一种生物降解测试装置

本技术涉及环境保护，特别是涉及一种生物降解测试装置。

背景技术：

1、微生物通过厌氧发酵、好氧发酵等反应将有机废弃物、污染物降解转化，准确测量微生物降解过程中产生气体或者消耗氧气的量对研究微生物降解反应具有重要的意义。

2、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。有机废水、厨余垃圾、畜禽粪便、秸秆、能源作物等有机废弃物中的有机质转化成沼气。沼气是一种混合气体，包括含有甲烷、二氧化碳、水蒸气及硫化氢、一氧化碳、氢气、氮气、氨气和氧气等气体。现有的自动测试装置，将沼气碱洗，计量洗脱后的气体体积为产生的甲烷量。现有方法无法同时对沼气整体和单个成分进行测量，无法详细展现厌氧发酵微生物降解产气全过程。沼气中碱液无法吸收的气体除了甲烷，还包括一氧化碳、氢气、氮气、氨气和氧气等。因此该方法理论上高估了甲烷的产量。

3、现有的厌氧生物降解测试装置，主要使用体积固定的发酵瓶进行发酵。在发酵瓶中，通常保留一部分顶空体积，用惰性气体(如氮气)填充，造成发酵反应前期产气高估，而补偿校正计算又使总产气被低估；厌氧发酵开始后，装置的密封性难以查验，漏气难以及时发现，易造成产气流失；利用异位碱液吸收产生的二氧化碳，吸收效率差异大，尤其是发酵后期碱液对二氧化碳的吸收效率降低，导致较大的测量误差；现有气体测量技术，如气液置换法，利用翻板式液体置换原理，在翻板抬起时，管路内气体受到的水压力降低，导致部分未被测量气体逸出，因此测量误差会明显增大。

4、好氧微生物降解能力可以由消耗的氧气体积来测定,也可以由底物消耗量来测定或者是由不同微生物作用的中间产物和最终产物的组成来测定。现有的好氧生物降解测试技术主要通过碱性物质吸收，间接测定产生二氧化碳的量来测定好氧发酵微生物的降解能力，测定过程复杂，准确性受吸附效率制约。

技术实现思路

1、本实用新型的目的是提供一种生物降解测试装置，以解决上述现有技术存在的问题，不仅可以进行厌氧发酵，也可进行有氧发酵，适用范围广，可自动化实时监测，工作时可无人值守。

2、为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：

3、本实用新型提供一种生物降解测试装置，包括发酵部分、气体计量部分、气体供应与收集部分、数据处理与过程控制部分；所述发酵部分用于进行生物降解发酵；所述气体计量部分用于得到发酵产生或消耗气体体积，并测定气体的浓度；所述气体供应与收集部分供应/收集微生物消耗或产生的气体；所述数据处理与过程控制部分用于反应过程数据采集，并根据收集数据，计算和存储测试结果。

4、可选的，所述发酵部分包括恒温水浴槽、发酵袋、搅拌装置；所述恒温水浴槽底部一侧连通有布水器，所述恒温水浴槽上方一侧开设有溢流口，所述布水器和溢流口分别通过软管与外置的加热装置连通；所述发酵袋通过托盘设置于所述恒温水浴槽内，所述发酵袋一侧中心处设有开口，所述开口外接有所述气体计量部分、气体供应与收集部分；所述搅拌装置包括设置于所述发酵袋内的磁力搅拌子，所述托盘底部中心处设有能够不断旋转磁极的磁力基座；所述托盘两侧设有固定夹，所述发酵袋通过所述固定夹安装于所述托盘上。

5、可选的，所述气体计量部分包括压力传感器和气体成分测量传感器；所述托盘底部中心位置处固定连接有连杆，所述连杆穿过所述恒温水浴槽的底部后固定连接有配重块；所述配重块底部设有所述压力传感器，所述压力传感器受力面与所述配重块能够相应扣合；所述开口通过排气管依次连接有气体成分测量传感器和气体存放容器，所述进气管上设有阀门，所述阀门为单向阀。

6、可选的，所述恒温水浴槽内底部设有伸缩套，所述连杆穿过所述伸缩套和所述恒温水浴槽底部后与所述配重块连接。

7、可选的，所述气体供应与收集部分包括所述气体存放容器，所述气体存放容器为集气袋，所述排气管上设有排气泵，所述排气泵为气泵或蠕动泵；所述气体供应与收集部分还包括气体供应容器，所述气体供应容器为供气袋，所述供气袋通过进气管与所述开口连通，所述进气管上设有阀门和进气泵，所述阀门为单向阀，所述进气泵为气泵或蠕动泵；所述进气管和排气管均通过伸缩管与所述开口连接，所述伸缩管底部通过快接接口与所述开口连接，所述快接接口内设有滚珠。

