申请日2013.04.18
公开(公告)日2013.07.24
IPC分类号G01N7/20
摘要
本发明提供了一种快速测定厌氧污泥产氢活性的方法，其步骤如下：首先得到厌氧污泥发酵过程中产生的氢气量;绘制所述氢气量与发酵时间标准关系曲线图;在所述的氢气量和发酵时间呈线性关系时，得出斜率k的值;计算能表征该厌氧污泥产氢活性的最大比产氢活性值SHAm。本发明还提供了一套装置，该装置用来测定氢气的产量以便能够计算出SHAm的值。利用该方法和装置可以快速准确测定了厌氧产氢污泥的SHAm值，从而精确表征厌氧污泥的产氢活性。该方法不仅能准确测定厌氧污泥的产氢活性及反应器中保持某一产氢活性值所需的污泥浓度，还可以评定反应器在不同操作条件下性能的变化情况。因此本发明中所建立的方法对稳定运行厌氧产氢反应器大有帮助。
权利要求书
1.一种快速测定厌氧污泥产氢活性的方法，其步骤如下：
(1)首先测定厌氧污泥发酵过程中产生的氢气量;
(2)绘制所述氢气量与发酵时间标准关系曲线图;
(3)在所述的氢气量和发酵时间呈线性关系时，得出斜率k的值;
(4)计算能表征该厌氧污泥产氢活性的最大比产氢活性值SHAm，其计 算公式如下：
SHA m = k × 24 V R X × T 0 T 1
式中，T0(K)是标准状态下的温度273.15K;T1(K)是反应器的温度;VR(L) 是反应器体积;X(g-VSS/L)表示微生物浓度;k(mL-H2/h)是指所述氢气量和发 酵时间呈线性关系的斜率。
2.一种快速测定氢气产量的装置，其特征在于，其包括发酵装置、洗涤装 置、气体收集装置;所述洗涤装置连接在所述发酵装置与所述气体收集装置之 间，用以除去所述发酵装置产生的除氢气以外的气体。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述气体收集装置包括气体 收集器和液体测量装置。
说明书
一种快速测定厌氧污泥产氢活性的方法及其所用的装置
技术领域
本发明涉及发酵产氢技术领域，具体涉及一种快速测定厌氧污泥产氢活性 的方法及其所用的装置。
背景技术
氢气被认为是一种能替代甲烷且具有良好前景的燃料，通常可利用多种废 弃物通过厌氧消化制得氢气。和常规的化学制氢相比，生物发酵制氢工艺不仅 可以在室温和常压下进行，而且能够利用工业和农业产生的废弃物作为原料, 所以生物制氢有利于废物处理和资源回收。
在厌氧发酵产氢反应器的启动或者运行过程中，反应器中必须持有足够量 的产氢活性污泥。因此，寻找简便的方法快速测定产氢污泥浓度及其活性对厌 氧产氢反应器监测至关重要。常规的测定微生物活性的方法有：最大可能数 (MPN)、三磷酸腺苷(ATP)分析和脱氢酶活性测定等方法。这些方法或许可以 确定产氢微生物的活性。然而最大可能数检测法不实用,因为其需要较长的倍 增时间以及严格的厌氧环境，且在计算一些种类的细菌时有困难。而ATP分 析法和脱氢酶活性测定法都不是确定微生物活性的可靠方法。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种快速测定厌氧污泥产氢活性 的方法。
本发明的另一目的是提供一套装置，该装置能够快速测定氢气的产量以便 能够计算出SHAm的值。
首先，本发明提供了一种快速测定厌氧污泥产氢活性的方法，其步骤如下：
(1)首先通过相应装置测定厌氧污泥发酵过程中产生的氢气量;
(2)绘制所述氢气量与发酵时间标准关系曲线图;
(3)在所述的氢气量和发酵时间呈线性关系时，得出斜率k的值;
(4)计算能表征该厌氧污泥产氢活性的最大比产氢活性SHAm，其计算 公式如下：
SHA m = k × 24 V R X × T 0 T 1
式中，T0(K)是标准状态下的温度273.15K;T1(K)是反应器的温度;VR(L) 是反应器体积;X(g-VSS/L)是污泥(微生物)浓度;k(mL-H2/h)是指所述氢气 量和发酵时间呈线性关系的斜率。
SHAm表达式的推导如下：
厌氧产氢过程中微生物生长和产物生成的关系可以用Luedeking–Piret模 型来阐述：
dP i dt = α i dX dt + β i X - - - ( 1 )
