申请日2014.01.28
公开(公告)日2014.04.16
IPC分类号G01N30/02
摘要
一种测定污泥比产甲烷活性的方法，属于废水处理领域，特别涉及废水厌氧处理及微生物发酵工程领域。本发明是为了解决现有污泥比产甲烷活性SMA测定方法准确性低及收集微量气体困难的问题。本发明中，每2小时测量一次甲烷含量，首先测量发酵气体总产量的装置中的单片机控制压力变送器实时监测一号厌氧瓶中内压力变化，从而得到气体总量;同时微量气体收集装置中的时间继电器通过电磁阀打开或关闭微量气体收集装置，利用真空采样管自动采集发酵气体，并将真空采集管中收集的发酵气体注入气相色谱仪中进行甲烷含量分析，根据发酵气体总产量与甲烷含量的关系得到甲烷产量，再根据比产甲烷活性计算公式得到比产甲烷活性。本发明用于废水处理。
权利要求书
1.一种测定污泥比产甲烷活性的方法，其特征在于，该方法包括：
每间隔2小时测量一次甲烷产量，具体过程为：
首先，采用测量发酵气体总产量的装置测量发酵气体总产量n，n为正数;同时采用微 量气体收集装置收集发酵气体;
然后，将所收集的发酵气体注入气相色谱仪中，得到发酵气体中的甲烷含量;
最后，根据公式：甲烷产量=发酵气体总产量×甲烷含量，获得此时的甲烷产量;
根据M次获得的M个甲烷产量及对应收集发酵气体的时间，获得甲烷产量随时间变化 曲线，根据该曲线得出斜率K，K大于0且小于1，然后根据公式：比产甲烷活性=24*K/ (VSS*V)，得到比产甲烷活性;M大于1且小于等于36的正整数;
其中24表示24小时;K为斜率;VSS为污泥当中生物量的浓度;V为添加的污泥样 品的体积。
2.根据权利要求1所述的一种测定污泥比产甲烷活性的方法，其特征在于，所述的测 量发酵气体总产量的装置包括一号铁架(1)、显示装置(9)、一号磁力搅拌器(2)、三号 注射针(4)、密封筒(19)、压力变送器(6)、开关电源(7)和单片机(8);
一号铁架(1)的铁夹用于固定压力变送器(6)，一号磁力搅拌器(2)放置在一号铁 架(1)的底盘上，三号注射针(4)位于一号磁力搅拌器(2)的正上方，所述三号注射针 (4)的顶端与密封筒(19)的底端连接，所述密封筒(19)的顶端与压力变送器(6)的 压力检测端通过密封件(5)连通，该压力变送器(6)用于检测空筒(19)内的压力，压 力变送器(6)的电源输入端连接开关电源(7)的电源电压输出端，压力变送器(6)的压 力信号输出端连接单片机(8)的压力信号输入端，单片机(8)的显示信号输出端与显示 装置(9)的显示信号输入端通过数据总线连接;
所述的微量气体收集装置包括二号铁架(10)、二号磁力搅拌器(11)、一号注射针(13)、 二号注射针(14)、电磁阀(17)、真空采样管(16)和时间继电器(15);
二号铁架(10)的铁夹用于固定电磁阀(17)，真空采样管(16)放置在二号铁架(10) 的底盘上，一号注射针(13)位于二号磁力搅拌器(11)的正上方，一号注射针(13)的 末端通过软管与电磁阀(17)的输入口连通，电磁阀(17)的输出口通过软管与二号注射 针(14)的末端连通，二号注射针(14)的针头插进真空采样管(16)的管内，电磁阀(17) 的控制端与时间继电器(15)的控制端连接。
3.根据权利要求2所述的一种测定污泥比产甲烷活性的方法，其特征在于，采用测量 发酵气体总产量的装置测量发酵气体总产量n，同时采用微量气体收集装置收集发酵气体 的方法为：
步骤A1、向一号厌氧瓶(3)和二号厌氧瓶(12)内持续吹入氮气5min～10min，然后 分别向一号厌氧瓶(3)和二号厌氧瓶(12)内注入营养液和底物母液;
步骤A2、分别向步骤A1中的一号厌氧瓶(3)和二号厌氧瓶(12)中加入污泥样品和 磁力搅拌器的转子，10min后停止向一号厌氧瓶(3)和二号厌氧瓶(12)吹入氮气，并立 刻用胶塞密封一号厌氧瓶(3)和二号厌氧瓶(12);