8、可选的，所述数据处理与过程控制部分包括plc控制系统，所述plc控制系统包括plc控制器、数据采集、屏显和储存模块；所述plc控制器通过控制线分别与所述压力传感器、气体成分测量传感器、磁力基座、排气泵、进气泵相连。

9、可选的，所述布水器位于所述恒温水浴槽内的部分开设有多个出水孔，所述布水器的出水孔直径不超过1mm，且所述出水孔朝向底部；所述恒温水浴槽内的水浴用水为密度确定且恒定的纯净水，所述发酵袋浸没在水浴中。

10、可选的，所述气体成分测量传感器的检测气室与排气管连接，检测气室的一侧设有反光板，另一侧为透明板，反光板与透明板之间的距离固定。所述气体成分测量传感器的探头与气体无接触，能够避免气体中水蒸气对所述气体成分测量传感器的影响。

11、可选的，压力传感器受力面与配重块可紧密扣合，且压力传感器灵敏度可根据发酵体积或测试要求选择，如1000ml的发酵袋，选择压力传感器灵敏度精确到1g。气体组分传感器的检测气室与体导管连接，气室的一侧设有反光板，另一侧为透明板，两个板之间的距离固定。传感器探头与气体无接触，避免气体中水蒸气对传感器的影响。plc控制器可以根据需求设定触发气泵或蠕动泵开启排气和停止的产气体积上下限，或者气泵或蠕动泵开启和关闭的时间。控制器可实时显示产气体随时间变化的曲线，内置校正程序可自动对排出的沼气进行回补并将产气体积校正为标准态下的体积。

12、本实用新型原理为：在浸没水浴环境下，发酵袋内部因微生物呼吸产生/消耗气体而体积发生变化，继而引发其浮力的增减，由于体积变化与浮力增减存在确定关系，因此通过转换压力传感器测量的浮力变化数据即得到产生/消耗气体的体积；plc控制器可根据设定的产气体积范围或发酵时间周期性地自动开启和关闭蠕动泵，将发酵袋内的沼气抽出并输送进入气体组分测试传感器进行组分含量测量；内置的校正程序可将排出的沼气体积进行补偿回累积产气体积，同时可以根据温度压力传感器记录的数据将产气体积校正为标准状态下的产气体积，得到总产气/消耗气体体积以及其中具体组分体积随时间的变化曲线。

13、本实用新型还提供一种生物降解测试方法，包括如下步骤：

14、开启外置的加热装置并设定所需的水浴温度，向恒温水浴槽输送设定温度的水浴用水；

15、将配置好的发酵原料装入发酵袋中并放入磁力搅拌子，去除袋内留存的空气；将发酵袋的快接接口与伸缩管相连，开启磁力搅拌并设定所需转速，开启压力传感器记录产气体积的实时变化情况；

16、通过plc控制器设定触发进气泵和排气泵启动供气和排气的产气体积上限值和停止的下限值，或设定供气/排气的时间间隔值，周期性地加入/排出发酵袋中的气体，气体流经气体成分测量传感器进行气体组分的测定；

17、plc控制系统收集并记录大气压力传感器、重力传感器和气体成分测量传感器的数据；内置的程序将周期性供入/排出的气体体积数据进行计算，根据记录的大气压力，将气体体积转化为标准状态下的体积，得到标准状态下气体体积与发酵时间的变化曲线，以及某一气体组分体积对发酵时间的变化曲线，进而得到产气率、产甲烷率、生物降解率的变化情况。

