CN208224003U - 一种生化产甲烷潜力自动测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种生化产甲烷潜力自动测量装置，该装置包括发酵反应装置、气体处理装置、气体计量装置、补液装置和数据采集处理装置：发酵反应装置包括恒温水浴槽、发酵瓶、两个温度传感器和导气管；气体处理装置包括洗气瓶、排水瓶、导气管和排水管；气体计量装置包括集水瓶、称重台和重量变送器；补液装置包括蠕动泵、储液瓶、两个夹管阀、导水管、抽水管、三个继电器；数据采集处理装置包括数据采集卡和PC机；本实用新型适用于生物质厌氧消化实验，测试结果准确可靠，易操作，重复性好，同时装置搭建简易，成本低。

Description

一种生化产甲烷潜力自动测量装置

技术领域

本实用新型属于生物质厌氧发酵装置领域，尤其涉及一种生化产甲烷潜力(Biochemical Methane Potential，BMP)自动测量装置。

背景技术

常规化石能源已经无法满足当今世界经济的快速发展，生物质能源作为新能源越来越受到重视。厌氧发酵技术是生物质废弃物实现资源化利用的有效途径之一。生物质厌氧发酵是在厌氧细菌的同化作用下，有效的把有机垃圾、畜禽粪便、秸秆、能源作物等有机废弃物中的有机质转化，转化成具有经济价值的甲烷及部分二氧化碳，即可作为清洁能源。厌氧发酵技术已日益成熟，得到了长足发展并广泛应用。厌氧发酵工艺过程中，生化产甲烷能力通常用于测定生物质的厌氧可降解性能、最大产甲烷潜力和降解速率，不仅提供发酵动力学的目标参数，同时还可以用于衡量厌氧发酵可行性的重要工具，可以作为评价厌氧发酵过程优劣的重要参数。

目前实验室常用的生化产甲烷潜力的测定方法，按照气体体积计量方式的不同可分为排水集气法、气体压力法、气体流量测量法与气袋采集法。传统的排水集气法操作简单，装置结构简单，维护成本低，但是该方法需定期向排水容器中补充水，采集气体体积即排水的体积，需要人为读数，增加了操作者劳动力；气体压力法虽重现性好，精度高，气体样品采集容易，但是需要周期性的释放发酵装置中的气体，容易造成测量误差，对实验人员来说也费时费力；气体流量测量法操作起来简单，但是在反应后期气体产生较慢，非高精度的气体流量计无法满足需要；气袋采集法需要选择气体分子透过率极低的气体采样袋收集样品，进行离线测量，对气体样品采集操作要求高。

利用实验室规模的生化产甲烷测定装置，具有参数控制简单、准确的特点，是开展实验研究的良好选择。目前实验室常用的厌氧发酵装置，测量方法简单，根据测算不同的需求，实验周期短则三五天，长则一两个月，且需要重复性实验，大部分需人工每天记录产气量，例如每天通过排水法测量一次产气量体积数据，耗费人力和时间，计量误差较大。

发明内容

本实用新型为了解决上述技术中人工操作测试甲烷潜力工作费时费力，存在较大计量误差的等技术问题，本实用新型提供了一种利用称重法计量排水集气法中排水得到的甲烷产气体积，实现生化产甲烷潜力的自动测量，具有体积小，成本低，可连续自动记录甲烷产气量，操作简单等特点。

本实用新型通过以下技术方案解决上述技术问题：一种生化产甲烷潜力自动测量装置，包括发酵反应装置、气体处理装置、气体计量装置、补液装置和数据采集处理装置：所述发酵反应装置包括恒温水浴槽、发酵瓶、第一温度传感器、第二温度传感器和第一导气管；所述气体处理装置包括洗气瓶、排水瓶、第二导气管和排水管；所述气体计量装置包括集水瓶、称重台和重量变送器；所述补液装置包括蠕动泵、储液瓶、常开夹管阀、常闭夹管阀、导水管、抽水管、第一继电器、第二继电器和第三继电器；所述数据采集处理装置包括数据采集卡和PC机；所述恒温水浴槽放置有第一温度传感器；所述发酵瓶放置在恒温水浴槽中，内部放置第二温度传感器；所述洗气瓶内装有洗气液，洗气瓶的进气口通过第一导气管与发酵瓶相连，管口没入洗气液；所述排水瓶在进气口接有第二导气管与洗气瓶的出气口连接，在出气口接有排水管与集气瓶相连，在进水口接有导水管与蠕动泵相连，导水管伸至排水瓶底部；所述集水瓶放置于由称重传感器和托盘搭建的称重台上，所述称重传感器通过重量变送器与数据采集卡连接；所述储液瓶通过抽水管与蠕动泵相连，抽水管伸至储液瓶底部；所述第一导气管上装有常开夹管阀，导水管上装有常闭夹管阀，所述常开夹管阀通过第一继电器连接至数据采集卡，所述常闭夹管阀通过第二继电器连接至数据采集卡；所述蠕动泵通过第三继电器与数据采集卡相连；所述第一温度传感器和第二温度传感器均与数据采集卡连接；所述数据采集卡与PC机连接。