步骤A3、将一号厌氧瓶(3)放置在测量气体总产量的装置的一号磁力搅拌器(2)上; 将二号厌氧瓶(12)放置在微量气体收集装置的二号磁力搅拌器(11)上，一号磁力搅拌 器(2)和二号磁力搅拌器(11)的转子(18)开始转动，使营养液、底物母液和污泥样品 充分混合;
步骤A4、调节测量发酵气体总产量的装置的一号铁架(1)上的活动夹，使三号注射 针(4)的针头插进一号厌氧瓶(3)瓶内;
步骤A5、调节微量气体收集装置的二号铁架(10)上的活动夹，使一号注射针(13) 的针头插进二号厌氧瓶(12)瓶内;
步骤A6、将测量发酵气体总产量的装置中的一号铁架(1)、一号磁力搅拌器(2)、一 号厌氧瓶(3)、三号注射针(4)、密封筒(19)、密封件(5)和压力变送器(6)放入恒温 箱中;
步骤A7、将微量气体收集装置的二号磁力搅拌器(11)、二号厌氧瓶(12)、一号注射 针(13)、二号注射针(14)、电磁阀(17)和真空采样管(16)放入恒温箱中;
步骤A8、开启开关电源(7)、显示装置(9)和时间继电器(15);
步骤A9、在显示装置上得到发酵气体的总产量，在真空采样管(16)中收集发酵气体。
4.根据权利要求3所述的一种测定污泥比产甲烷活性的方法，其特征在于，一号磁力 搅拌器(2)和二号磁力搅拌器(11)的转子(18)开始转动，使营养液、底物母液和污泥 样品充分混合，转子(18)转动时间为1小时至2小时。
5.根据权利要求3所述的一种测定污泥比产甲烷活性的方法，其特征在于，步骤A1 中所述的注入的营养液和底物母液的配置方法如下：
步骤C1、准备两份煮沸15min后的去离子水，每份去离子水中吹氮气15min直至去离 子水温度与室温相同;
步骤C2、向其中一份去离子水中加入营养物，使配置成的营养液中各成分的浓度为 KH2PO4为2500mg/L;K2HPO4为1000mg/L，NH4Cl为1000mg/L;MgCl2为100mg/L， 半胱氨酸为500mg/L，酵母粉为200mg/L;
步骤C3、向另一份去离子水中加入底物药品，底物药品的成分为甲酸钠、乙酸钠、丙 酸钠和丁酸钠。
6.根据权利要求3所述的一种测定污泥比产甲烷活性的方法，其特征在于，时间继电 器(15)的时间设定为2小时。
7.根据权利要求3所述的一种测定污泥比产甲烷活性的方法，其特征在于，所述真空 采样管(16)的容量为5ml。
8.根据权利要求2所述的一种测定污泥比产甲烷活性的方法，其特征在于，密封件(5) 采用玻璃螺纹密封件。
说明书
一种测定污泥比产甲烷活性的方法
技术领域
本发明属于废水处理领域，特别涉及废水厌氧处理及微生物发酵工程领域。
背景技术
厌氧生物处理是一种高效处理有机废弃物的技术，目前正成为处理和利用工业有机废 水、污水厂剩余污泥、城市垃圾和畜禽粪便等最有效、前景最广阔的手段之一。尤其在污 水处理和污泥处理领域，厌氧生物处理技术以其独特的优势，如节省动力消耗、产生生物 能源、污泥产量少、对氮磷需求量低和对某些难降解有机物的较好的处理能力，被越来越 多地应用于污水、污泥等的处理中。
厌氧生物处理是一个多微生物种群协同参与的过程，水解发酵菌群、产氢产乙酸菌群 和同型产乙酸菌群组成非产甲烷菌，将有机大分子转化成产甲烷菌群可直接利用的甲酸、 乙酸、H2/CO2、乙醇等少数几种产甲烷菌的简单底物。产甲烷菌是一种古菌，对环境条件 的较敏感，因此，一个厌氧消化系统中产甲烷菌的活性是其运行效果的决定性因素。传统 测定挥发性悬浮固体VSS难以区分微生物菌体与其他有机物;辅酶F420、氢化酶等含量测 定间接反映产甲烷菌活性，但是操作复杂，耗时长，易受环境影响;而产甲烷菌的比产甲 烷活性SMA测定直接测定样品在发酵最初一定时间内消耗特定底物的产甲烷量，由于在底 物饱和情况下，反应初期为零级反应，反应速率不受底物浓度的影响，产甲烷量随时间变 化图的最大斜率可换算成样品的最大比产甲烷速率，直接、可靠、快速、操作简便。厌氧 生物处理中可用于反应器接种阶段测定接种污泥的最大产甲烷能力，为负荷控制提供参考; 启动和稳定运行阶段判断反应器的运行状况，并为最佳运行条件提供参考。还能针对特定 底物，考察并筛选发酵能力最好的样品等。
