统酸化失稳的预警作用不足。研究表明挥发性脂肪酸(VFA)、总碱度(TIC)、乙酸、丙酸、稳定同位素13C等含量及比值被认为具有很好的预警作用，然而这些指标的监测均需从厌氧消化罐中取样后，方可进行在线监测分析。如何保证在有限取样品量的情况下，保证数据的代表性，是确保这些指标对湿垃圾厌氧消化系统运行状态准确掌握的关键。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种操作简单方便，样品代表性好、结果稳定性高的在线取样装置及取样方法，以便为实时监测湿垃圾厌氧消化系统运行状态提供样品保障。
为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：
一种湿垃圾厌氧消化物料的在线取样系统包括取样泵、收集池、第一滤膜池、第二滤膜池、清水池；其中，
所述取样泵一端连接厌氧消化罐出口，另一端连接第一三通；
所述第一三通分别连接厌氧消化罐进口、第二三通；第一三通和取样泵的连通管段上设有第一压力表；所述第一三通和所述第二三通的连通管段上设有第一电动阀；
所述第二三通分别连接第二电动阀和第三电动阀；所述第二三通和第二电动阀的连通管段上设有第二压力表；所述第三电动阀出口通过管段连接有收集池，所述第三电动阀和收集池的连通管段设有安全阀；所述收集池出口连接有第三三通；
所述第三三通连接有第一滤膜池和第十二电动阀；所述第三三通和第一滤膜池之间的连通管段上依次设有第四电动阀和第四三通；所述第一滤膜池连接第五三通；所述第三三通和第十二电动阀的连通管段上设有第一止回阀；
所述第四三通连接有第八电动阀；
所述第五三通连接第六三通和第十三电动阀；所述第五三通和第六三通之间的连通管段上设有第五电动阀；所述第五三通和第十三电动阀之间的连通管段上设有第四止回阀；
所述第六三通与第二滤膜池、第七三通、第八三通、第六电动阀依次连通；所述第六三通连接有第九电动阀；
所述第七三通连接有第二止回阀，所述第二止回阀连接有第十电动阀；
所述第八三通分别连接有第十二电动阀和第三止回阀；所述第三止回阀连接有第十一电动阀，第十一电动阀连接有水泵，水泵连接有清水池，第二电动阀、第九电动阀、第八电动阀连接有废液箱；第十电动阀、第十二电动阀、第十三电动阀连接有氮气储罐，氮气储罐上设有第三压力表，清水池设有浮球控制阀。
基于以上系统，本发明还提出了一种湿垃圾厌氧消化物料的在线取样方法，包括如下步骤：
步骤1，样品取样前：打开厌氧消化罐搅拌器，对厌氧消化罐充分混合搅拌；
步骤2，样品收集：启动取样泵，厌氧消化物料从厌氧消化罐出口通过循环电动阀(5)再进入厌氧消化罐，在此过程中产生的压力会打开第一电动阀，厌氧消化物料会进入第一电动阀与第二电动阀、第三电动阀之间的管段中；随着管段不断的充满，压力会逐渐增加，直到等于取样泵带来的压力，这时第一电动阀关闭；此时第三电动阀打开，管段中厌氧消化物料进入收集池；待厌氧消化物料完全进入收集池后，第三电动阀关闭，一次样品收集完成；再次打开第一电动阀，重复上述样品收集过程，直至取样完成，然后关闭取样泵；
步骤3，样品混合：打开第一电动阀，让压缩氮气进入收集池，通过压缩氮气对样品进行混均；
步骤4，样品过滤：打开电动阀，使收集池样品进入第一滤膜池，然后打开阀门，在压缩氮气的作用下样品通过第一滤膜池，打开第五电动阀，第一级滤出液进入第二滤膜池，然后打第十三电动阀，在压缩氮气的作用下第一次滤出液通过第二滤膜池，即完成第二级过滤，打开第六电动阀，第二次滤出液即可接后续的在线测试仪器，用于在线监测；
步骤5，管路清洗：待在线取样及测试完成之后，打开第三止回阀，启动水泵，打开第五电动阀、第四电动阀、第三电动阀，利用清水对滤膜池、收集池及管路进行清洗，打开第九电动阀、第八电动阀、第一电动阀和第二电动阀，使残余废液进行厌氧消化罐和废液池；清洗完成后，打开第十电动阀利用压缩氮气将管路中残余水份进行吹脱去除，为下一次取样做好准备；各阀门均采用在线系统进行自动控制。