进一步地，所述发酵瓶、洗气瓶和排水瓶均为玻璃密封瓶；所述发酵瓶中加入发酵底物和厌氧污泥；所述洗气瓶中加入碱液，以滤除产气中的酸性气体，过滤后气体经第二导气管进入排水瓶，导致瓶内压力增大将瓶中排水液经排水管压至集水瓶中；所述集水瓶为玻璃水准瓶，瓶身底部有开口，装有开关；集水瓶放置于称重台，试验结束后，打开开关，排空瓶中排水液。

进一步地，所述称重台由称重传感器呈横向Z型搭建而成，称重传感器右端与上托盘相连，左端与下托盘相连，上托盘与称重传感器之间，以及下托盘与称重传感器之间均放有垫圈，并用螺丝固定；下托盘安装在底座上。

进一步地，所述称重传感器选用悬臂梁式电阻应变片传感器，上下表面各贴两片；集水瓶放于上托盘上，作用于称重传感器的右端，悬臂梁发生微小弯曲，其上表面应变片产生拉应变，下表面应变片产生压应变，电阻值产生相应变化，通过重量变送器转换为电压信号。

进一步地，所述重量变送器包含24位HX711A/D转换模块，将称重传感器输出的微小信号差分放大、输出24位的A/D转化值，以多位数据的串口传输形式输送给数据采集卡；所述数据采集卡采集重量变送器的信号，对得到的数据进行处理得出甲烷产气量。

进一步地，所述储液瓶选用玻璃开口瓶，装有排水液；需要抽水补液时，PC机控制第三继电器连通使得蠕动泵工作，蠕动泵将储液瓶中排水液抽至排水瓶。

进一步地，所述数据采集卡选用NI公司的USB接口数据采集卡，发酵过程中通过第一温度传感器与第二温度传感器，分别监测水浴温度和发酵温度；发酵过程中实时监测称重传感器数据，记录数据并上传至PC机作出判断，控制常开夹管阀、常闭夹管阀及蠕动泵的工作状态。

与现有技术相比，本实用新型有显著优点：

1、本实用新型提供的生化甲烷潜力自动测量装置集甲烷发酵、处理及产气计量于一体，自动化程度高，可自动测量气体产量，操作简单，使用方便。

2、本实用新型提供的生化甲烷潜力自动测量装置通过气体处理装置对发酵产生的气体进行处理后再进行气体测量，测量结果准确且精度高。

3、本实用新型提供的生化甲烷潜力自动测量装置利用排水集气结合称重的方法间接测量产气量，便于观察产气情况。

4、本实用新型提供的生化甲烷潜力自动测量装置的补液装置能根据集气的多少来判定是否需要补液，达到了自动补充排水液的功能，无需人工定期打开排水瓶补充排水液，免去了补液时产生的误差。

5、本实用新型提供的生化甲烷潜力自动测量装置体积小，空间占用小，可以在恒温水浴锅中设置多组处理，适用于实验室规模批量厌氧发酵实验。

附图说明

图1是本实用新型生化产甲烷潜力自动测量装置结构图；

图2是本实用新型生化产甲烷潜力自动测量装置称重台结构图；

图3是本实用新型生化产甲烷潜力自动测量装置重量变送器电路原理图；

图中，第一温度传感器1、恒温水浴槽2、第二温度传感器3、发酵瓶4、常开夹管阀5、第一导气管6、洗气瓶7、第二导气管8、排水瓶9、导水管10、常闭夹管阀11、排水管12、集水瓶13、称重台14、重量变送器15、蠕动泵16、第一继电器17、第二继电器18、第三继电器19、抽水管20、储液瓶21、数据采集卡22、PC机23、上托盘24、称重传感器25、下托盘26、底座27、上表面应变片28、下表面应变片29、垫圈30、螺丝31。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本实用新型的实施方式。