18、可选的，所述产气率包括通过以下公式计算在标准大气压下，0℃温度下的产气率yt，单位为nml/g vs或者nml/g cod：

19、

20、或者

21、

22、式中：

23、p测表示大气压力传感器测定的大气压力，单位为kpa；

24、p表示标准大气压力，为1.01325×105pa；

25、m表示气泵/蠕动泵排出气体的次数，m≥0；

26、v定表示设定的每次排出的气体的体积，单位为ml；

27、ρ表示水浴槽中纯净水的密度，为1g/ml；

28、g表示重力常数，为9.8n/kg；

29、ft表示t时间转换压力传感器测定的数值计算得到的浮力，单位为n；

30、f0表示发酵终止排出沼气后压力传感器测定的数值计算得到的浮力，单位为n；

31、t0表示0℃时的开氏温度，273.15k；

32、t表示发酵的温度数值，如37℃中温发酵，则t＝37；

33、vs表示发酵体系中加入的挥发性固体，单位为g；

34、cod表示发酵体质中加入的污水/废水总的化学需氧量，单位为g；

35、所述产甲烷率，包括通过以下公式计算产甲烷总体积v甲烷，单位为ml：

36、当气泵/蠕动泵排出气体的次数m＝0时，

37、当气泵/蠕动泵排出气体的次数m≥1时，

38、式中：

39、m表示气泵/蠕动泵排出气体的次数，m≥0；

40、v定表示设定的每次排出的气体的体积，单位为ml；

41、ρ表示水浴槽中纯净水的密度，为1g/ml；

42、g表示重力常数，为9.8n/kg；

43、f表示t时间转换压力传感器测定的数值计算得到的浮力，单位为n；

44、f0表示发酵终止排出沼气后压力传感器测定的数值计算得到的浮力，单位为n；

45、cm表示气泵/蠕动泵排出气体经过传感器测定的甲烷浓度，单位为％。

46、通过以下公式计算在标准大气压下，0℃温度下的产甲烷率ych4，单位是nml/g vs或者nml/g cod：

47、或

48、式中:

49、vch4表示产甲烷总体积，单位为ml；

50、p测表示大气压力传感器测定的大气压力，单位为kpa；

51、p表示标准大气压力，为1.01325×105pa；

52、t0表示0℃时的开氏温度，273.15k；

53、t表示发酵的温度数值，如37℃中温发酵，则t＝37；

54、vs表示发酵体系中加入的挥发性固体，单位为g；

55、cod表示发酵体质中加入的污水/废水总的化学需氧量，单位为g；

56、当进行生化产甲烷潜力、厌氧污泥比甲烷活性的计算时，需用试验所得结果减去空白对照的结果；

57、所述生物降解率包括通过以下公式计算产生co2总体积vco2，单位为ml：

58、当气泵/蠕动泵排出气体的次数m＝0时，

59、当气泵/蠕动泵排出气体的次数m≥1时，

60、式中：

61、m表示气泵/蠕动泵排出气体的次数，m≥0；

62、v定表示设定的每次排出的气体的体积，单位为ml；

63、ρ表示水浴槽中纯净水的密度，为1g/ml；

64、g表示重力常数，为9.8n/kg；

65、f表示t时间转换压力传感器测定的数值计算得到的浮力，单位为n；

66、f0表示发酵终止排出沼气后压力传感器测定的数值计算得到的浮力，单位为n；

67、cm表示气泵/蠕动泵排出气体经过传感器测定的二氧化碳的浓度，单位为％；

68、通过以下公式计算生物降解率dt：

69、

70、式中：

71、vco2表示试验测得产生co2总体积，单位为ml；

72、vblank表示空白对照产生co2总体积，单位为ml；

73、tvco2表示底物完全降解所产生理论co2总体积，单位为ml。

74、本实用新型相对于现有技术取得了以下技术效果：

75、本实用新型利用浮力原理在发酵袋原位测量气体体积，避免了异位测量造成结果的低估或高估，不论产气/耗气速度快慢，均能实时、准确测量气体体积。气体体积测量和组分浓度测定的过程中，无吸附/洗脱/冷凝/吸收等去除步骤，避免了因吸附/洗脱/冷凝/吸收效率的差异引起的测量数值的高估或低估，达到无损测量。测量后，气体可收集用于进一步分析。发酵袋全程浸没在水浴中，可随时检查气密性，确保全程气体无漏气、物质无流失。对厌氧发酵，本装置可以同时完成对沼气和沼气中甲烷、二氧化碳等组分的测量。使用体积可变的发酵袋可以消除传统发酵罐顶空体积留存的气体对结果的影响，使累计产气曲线真实还原厌氧发酵产气过程。对好氧发酵，根据设定时间周期性供气/排气，使装置具有会“呼吸”的特点，更接近微生物好氧发酵的自然环境条件。

76、本实用新型连续自动测量，准确性高，分辨率高，为分析研究比产甲烷活性、生化产甲烷潜力、生化需氧量、微生物呼吸等发酵过程提供有利帮助。