本发明的有益效果是：(1)在线取样系统主要由泵、阀和管段等组成，组成简单、操作方便；(2)利用高速取样泵产生压力利用，打开第一电动阀，使样品随机进入第一、第二、第三电动阀之间的管路中，通过分次多样采集厌氧消化罐中物料，同时结合厌氧消化罐的混合搅拌作用，保证所取样品代表性好；(3)分次收集到收集池的厌氧消化物料，在压缩氮气的物理搅拌作用下充分混均，可获得物料特性一致的样品，同时严格控制氮气量及搅拌时间，可尽可能减少对物料理化特性的影响；(4)系统配有由清水和压缩氮气组成的管路清洗系统，可以避免样品的交叉污染问题，保证测试结果的稳定性及可靠性；(5)各设备和阀门均采用在线控制系统进行控制，同时设有安全阀，具有自动化程度高、安全性好等特点。本发明结构简单，样品代表性好，可避免交叉污染
附图说明
图1为本发明湿垃圾厌氧消化物料的在线取样系统的结构示意图。
图1中：1-取样泵，2-单向阀，3-厌氧消化罐出口，4、8、14、16、18、20、22、23-第一三通、……、第八三通，5-循环电动阀，7、9、10、15、19、24、26、28、29、31、33、35-第一电动阀、……、第十三电动阀，6-厌氧消化罐进口，11-第一压力表、12-第二压力表、36-第三压力表，13-收集池，17-第一滤膜池，21-第二滤膜池，25-第三止回阀、30-第二止回阀、32-第四止回阀、34-第一止回阀，27-水泵，37-浮球阀，38-安全阀。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
实施例1
如图1所示，上海某湿垃圾处理厂，厌氧消化罐体积为2000m3，设计的湿垃圾厌氧消化物料的在线取样系统包括取样泵1、收集池、第一滤膜池、第二滤膜池、清水池；其中，
取样泵1一端连接厌氧消化罐出口3，另一端连接第一三通4；
第一三通4分别连接厌氧消化罐进口6、第二三通8；第一三通4和取样泵1的连通管段上设有第一压力表11；第一三通4和第二三通8的连通管段上设有第一电动阀7；
第二三通8分别连接第二电动阀9和第三电动阀10；第二三通8和第二电动阀9的连通管段上设有第二压力表12；第三电动阀10出口通过管段连接有收集池13，第三电动阀10和收集池13的连通管段设有安全阀38；收集池13出口连接有第三三通14；
第三三通14连接有第一滤膜池17和第十二电动阀35；第三三通14和第一滤膜池17之间的连通管段上依次设有第四电动阀15和第四三通16；第一滤膜池17连接第五三通18；第三三通14和第十二电动阀35的连通管段上设有第一止回阀34；
第四三通16连接有第八电动阀29；
第五三通18连接第六三通20和第十三电动阀33；第五三通18和第六三通20之间的连通管段上设有第五电动阀19；第五三通18和第十三电动阀33之间的连通管段上设有第四止回阀32；
第六三通20与第二滤膜池21、第七三通22、第八三通23、第六电动阀24依次连通；第六三通20连接有第九电动阀28；
第七三通22连接有第二止回阀30，第二止回阀30连接有第十电动阀31；
第八三通23分别连接有第十二电动阀35和第三止回阀25；第三止回阀25连接有第十一电动阀26，第十一电动阀26连接有水泵27，水泵27连接有清水池，第二电动阀9、第九电动阀28、第八电动阀29连接有废液箱；第十电动阀31、第十二电动阀35、第十三电动阀33连接有氮气储罐，氮气储罐上设有第三压力表36，清水池设有浮球控制阀37。
实施例2
上海某湿垃圾处理厂的湿垃圾厌氧消化物料的在线取样方法，包括如下步骤：
步骤1，样品取样前：打开厌氧消化罐搅拌器，对厌氧消化罐充分混合搅拌；
步骤2，样品收集：启动取样泵1，厌氧消化物料会从厌氧消化罐出口通过循环电动阀5再进入厌氧消化罐，在此过程中产生的压力会打开第一电动阀7，厌氧消化物料会进入第一电动阀7与第二电动阀9、第三电动阀10之间的管段中；随着管段不断的充满，压力会逐渐增加，直到等于取样泵1带来的压力，这时第一电动阀7关闭；此时第三电动阀10打开，管段中厌氧消化物料进入收集池13；待厌氧消化物料完全进入收集池13后，第三电动阀10关闭，一次样品收集完成；再次打开第一电动阀7，重复上述样品收集过程，直至取样完成，然后关闭取样泵；
步骤3，样品混合：打开第一电动阀35，让压缩氮气进入收集池13，通过压缩氮气对样品进行混均；
