产甲烷活性自动测试系统李江

２０１１国际沼气技术与环境工程学术研讨会暨产业化论坛论文集１６７产甲烷活性自动测试系统李江１’２，何强１，ＨａｌｅＯｚｇｕｎ２＇３，ＭｕｓｔａｆａＥｖｒｅｎＥｒｓａｈｉｎ２’３（１．三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆大学，重庆４０００４５；２．ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＷａｔｅｒｍａｎａｇｅｍｅｎｔ，ＳｅｃｔｉｏｎＳａｎｉｔａｒｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＤｅｌｆｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＰＯＢｏｘＳ０４８，２６００ＧＡＤｅｌｆｔ，ＨｉｅＮｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ；３．ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＦａｃｕｌｔｙ，ＩｓｔａｎｂｕｌＴｅｃｈｎｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，３４４６９，Ｍａｓｌａｋ，Ｉｓｔａｎｂｕｌ，Ｔｕｒｉｃｅｙ）摘要：可再生能源具有可持续性，在能源窬求中的消耗比例逐渐提高。沼气作为一种可再生能源应用较普遍，尤其适含解决小范围内的能源需求。近年来，木材加工、农业生产、食品加工和养殖行业产生的有机固体废物以及有机生活垃圾的产甲烧势成为研究的热点。产甲烷势或产甲烷活性自动测试成为一种应用趋势以满足研究需要。文章介绍了一种自动测试系统（ＡＭＰＴＳ），重点陈述了测试程序及数据处理，为该系统在国内应用提供参考。该系统测得处理造纸废水的ＵＡＳＢ和ＥＧＳＢ反应器内厌氧污泥的ＳＭＡ分别为０．１７ｇＣＯＤ／ｇＶＳＳ．ｄ和０．３０ｇＣＯＤ／ｇＶＳＳ？ｄ〇关键词：产甲烷活性；自动测试系统；测试程序；数据处理１引言日益增长的能源需求导致一次能源的价格越来越髙并且供应不稳定⑴；可再生能源在能源需求中的比例逐渐提髙，进而减缓一次能源的消耗并逐渐替代一次能源。据预测，可再生能源将成为接下来的２〇年内增长最快的能源［２］。欧盟国家使用的可再生能源中生物质能占到６８．２％［３］。生物质能中沼气、生物柴油和生物乙醇受到广泛关注［４］。由于沼气技术较成熟，经济可行，沼气作为一种可再生能源应用较普遍，尤其适合解决小范围内的能源需求。木材加工、农业生产、爻品加工和养殖行业产生的有机固体废物以及有机生活垃圾都是具有潜在利用价值的能源物质，目前关于这些有机废物的产甲烷势评估已成为厌氧消化领域研究的热点［４＿７］。产甲烷势测试是在理想条件下，利用接种污泥来测试有机固体废物的最大产甲烷量。接种污泥要有一定的产甲烷活性才能准确评估有机固体废物的产甲焼势［８］。产甲焼活性（ｓｐｅｃｉｆｉｃｍｅｔｈａｎｏｇｅｎｉｃａｃｔｉｖｉｔｙ，ＳＭＡ）表示的是厌氧消化微生物中的产甲烷微生物将有机质转化为甲烷的潜力，是评估厌氧反应器运行效果和检验厌氧污泥活性的ｋ要参数［９’ｗ］。