一种测定有机固体废弃物生化产甲烷潜力的装置和方法
【专利说明】-种测定有机固体废弃物生化产甲烧潜力的装置和方法 【技术领域】
[0001]本发明设及有机固体废弃物厌氧消化技术领域，特别是一种测定有机固体废弃物 生化产甲烧潜力的装置和方法。 【【背景技术】】
[000引随着可再生能源需求的增加，利用厌氧消化技术处理有机垃圾、畜禽粪便、枯杆、 能源作物等有机废弃物生产清洁能源沼气的工艺技术得到广泛运用。厌氧发酵工艺设计 时，生化产甲烧潜力是衡量其可行性的重要的工具，同时生化产甲烧潜力还可提供厌氧发 酵的动力学参数，是评价厌氧消化过程优劣的重要参数。
[0003] 目前，常用的生化产甲烧潜力的测定方法，按照发酵装置及气体体积收集计量方 式不同可分为排水法、针筒法与测压法。
[0004] 1)排水法：该方法一般用发酵装置中产生气体挤压计量瓶中的水流入量筒中，来 计量气体的体积。该方法操作程序简单易实施，装置结构简单易搭建，维护成本低。但该方 法在实施过程中存在W下问题；（1)由于考虑气体管路装置的密封性，一般采用静态发酵， 该容易造成固体废物在厌氧发酵过程不能在厌氧体系中均匀分布；（2)排水过程中收集瓶 中的液体的容易虹吸作用，从而造成该方法对气体体积计量误差较大，实验精度低；（3)该 方法需定期向排水容器中补充水，增加了操作者劳动；(4)该方法采集气体样品困难，难W 进行气体组分测定；（5)装置复杂，体积较大，包括发酵瓶、集气瓶W及体积计量装置，不利 于进行大量样品测定。W上原因造成该方法试验误差较大，精度不高，而且费时费力。
[0005] 2)针筒法：该方法采用大注射器作为发酵装置与气体收集装置，整个装置放置于 固定的恒温转盘中，通过注射器活塞移动距离来计量气体体积。如德国生物质能源研究中 屯、值BF幻推荐的方法。该方法的优点是操作起来简单省工，发酵底物混合混匀。但在实施 过程中，该方法存在W下问题：（1)针筒的完全密封比较困难；（2)由于针筒体积有限，针筒 活塞移动距离不能过大，因而使得发酵底物的添加量有限，试验的均匀性与代表性不强，试 验精度低；（3)该方法气体样品采集困难，沼气组分难W测定。
[0006] 3)测压法；该方法一般将厌氧发酵过程与气体收集过程集中在一个装置中，采用 手持便携式压力表计量气体压力气体压力，然后由气体状态方程计算气体体积。该方法试 验重现性好，精度高，气体样品采集容易。但在实际实施中，由于需要用手持气体压力表计 量气体压力，而且需周期性释放发酵装置中计量器的混合气体，对操作者来说费时费力。同 时，由于每次试验中需要多次用针头穿透密封瓶口用的橡胶塞，使得该方法对橡胶塞的质 量要求很高，价格昂贵。W上原因使得该方法的推广受限。
[0007] 同时，在试验中，有机固体废弃物生化产甲烧潜力测试过程中受许多因素影响。如 例如接种物与底物的添加比例，底物粒径，有机负荷，接种物的预培养时间，环境条件，厌氧 发酵的缓冲体系等。 【
【发明内容】
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[000引本发明的目的是针对上述存在问题，提供一种结构简单、制作安装方便、造价低 廉、易于实施与控制、试验精度高的测定有机固体废弃物生化产甲烧潜力的装置和方法，该 装置采用可控性强的关键试验程序控制试验条件和科学可靠的计算方法，实现对特定有机 固体废弃物的生化产甲烧潜力精确测定。
[0009] 本发明技术方案；