如图1所示，本实用新型提供的一种生化产甲烷潜力自动测量装置，包括发酵反应装置、气体处理装置、气体计量装置、补液装置和数据采集处理装置：所述发酵反应装置包括恒温水浴槽2、发酵瓶4、第一温度传感器1、第二温度传感器3和第一导气管6；所述气体处理装置包括洗气瓶7、排水瓶9、第二导气管8和排水管12；所述气体计量装置包括集水瓶13、称重台14和重量变送器15；所述补液装置包括蠕动泵16、储液瓶21、常开夹管阀5、常闭夹管阀11、导水管10、抽水管20、第一继电器17、第二继电器18和第三继电器19；所述数据采集处理装置包括数据采集卡22和PC机23；所述恒温水浴槽2具有8孔保温盖，放置有第一温度传感器1；所述发酵瓶4放置在恒温水浴槽2中，塞有两孔橡胶塞，内部放置第二温度传感器3；所述洗气瓶7内装有洗气液，塞有两孔橡胶塞，洗气瓶7的进气口通过第一导气管6与发酵瓶4相连，管口没入洗气液；所述排水瓶9塞有三孔橡胶塞，在进气口接有第二导气管8与洗气瓶7的出气口连接，在出气口接有排水管12与集气瓶13相连，在进水口接有导水管10与蠕动泵16相连，导水管12伸至排水瓶9底部；所述集水瓶13放置于由称重传感器25和托盘搭建的称重台14上，所述称重传感器25通过重量变送器15与数据采集卡22连接；所述储液瓶21通过抽水管20与蠕动泵16相连，抽水管20伸至储液瓶21底部；所述第一导气管6上装有常开夹管阀5，导水管10上装有常闭夹管阀11，所述常开夹管阀5通过第一继电器17连接至数据采集卡22，所述常闭夹管阀11通过第二继电器18连接至数据采集卡22；所述蠕动泵16通过第三继电器19与数据采集卡22相连；所述第一温度传感器1和第二温度传感器3均与数据采集卡22连接；所述数据采集卡22与PC机23连接。

进一步地，所述发酵瓶4、洗气瓶7和排水瓶9均为玻璃密封瓶；发酵瓶4中加入发酵底物和厌氧污泥；洗气瓶7中加入碱液，以滤除产气中的酸性气体CO₂，H₂S等，过滤后气体经第二导气管8进入排水瓶9，导致瓶内压力增大将瓶中排水液经排水管12压至集水瓶13中；所述集水瓶13为玻璃水准瓶，瓶身底部有开口，装有开关；集水瓶13放置于称重台14，试验结束后，打开开关，排空瓶中排水液。

如图2所示，所述称重台14由称重传感器25呈横向Z型搭建而成，称重传感器25右端与上托盘24相连，左端与下托盘26相连，上托盘24与称重传感器25之间，以及下托盘26与称重传感器25之间均放有垫圈30，并用螺丝31固定；下托盘26安装在底座27上。所述称重传感器25选用悬臂梁式电阻应变片传感器，上下表面各贴2片；集水瓶13放于上托盘24上，作用于称重传感器25的右端，悬臂梁发生微小弯曲，其上表面应变片28产生拉应变，下表面应变片29产生压应变，电阻值产生相应变化，通过重量变送器15转换为电压信号。

进一步地，如图3所示，所述重量变送器15包含24位HX711A/D转换模块，称重传感器25的两个电源端口分别接入激励电源正负极，称重传感器输出电压信号正极接入模块A通道INA+引脚，称重传感器输出电压信号负极接入模块A通道INA-引脚。通道A带有128倍的信号增益，可以将5mV的电压放大128倍。模块自带稳压电源，其输出电压值(VAVDD)由外部分压电阻R7、R8和芯片的输出参考单元VBG决定。将称重传感器25输出的微小信号差分放大、输出24位的A/D转化值，以多位数据的串口传输形式，由管脚PD_SCK和DOUT输送给数据采集卡22；所述数据采集卡22采集重量变送器15的信号，对得到的数据进行处理得出甲烷产气量，并在上位机界面显示。