αi为生长耦联的产物i形成系数，βi为非生长耦联的产物i形成系数，t(h)为反应 时间，X(g-VSS/L)为污泥(微生物)浓度，P(g-COD/L)为产物浓度。方程(1) 右边的第一项αi dXidt为生长偶联的产物i生成速率，它表示相关菌体的细胞生 长和其生产的物质i的生成量呈一定的比例关系，非生长偶联产物生成项(βiX) 则表示所有菌体的浓度和其产生的物质i的生成量呈一定的比例关系。方程(1) 可变形为：
dP i Xdt = α i dX Xdt + β i
dP i Xdt = α i μ + β i - - - ( 2 )
dPi/dt/X表示产物i的比生成速率，μ(d-1)表示微生物的比生长速率。以μ和dPi/dt/X 分别为横纵坐标作图，可得一条以αi为斜率，β为截距的直线。典型的拟合曲 线βH2的值约为0，这表明发酵过程中氢气的产生全部与微生物的生长相关。所 以氢气产量和底物浓度的关系可以用方程(3)表示：
dP H 2 dt = - Y H 2 × dS dt - - - ( 3 )
S(mmol/L)是底物的浓度;YH2(mL-H2/mmol)是氢气的产率系数。
在发酵制氢的序批式反应器中，方程(3)可变形为：
dS dt = - 1 Y H 2 × V R × dV H 2 dt × T 0 T 1 - - - ( 4 )
VH2(mL)是氢气的累积体积;VR(L)是反应物料在整个反应器中占有的体积; T0(K)是标准状态下的温度(273.15K);T1(K)是反应器的温度。
反应器中底物的降解可用莫诺方程来描述：
dS dt = - U max × S × X K s + S - - - ( 5 )
Umax(d-1)表示底物最大比吸收速率，Ks(mmol/L)是半饱和常数。结合方程(4) 和(5)可得方程(6)：
1 Y H 2 × V R × dV H 2 dt × T 0 T 1 = U max × S × X K s + S
1 V R × dV H 2 X × dt × T 0 T 1 = Y H 2 × U max × S K s + S
1 V R × dV H 2 X × dt × T 0 T 1 = Y H 2 × U max × S K s + S - - - ( 6 )
在发酵开始及稳定阶段，S远远大于Ks，因此方程(6)可简化为：
1 V R × dV H 2 X × dt × T 0 T 1 = Y H 2 × U max - - - ( 7 )
在这里，我们定义厌氧产氢污泥的SHAm(mL-H2/g-VSS/d)为：
SHA m = Y H 2 × U max - - - ( 8 )
所以方程(8)也可以写成：
1 V R × dV H 2 X × dt × T 0 T 1 = SHA m - - - ( 9 )
发酵过程中产生的氢气的积累标准曲线如图1所示。在滞留时间之后，产 生的氢气量随着发酵时间的增加而增加，且根据方程(9)可知，在最初的一段 发酵时间内，产生的氢气量和发酵时间呈线性关系。因此，污泥的SHAm值可 用方程(10)来计算：
SHA m = k × 24 V R X × T 0 T 1 - - - ( 10 )
k(mL-H2/h)是指上述氢气量和发酵时间呈线性关系的斜率。
根据公式8，Umax是底物最大比吸收速率，而YH2是氢气对底物的产率系数， 若底物的降解量是n mol,则生成的氢气量为是n*YH2mol。所以Umax与YH2的乘 积(即SHAm)为氢气的最大比生成速率，因此SHAm可以表征厌氧污泥的最大 比产氢活性。
进一步地，本发明提供了一套装置，该装置用来测定氢气的产量以便能够 计算出SHAm的值，它包括发酵装置、洗涤装置、气体收集装置;所述洗涤装 置连接在所述发酵装置与所述气体收集装置之间，用以除去所述发酵装置产生 的除氢气以外的气体。
优选的，所述气体收集装置包括气体收集器和液体测量装置。
本发明的有益效果如下：
本发明首先提出了一个用于表征厌氧污泥产氢活性的新概念：最大比产氢 活性(special hydrogen-producing activity,简写为SHAm)，并建立了一个测定产 氢污泥SHAm值的方法，还构建了测定SHAm的装置。利用该方法和装置可以快 速准确测定了厌氧产氢污泥的SHAm值，从而精确表征厌氧污泥的产氢活性。 这种方法不仅能准确测定厌氧污泥的产氢活性及反应器中保持某一产氢活性 值所需的污泥浓度，还可以评定反应器在不同操作条件下性能的变化情况。因 此本发明中所建立的方法对稳定运行厌氧产氢反应器大有帮助。