步骤4，样品过滤：打开电动阀15，使收集池样品进入第一滤膜池17，然后打开阀门35，在压缩氮气的作用下样品通过第一滤膜池17，打开第五电动阀19，第一级滤出液进入第二滤膜池21，然后打第十三电动阀33，在压缩氮气的作用下第一次滤出液通过第二滤膜池21，即完成第二级过滤，打开第六电动阀24，第二次滤出液即可接后续的在线测试仪器，用于在线监测；
步骤5，管路清洗：待在线取样及测试完成之后，打开第三止回阀25，启动水泵27，打开第五电动阀19、第四电动阀15、第三电动阀10，利用清水对滤膜池、收集池及管路进行清洗，打开第九电动阀28、第八电动阀29、第一电动阀7和第二电动阀9，使残余废液进行厌氧消化罐和废液池；清洗完成后，打开第十电动阀31利用压缩氮气将管路中残余水份进行吹脱去除，为下一次取样做好准备。
其中，取样泵(1)流量为60-150m3/h；厌氧消化罐的搅拌时间为5-20min；收集池的体积为1.0-2.0L，样品收集量为0.5-1.0L；样品收集次数为4-8次，每次样收集量为70-200ml；样品混合次数2-4次；第一滤膜池(17)的滤膜粒径为0.5-1.0mm，第二滤膜池(21)的滤膜粒径为0.05-0.2mm；管路自来水清洗时间为5-10mm，气体吹脱时间为2-5min。
该湿垃圾厂总共运行了5种实验条件，在线测定VFA含量的标准差均小于5％，波动小，样品测定的代表性、稳定性均满足要求。
表1五种在线取样系统的运行条件及在线VFA测定结果的标准差
不同参数 运行条件一 运行条件二 运行条件三 运行条件四 运行条件五
取样泵流量(m<sup>3</sup>/h) 60 80 100 120 150
厌氧消化罐搅拌时间(min) 20 15 10 8 5
收集池样品收集量(L) 1 1.2 1.5 1.8 2
最大样品收集量(L) 0.5 0.6 0.75 0.8 1
样品收集次数(次) 7 4 6 8 5
每次样品收集量(ml) 71 150 125 100 200
收集池混合时间(s) 1 1 1 1 1
收集池混合次数(次) 2 3 3 4 4
第一滤膜池滤膜粒径(mm) 0.5 0.6 0.7 0.8 1
第二滤膜池滤膜粒径(mm) 0.05 0.1 0.15 0.18 0.2
管路水冲时间(min) 5 6 7 8 10
管路气吹时间(min) 2 2.5 3 4 5
VFA测定含量的标准差(％) 2.3 4.9 3.4 1.5 4.1
本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。

Claims (10)

1.一种湿垃圾厌氧消化物料的在线取样系统，其特征在于，包括：取样泵(1)、收集池、第一滤膜池、第二滤膜池、清水池；其中，
所述取样泵(1)一端通过单向阀(2)连接厌氧消化罐出口(3)，另一端连接第一三通(4)；
所述第一三通(4)分别连接厌氧消化罐进口(6)、第二三通(8)；所述第一三通(4)和所述取样泵(1)的连通管段上设有第一压力表(11)；所述第一三通(4)和所述第二三通(8)的连通管段上设有第一电动阀(7)；
所述第二三通(8)分别连接第二电动阀(9)和第三电动阀(10)；所述第二三通(8)和第二电动阀(9)的连通管段上设有第二压力表(12)；所述第三电动阀(10)出口通过管段连接有收集池(13)，所述第三电动阀(10)和收集池(13)的连通管段设有安全阀(38)；所述收集池(13)出口连接有第三三通(14)；
所述第三三通(14)连接有第一滤膜池(17)和第十二电动阀(35)；所述第三三通(14)和第一滤膜池(17)之间的连通管段上依次设有第四电动阀(15)和第四三通(16)；所述第一滤膜池(17)连接第五三通(18)；所述第三三通(14)和第十二电动阀(35)的连通管段上设有第一止回阀(34)；
所述第四三通(16)连接有第八电动阀(29)；
所述第五三通(18)连接第六三通(20)和第十三电动阀(33)；所述第五三通(18)和第六三通(20)之间的连通管段上设有第五电动阀(19)；所述第五三通(18)和第十三电动阀(33)之间的连通管段上设有第四止回阀(32)；