进一步地，所述储液瓶21选用玻璃开口瓶，装有排水液；需要抽水补液时，PC机23控制第三继电器19连通使得蠕动泵16工作，蠕动泵16将储液瓶21中排水液抽至排水瓶9。

进一步地，所述数据采集卡22选用NI公司的USB接口数据采集卡，发酵过程中通过第一温度传感器1与第二温度传感器3，分别监测水浴温度和发酵温度；发酵过程中实时监测称重传感器25数据，记录数据并上传至PC机23作出判断，控制常开夹管阀5、常闭夹管阀11及蠕动泵16的工作状态。当称重传感器25检测到的重量值达到重量阈值M₁(M₁＝排水瓶初始重量*80％)时，表示排水瓶9中的排水液不足，PC机23控制继电器开关连接，暂停产气检测；补液装置开始工作，待到达设定时间后，补液关闭，重新开始产气检测。所述PC机23控制继电器开关连接后，常开夹管阀5通电关闭，阻隔了发酵产气导通，常闭夹管阀11通电打开，导通导水管10使得储液瓶21中的水抽至排水瓶9中，达到补液功能；补液完成后，常开夹管阀5断电打开，常闭夹管阀11断电关闭，继续发酵产气检测。

实施例1：

本次实验所用的物料选用各种有机废弃物，底物污泥来自杭州市七格污水处理厂。首先将8孔的恒温水浴槽2放置在平台上，在槽锅内加入合适的冷水至一定高度，打开恒温水浴槽2开关，将槽内温度设置为37℃。按照接种物和底物5：1的比率进行试验。将100g厌氧污泥加入到500mL的发酵瓶4中，并加入20g接种物样本，盖上橡胶塞并用密封蜡封住瓶口，发酵瓶4放置于恒温水浴槽2内。实验设置空白对照实验中。恒温水浴槽2及发酵瓶4内均放有温度计，用于监测水浴温度及发酵温度。橡胶塞上留有小孔方便插入第一导气管6，并用在导气孔周围涂上密封蜡。洗气瓶7与发酵瓶4通过装有常开夹管阀5的第一导气管6连接，该导管一端高于发酵瓶4液面，一端低于洗气瓶液面。洗气瓶7中加满NaOH溶液，以吸收降解过程中产生的H₂S，CO₂等酸性气体。排水瓶9中装满水，盖上三孔橡胶塞，一孔通过第二导气管8与洗气瓶7连接，该导管两端都高于液面；一孔通过排水管12与集水瓶13连接，该管左端没入排水瓶9水中，右端微伸出于橡胶塞；一孔通过装有常闭夹管阀11的导水管10与蠕动泵16连接，蠕动泵16通过抽水管20从储液瓶21抽水至排水瓶9进行补液工作。称重传感器25选用全桥应变片电阻传感器，以如图2所示的横向“Z”字形式安装，上托盘24与其右端相连，下托盘26与其左端相连，托盘与传感器间放有垫圈30，用螺丝31固定。集水瓶13放置于称重台14上，集水瓶13重量发生变化时，传感器上表面应变片28受力拉伸，下表面应变片29受力压缩，采用全桥四引线接线方法，受力变化直接输出为电压信号，通过重量变送器15将信号放大，传至数据采集卡22处理。

当数据采集卡22采集到的集水瓶的重量增加到某值(例如400g，与排水瓶容积有关),表明排水瓶(体积500mL)排水液需要补充，此时上位机利用数据采集卡22控制常开夹管阀5通电关闭，常闭夹管阀11上电打开，启动蠕动泵16往排水瓶9进行补水工作。PC机23与数据采集卡22连接，通过上位机软件处理数据并显示在上位机界面上。

发酵过程中数据采集卡22定期采样，记录发酵过程中的温度及排水重量变化，传感器记录的排水重量记为M，通过密度公式可得水的体积V₁，排出水的体积V₁即产生的甲烷的体积V，测得的甲烷体积以曲线图表的形式显示在PC机23界面上。实验周期通常需要30～60天，实验产生的排水总量即产气总量在发酵结束后基本无变化，可一次性获得，无需每日人为测定和记录。本实用新型参数控制准确简单，占用体积小，配合称重传感器25检测及数据采集卡22采集记录数据，可获得高重复性、可监测性的试验结果。