[0010] 一种测定有机固体废弃物生化产甲烧潜力的装置，包括电热恒温箱罩、电热恒温 箱底座、厌氧发酵装置、磁力揽拌盘、温度控制器和磁力揽拌盘控制器，电热恒温箱罩为矩 形无底透明箱罩，顶盖上设有两个废气排放口；电热恒温箱底座为矩形封闭盒体，磁力揽拌 盘位于电热恒温箱底座上，厌氧发酵装置设于磁力揽拌盘上，电热恒温箱罩密封扣于电热 恒温箱底座上，温度控制器和磁力揽盘控制器设于电热恒温箱底座内；厌氧发酵装置由高 棚娃玻璃瓶、密封螺口瓶盖、精密气体压力计、金属导气管、单向气体阀口组成，高棚娃玻璃 发酵瓶通过密封瓶盖密封，两支金属导气管分别垂直固定于密封瓶盖上并用橡胶垫与气密 胶密封，其中一支金属导气管上端与精密气体压力计连接并设有单向气体阀，另外一支金 属导气管上端为排气口并设有单向气体阀，磁力揽拌转子设置于高棚娃玻璃发酵瓶底部。
[0011] 所述厌氧发酵装置数量为12-36个。
[0012] 一种利用所述装置测定有机固体废弃物生化产甲烧潜力的方法，步骤如下：
[001引 1)完成上述装置的连接，并对该装置进行气密性检查，紧贴盖子处导管套0型橡 胶圈，并用气密胶密封；
[0014] 2)接种物选择与预处理
[0015] 选择与待测有机固体废弃物性质相近且运行良好的沼气池的厌氧污泥作为接种 物，并用l-2mm孔径的筛网对接种物进行过滤，然后放置于试验发酵温度相同的培养箱中 预培养5-10天，活化污泥并进一步消耗接种物中的营养物质；
[0016] 3)厌氧发酵体系的配置
[0017] W挥发性固体含量（V巧为基准，使用预培养好的的接种污泥与待测有机固体废 弃物配置厌氧发酵体系，为防止待测有机固体废弃物中营养物质不均衡而引起的厌氧发酵 体系不稳定现象，接种物与待测有机固体废弃物的添加比例设置为2:1，整个厌氧发酵体系 占据厌氧发酵玻璃瓶总容积的60-75%，其余体积用于收集厌氧发酵产生的沼气气体。为了 消除接种物产生的沼气对最终结果的影响，试验设置不添加发酵底物的空白对照；同时为 了考察接种物的活性，试验设置阳性对照，阳性对照根据待测发酵底物性质不同，设置纤维 素粉、脂肪或蛋白质，W上所有处理均重复=次；
[001引4)厌氧环境体系的建立
[0019] 在盖瓶盖前，向高棚娃玻璃瓶中通入高纯氮气，持续2-3分钟，W置换瓶中顶空处 的空气，形成无氧环境，然后梓紧瓶盖，做好密封，放置到电热培养中开始进行厌氧发酵；
[0020] 5)气体体积的计量及气体组分的测定
[0021] 定期读取精密气体压力计中的读数，通过气体状态方程将所测压力换算为标准状 况下（标准大气压，0°c)气体的体积，并用医用注射器从厌氧瓶中移走2mL气体于顶空进 样瓶中，用气相色谱仪测定沼气组分。直至产气曲线的斜率趋于零时，停止试验。
[0022] 6)生化产甲烧潜力计算
[002引生化产甲烧潜力炬M巧计算公式（Nml/gV巧；
[0024]
【主权项】
1. 一种测定有机固体废弃物生化产甲烷潜力的装置，其特征在于：包括电热恒温箱 罩、电热恒温箱底座、厌氧发酵装置、磁力搅拌盘、温度控制器和磁力搅拌盘控制器，电热恒 温箱罩为矩形无底透明箱罩，顶盖上设有两个废气排放口；电热恒温箱底座为矩形封闭盒 体，磁力搅拌盘位于电热恒温箱底座上，厌氧发酵装置设于磁力搅拌盘上，电热恒温箱罩密 封扣于电热恒温箱底座上，温度控制器和磁力搅盘控制器设于电热恒温箱底座内；厌氧发 酵装置由高硼硅玻璃瓶、密封螺口瓶盖、精密气体压力计、金属导气管、单向气体阀门组成， 高硼硅玻璃发酵瓶通过密封瓶盖密封，两支金属导气管分别垂直固定于密封瓶盖上并用橡 胶垫与气密胶密封，其中一支金属导气管上端与精密气体压力计连接并设有单向气体阀， 另外一支金属导气管上端为排气口并设有单向气体阀，磁力搅拌转子设于高硼硅玻璃发酵 瓶底部。