目前，针对不同的污泥样品，SMA的测定方法多样，大多添加无机营养液，但由于发 酵时间比较短，可不添加微量元素。采用的底物有甲酸、乙酸、H2/CO2等产甲烷菌可直接 利用的简单物质，尤其是自然界约70%甲烷的直接底物乙酸;乙酸、丙酸、丁酸等混合酸 或样品原生长环境底物，来模拟自然界或特定系统中产甲烷菌底物。根据样品的浓度，如 常以污泥的挥发性悬浮固体VSS间接表示系统内微生物量，确定合适的添加量。产气的测 定与计算方法主要有排水法、玻璃注射器抽取法、压力变送器复杂管路测定压力法等。
排水法常以NaOH吸收发酵气中CO2、H2S等酸性气体，排出量筒水的体积近似等于 甲烷体积，碱性水溶液并不能将甲烷之外的杂质气体全部去除，且由于水本身有重量，较 微量的气体不足以将水压出，精确性较低。同时，还需要经常人工补充洗气瓶内的碱性液 体，最大的问题是该方法不易收集气体，气体成分检测难于进行。排水法也包括使用史氏 发酵管进行排水的，但仍旧准确性低，难以收集气体。
玻璃注射器虽然可以收集气体，但同样属粗放型产气检测方法，精确性差。注射器针 头插入厌氧瓶内，内部产气产生高于大气压的压力，将注射塞栓顶出的体积代表内部产气 体积。相比普通注射器，玻璃注射器虽然大大减小了塞栓与针筒之间的摩擦力，但是摩擦 力仍旧存在，加上塞栓本身重力，较微量的气体同样难于检测到。
近些年，应用压力变送器越来越多地用于测定封闭反应器内由于产气带来的压力变化， 间接反映产气量的方法。如厌氧发酵瓶连接三通，一端连接压力变送器检测内部压力，将 信号传输于控制装置转化成数据存储，另一端连接电磁阀，接收控制系统传输的压力信号， 控制气路开闭，当压力达到设定的值时，气路打开时集气袋收集气体，并排尽多余气体， 气路关闭，反复测定瓶内压力机气体采集，计算累积产气量。应用压力变送器间接反映产 气量的这种方法，由于是基于发酵瓶内压力变化达到设定值而进行气样采集、放气，因此 电路设计较复杂，且放气较频繁，瓶内压力及气体环境变化较剧烈还会影响瓶内微生物的 代谢活动，而且采用集气袋收集产出的气体，例如最小的集气袋大小为0.25L，这种集气袋 也不适用于SMA实验短期微量气体检测及收集。
发明内容
本发明是为了解决现有污泥比产甲烷活性SMA测定方法准确性低及收集微量气体困 难的问题。本发明提供一种测定污泥比产甲烷活性的方法。
一种测定污泥比产甲烷活性的方法，该方法包括：
每间隔2小时测量一次甲烷产量，具体过程为：首先，采用测量发酵气体总产量的装 置测量发酵气体总产量n，n为正数;同时，采用微量气体收集装置收集发酵气体;
然后，将所收集的发酵气体注入气相色谱仪中，得到发酵气体中的甲烷含量;
最后，根据公式：甲烷产量=发酵气体总产量×甲烷含量，获得此时的甲烷产量;
根据M次获得的M个甲烷产量及对应收集发酵气体的时间，获得甲烷产量随时间变化 曲线，根据该曲线得出斜率K，K大于0且小于1，然后根据公式：比产甲烷活性=24*K/ (VSS*V)，得到比产甲烷活性;M为大于1且小于等于36的正整数;
其中24表示24小时;K为斜率;VSS为污泥当中生物量的浓度;V为添加的污泥样 品的体积。
所述的测量发酵气体总产量的装置包括一号铁架、显示装置、一号磁力搅拌器、三号 注射针、密封筒、压力变送器、开关电源和单片机;