上述实施例用来解释说明本实用新型，而不是对本实用新型进行限制。在本实用新型的精神和权利要求的保护范围内，对本实用新型作出的任何修改和改变，都落入本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种生化产甲烷潜力自动测量装置，其特征在于，包括发酵反应装置、气体处理装置、气体计量装置、补液装置和数据采集处理装置：所述发酵反应装置包括恒温水浴槽(2)、发酵瓶(4)、第一温度传感器(1)、第二温度传感器(3)和第一导气管(6)；所述气体处理装置包括洗气瓶(7)、排水瓶(9)、第二导气管(8)和排水管(12)；所述气体计量装置包括集水瓶(13)、称重台(14)和重量变送器(15)；所述补液装置包括蠕动泵(16)、储液瓶(21)、常开夹管阀(5)、常闭夹管阀(11)、导水管(10)、抽水管(20)、第一继电器(17)、第二继电器(18)和第三继电器(19)；所述数据采集处理装置包括数据采集卡(22)和PC机(23)；所述恒温水浴槽(2)放置有第一温度传感器(1)；所述发酵瓶(4)放置在恒温水浴槽(2)中，内部放置第二温度传感器(3)；所述洗气瓶(7)内装有洗气液，洗气瓶(7)的进气口通过第一导气管(6)与发酵瓶(4)相连，管口没入洗气液；所述排水瓶(9)在进气口接有第二导气管(8)与洗气瓶(7)的出气口连接，在出气口接有排水管(12)与集气瓶(13)相连，在进水口接有导水管(10)与蠕动泵(16)相连，导水管(10)伸至排水瓶(9)底部；所述集水瓶(13)放置于由称重传感器(25)和托盘搭建的称重台(14)上，所述称重传感器(25)通过重量变送器(15)与数据采集卡(22)连接；所述储液瓶(21)通过抽水管(20)与蠕动泵(16)相连，抽水管(20)伸至储液瓶(21)底部；所述第一导气管(6)上装有常开夹管阀(5)，导水管(10)上装有常闭夹管阀(11)，所述常开夹管阀(5)通过第一继电器(17)连接至数据采集卡(22)，所述常闭夹管阀(11)通过第二继电器(18)连接至数据采集卡(22)；所述蠕动泵(16)通过第三继电器(19)与数据采集卡(22)相连；所述第一温度传感器(1)和第二温度传感器(3)均与数据采集卡(22)连接；所述数据采集卡(22)与PC机(23)连接。

2.根据权利要求1所述的一种生化产甲烷潜力自动测量装置，其特征在于：所述发酵瓶(4)、洗气瓶(7)和排水瓶(9)均为玻璃密封瓶；所述发酵瓶(4)中加入发酵底物和厌氧污泥；所述洗气瓶(7)中加入碱液；所述集水瓶(13)为玻璃水准瓶，瓶身底部有开口，装有开关；所述集水瓶(13)放置于称重台(14)。

3.根据权利要求1所述的一种生化产甲烷潜力自动测量装置，其特征在于：所述称重台(14)由称重传感器(25)呈横向Z型搭建而成，称重传感器(25)右端与上托盘(24)相连，左端与下托盘(26)相连，上托盘(24)与称重传感器(25)之间，以及下托盘(26)与称重传感器(25)之间均放有垫圈(30)，并用螺丝(31)固定；下托盘(26)安装在底座(27)上。

4.根据权利要求3所述的一种生化产甲烷潜力自动测量装置，其特征在于：所述称重传感器(25)选用悬臂梁式电阻应变片传感器；集水瓶(13)放于上托盘(24)上，作用于称重传感器(25)的右端。

5.根据权利要求1所述的一种生化产甲烷潜力自动测量装置，其特征在于：所述重量变送器(15)包含24位HX711A/D转换模块，输出24位的A/D转化值输送给数据采集卡(22)。

6.根据权利要求1所述的一种生化产甲烷潜力自动测量装置，其特征在于：所述储液瓶(21)选用玻璃开口瓶，装有排水液。

7.根据权利要求1所述的一种生化产甲烷潜力自动测量装置，其特征在于：所述数据采集卡(22)选用NI公司的USB接口数据采集卡，通过第一温度传感器(1)与第二温度传感器(3)分别监测水浴温度和发酵温度；数据采集卡(22)监测称重传感器(25)数据，记录数据并上传至PC机(23)作出判断，控制常开夹管阀(5)、常闭夹管阀(11)及蠕动泵(16)的工作状态。