2. 根据权利要求1所述测定有机固体废弃物生化产甲烷潜力的装置，其特征在于：所 述厌氧发酵装置数量为12-36个。
3. -种利用权利要求1所述装置测定有机固体废弃物生化产甲烷潜力的方法，其特征 在于步骤如下： 1) 完成上述装置的连接，并对该装置进行气密性检查，紧贴盖子处导管套〇型橡胶圈， 并用气密胶密封； 2) 接种物选择与预处理 选择与待测有机固体废弃物性质相近且运行良好的沼气池的厌氧污泥作为接种物，并 用1-2_孔径的筛网对接种物进行过滤，然后放置于试验发酵温度相同的培养箱中预培养 5-10天，活化污泥并进一步消耗接种物中的营养物质； 3) 厌氧发酵体系的配置 以挥发性固体含量（VS)为基准，使用预培养好的的接种污泥与待测有机固体废弃物 配置厌氧发酵体系，为防止待测有机固体废弃物中营养物质不均衡而引起的厌氧发酵体系 不稳定现象，接种物与待测有机固体废弃物的添加质量比设置为2:1，整个厌氧发酵体系占 据厌氧发酵玻璃瓶总容积的60-75%，其余体积用于收集厌氧发酵产生的沼气气体，为了消 除接种物产生的沼气对最终结果的影响，试验设置不添加发酵底物的空白对照；同时为了 考察接种物的活性，试验设置阳性对照，阳性对照根据待测发酵底物性质不同，设置纤维素 粉，以上所有处理均重复三次； 4) 厌氧环境体系的建立 在盖瓶盖前，向高硼硅玻璃瓶中通入高纯氮气，持续2-3分钟，以置换瓶中顶空处的空 气，形成无氧环境，然后拧紧瓶盖，做好密封，放置到电热培养中开始进行厌氧发酵； 5) 气体体积的计量及气体组分的测定 定期读取精密气体压力计中的读数，通过气体状态方程将所测压力换算为标准状况下 (标准大气压，〇°C )气体的体积，并用医用注射器从厌氧瓶中移走2mL气体于顶空进样瓶 中，用气相色谱仪测定沼气组分。直至产气曲线的斜率趋于零时，停止试验； 6) 生化产甲烷潜力计算 生化产甲烷潜力（BMP)计算公式（Nml/gVS):
Pi :添加发酵底物的厌氧瓶中气体压力，单位为kPa ; Ci :添加发酵底物的厌氧瓶中甲烷浓度，单位为％ ; Pj :不添加发酵底物（空白对照）的厌氧瓶中气体压力，单位为kPa ; Cj :不添加发酵底物（空白对照）的厌氧瓶中甲烷浓度，单位为％ ; 101. 325 :为1标准大气压的气压数，单位为kPa ; T:厌氧发酵温度，单位为°〇； m:为发酵底物的挥发性固体（VS)质量，单位为g。
【专利摘要】一种测定有机固体废弃物生化产甲烷潜力的装置及方法，该装置包括电热恒温箱罩、电热恒温箱底座、厌氧发酵装置、磁力搅拌盘、温度控制器和磁力搅拌盘控制器；测定方法步骤如下：装置的连接和气密性的检查、接种物选择与预处理、厌氧发酵体系的配置、厌氧环境体系的建立、气体体积的计量及气体组分的测定、生化产甲烷潜力计算。本发明的优点是：该装置结构简单、易制作安装、使用寿命长、占地面积小、适用强；测定方法精确可靠、重复性好、测定过程易于操作。
【IPC分类】G01N30-02, G01N33-00
【公开号】CN104880540
【申请号】CN201510320896
【发明人】梁军锋, 杜连柱, 翟中葳, 张克强, 杨鹏
【申请人】农业部环境保护科研监测所
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年6月11日