一号铁架的铁夹用于固定压力变送器，一号磁力搅拌器放置在一号铁架的底盘上，三 号注射针位于一号磁力搅拌器的正上方，所述三号注射针的顶端与密封筒的底端连接，所 述密封筒的顶端与压力变送器的压力检测端通过密封件连通，该压力变送器用于检测空筒 内的压力，压力变送器的电源输入端连接开关电源的电源电压输出端，压力变送器的压力 信号输出端连接单片机的压力信号输入端，单片机的显示信号输出端与显示装置的显示信 号输入端通过数据总线连接;
所述的微量气体收集装置包括二号铁架、二号磁力搅拌器、一号注射针、二号注射针、 电磁阀、真空采样管和时间继电器;
二号铁架的铁夹用于固定电磁阀，真空采样管放置在二号铁架的底盘上，一号注射针 位于二号磁力搅拌器的正上方，一号注射针的末端通过软管与电磁阀的输入口连通，电磁 阀的输出口通过软管与二号注射针的末端连通，二号注射针的针头插进真空采样管的管内， 电磁阀的控制端与时间继电器的控制端连接。
采用测量发酵气体总产量的装置测量发酵气体总产量n，同时，采用微量气体收集装 置收集发酵气体的方法为：
步骤A1、向一号厌氧瓶和二号厌氧瓶内持续吹入氮气5min～10min，然后分别向一号 厌氧瓶和二号厌氧瓶内注入营养液和底物母液;
步骤A2、分别向步骤A1中的一号厌氧瓶和二号厌氧瓶中加入污泥样品和磁力搅拌器 的转子，10min后停止向一号厌氧瓶和二号厌氧瓶吹入氮气，并立刻用胶塞密封一号厌氧 瓶和二号厌氧瓶;
步骤A3、将一号厌氧瓶放置在测量气体总产量的装置的一号磁力搅拌器上;将二号厌 氧瓶放置在微量气体收集装置的二号磁力搅拌器上，一号磁力搅拌器和二号磁力搅拌器的 转子开始转动，使营养液、底物母液和污泥样品充分混合;
步骤A4、调节测量发酵气体总产量的装置的一号铁架上的活动夹，使三号注射针的针 头插进一号厌氧瓶瓶内;
步骤A5、调节微量气体收集装置的二号铁架上的活动夹，使一号注射针的针头插进二 号厌氧瓶瓶内;
步骤A6、将测量发酵气体总产量的装置中的一号铁架、一号磁力搅拌器、一号厌氧瓶、 三号注射针、密封筒、密封件和压力变送器放入恒温箱中;
步骤A7、将微量气体收集装置的二号磁力搅拌器、二号厌氧瓶、一号注射针、二号注 射针、电磁阀和真空采样管放入恒温箱中;
步骤A8、开启开关电源、显示装置和时间继电器;
步骤A9、在显示装置上得到发酵气体的总产量，在真空采样管中收集发酵气体。
一号磁力搅拌器和二号磁力搅拌器的转子开始转动，使营养液、底物母液和污泥样品 充分混合，转子转动时间为1小时至2小时。
步骤A1中所述的注入的营养液和底物母液的配置方法如下：
步骤C1、准备两份煮沸15min后的去离子水，每份去离子水中吹氮气15min直至去离 子水温度与室温相同;
步骤C2、向其中一份去离子水中加入营养物，使配置成的营养液中各成分的浓度为 KH2PO4为2500mg/L;K2HPO4为1000mg/L，NH4Cl为1000mg/L;MgCl2为100mg/L， 半胱氨酸为500mg/L，酵母粉为200mg/L;
步骤C3、向另一份去离子水中加入底物药品，底物药品的成分为甲酸钠、乙酸钠、丙 酸钠和丁酸钠。
时间继电器的时间设定为2小时。
所述真空采样管的容量为5ml。
密封件采用玻璃螺纹密封件。
本发明用于废水处理。
本发明所述的一种测定污泥比产甲烷活性的方法，采用厌氧瓶、压力变送器、单片机、 时间继电器、显示装置、电磁阀和真空采样管。测量发酵气体总量时，单片机控制压力变 送器实时监测一号厌氧瓶中内压力变化，根据理想气体状态方程得到气体总量;收集微量 气体时，时间继电器在设定时间内通过电磁阀来开闭微量气体收集装置，利用真空采样管 自动采集发酵气体。将真空采集管中收集的发酵气体注入气相色谱仪中进行测量甲烷含量。
本发明所述的一种测定污泥比产甲烷活性的方法准确率高，相比现有污泥比产甲烷活 性SMA测定方法准确率提高了20%以上，且采用该方法很容易收集微量气体，进一步提高 了测定污泥比产甲烷活性的方法的准确率。