所述第六三通(20)与第二滤膜池(21)、第七三通(22)、第八三通(23)、第六电动阀(24)依次连通；所述第六三通(20)连接有第九电动阀(28)；
所述第七三通(22)连接有第二止回阀(30)，所述第二止回阀(30)连接有第十电动阀(31)；
所述第八三通(23)分别连接有第十二电动阀(35)和第三止回阀(25)；所述第三止回阀(25)连接有第十一电动阀(26)，第十一电动阀(26)连接有水泵(27)，水泵(27)连接有清水池，第二电动阀(9)、第九电动阀(28)、第八电动阀(29)连接有废液箱；第十电动阀(31)、第十二电动阀(35)、第十三电动阀(33)连接有氮气储罐，氮气储罐上设有第三压力表(36)，清水池设有浮球控制阀(37)。
2.一种湿垃圾厌氧消化物料的在线取样方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，样品取样前：打开厌氧消化罐搅拌器，对厌氧消化罐充分混合搅拌；
步骤2，样品收集：启动取样泵(1)，厌氧消化物料从厌氧消化罐出口通过循环电动阀(5)再进入厌氧消化罐，在此过程中产生的压力会打开第一电动阀(7)，厌氧消化物料进入第一电动阀(7)与第二电动阀(9)、第三电动阀(10)之间的管段中；随着管段的充满，压力逐渐增加，直到等于取样泵(1)带来的压力，这时第一电动阀(7)关闭；此时第三电动阀(10)打开，管段中厌氧消化物料进入收集池(13)；待厌氧消化物料完全进入收集池(13)后，第三电动阀(10)关闭，一次样品收集完成；再次打开第一电动阀(7)，重复上述样品收集过程，直至取样完成，然后关闭取样泵(1)；
步骤3，样品混合：打开第一电动阀(35)，让压缩氮气进入收集池(13)，通过压缩氮气对样品进行混均；
步骤4，样品过滤：打开电动阀(15)，使收集池样品进入第一滤膜池(17)，然后打开阀门(35)，在压缩氮气的作用下样品通过第一滤膜池(17)，打开第五电动阀(19)，第一级滤出液进入第二滤膜池(21)，然后打第十三电动阀(33)，在压缩氮气的作用下第一次滤出液通过第二滤膜池(21)，即完成第二级过滤，打开第六电动阀(24)，第二次滤出液即可接后续的在线测试仪器，用于在线监测；
步骤5，管路清洗：待在线取样及测试完成之后，打开第三止回阀(25)，启动水泵(27)，打开第五电动阀(19)、第四电动阀(15)、第三电动阀(10)，利用清水对滤膜池、收集池及管路进行清洗，打开第九电动阀(28)、第八电动阀(29)、第一电动阀(7)和第二电动阀(9)，使残余废液进行厌氧消化罐和废液池；清洗完成后，打开第十电动阀(31)利用压缩氮气将管路中残余水份进行吹脱去除，为下一次取样做好准备；
各阀门均采用在线系统进行自动控制。
3.根据权利要求2所述的湿垃圾厌氧消化物料的在线取样方法，其特征在于，所述取样泵(1)流量为60-150m3/h。
4.根据权利要求2所述的湿垃圾厌氧消化物料的在线取样方法，其特征在于，所述厌氧消化罐的搅拌时间为5-20min。
5.根据权利要求2所述的湿垃圾厌氧消化物料的在线取样方法，其特征在于，所述收集池的体积为1.0-2.0L，样品收集量为0.5-1.0L。
6.根据权利要求2所述的湿垃圾厌氧消化物料的在线取样方法，其特征在于，所述样品收集次数为4-8次，每次样收集量为70-200ml。
7.根据权利要求2所述的湿垃圾厌氧消化物料的在线取样方法，其特征在于，所述样品混合次数2-4次。
8.根据权利要求2所述的湿垃圾厌氧消化物料的在线取样方法，其特征在于，所述第一滤膜池(17)的滤膜粒径为0.5-1.0mm，第二滤膜池(21)的滤膜粒径为0.05-0.2mm。
9.根据权利要求2所述的湿垃圾厌氧消化物料的在线取样方法，其特征在于，管路自来水清洗时间为5-10mm，气体吹脱时间为2-5min。
10.根据权利要求2所述的湿垃圾厌氧消化物料的在线取样方法，其特征在于，所述方法采用如权利要求1所述的取样系统。
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