产甲烷势或产甲烷活性测试主要步骤是甲烷体积的量化。甲烷体积量化的方法有沼气成分分析、碱液吸收、ＯｘｉＴｏｐ？测压以及ＡＭＰＴＳ自动测试等。其中ＯｘｉＴｏｐ＊（ＷＴＷ，德国）和ＡＭＰＴＳ（Ｂｉｏ＞ｐｒｏｃｅｓｓＣｏｎｔｒｏｌ，瑞典）系统是国外新开发的应用在厌氧消化领域的自动测试系统，原理都是通过碱液吸收来测量甲烷体积，测试过程的数据自动被记录并储存。本文通过应用ＡＭＰＴＳ系统测试厌氧污泥的产甲烷活性，介绍了该系统测试原理和测试方法以及数据处理，进而为该系统在国内应用提供参考。２材料与方法２．１污泥样品测试污泥来源于德国一造纸废水处理厂运行的ＥＧＳＢ反应器和ＵＡＳＢ反应器。该厂采用两条独立的处理工艺（如图１），处理后排放至当地的污水处理厂和生活污水一起处理〇ＵＡＳＢ反应器和ＥＧＳＢ反应器的运行参数如表１所示。沼气产生量为４０００－５０００ｍ３／ｄａｙ，其中甲焼含量为７５％￣８０％。沼气发电回用于厂内的电耗。１６８２０１１国际沼气技术与环境工程学术研讨会暨产业化论坛论文集造纸废水＋？ＵＡＳＢ反应一？曝气池一？沉淀池一？预酸化池一—■—：￣＇￣＝，—？ＷＷＴＰ调节池－＞ＥＧＳＢ反应器—？曝气池一？沉淀池￣？图１造纸厂废水处理工艺表１反应器运行参数单位ＥＧＳＢＵＡＳＢ髙度ｍ１９７．２运行温度尤３５－３７３５－３７？水力停留时间（ＨＲＴ）ｈ５－７６处理量ｍ３／ｈ１５０４０运行时间－２００９１９９４２．２ＳＭＡ测试２．２．１ＡＭＰＴＳ介绍瑞典碧普（ＢｉｏｐｒｏｃｅｓｓＣｏｎｔｒｏｌ）公司开发的一种甲烷势自动测试系统如图２所示。测试过程中，沼气中的二氧化碳和硫化氢气体被碱液吸收（３），余下的甲焼气体通过微量气体传感器（４）测出流量，并自动储存在电脑（１）。该系统除了能在线自动测试基质的产甲烷势（ＢＭＰ）还能测试接种污泥的产甲烷活性（ＳＭＡ）。测试时，５００ｍＬ的玻璃反应器（２）装填接种污泥和基质以及营养液，工作体积为４００ｍＬ。整个系统可在低温、中温、高温下运行，水浴加热（２），搅拌采用机械搅拌（２）。（１．数据存储；２．带搅拌的反应器和水浴锅；３．碱液吸收；４．感应器）图２甲烷势自动测试系统２．２．２基质与接种污泥的体积计算厌氧消化产甲烷阶段涉及到的菌种主要是乙酸产甲烷菌和氢型产甲烷菌，其中，乙酸产甲烷菌占主要部分，所以产甲烷活性测试采用乙酸作为基质。接种污泥与基质的体积按ＶＳＳ：ＣＯＤ为２：１进行计算［９］，方程如下：ｙ－ＣＯＤ＾Ｖ，ｘＶＳＳｓＬ＝〇－５Ｌ＋Ｋ，．＝〇．４式中，Ｖ，ｕ．和Ｖ，，．表示基质和接种污泥的体积；Ｃ０Ｄ８？和ＶＳＳ８｜．表示的是基质的ＣＯＤ和接种污泥的微生物量（ＶＳＳ）。测试采用２个平行和１个空白，平行样测试和空白样测试分别采用乙酸钠和蒸馏水作为基质，所需体积见表２所示。２０１１国际泪气技术与环塊工程学术研讨会暨产业化论坛论文集１６９表２基质与接种污泥及蒸馏水体积？．ｍｏＶＳＳＶｓｌ．Ｖｓｕ．Ｖｗｖｃｃ＞ｖＲｅａｃｔｏｒＷＳｔ（ｇ／Ｌ）（ｍＬ）（ｍＬ）（ｍＬ）ＶＳＳ（ｇ）ＵＡＳＢ平行７５２０３８０－１．５０空白７５２０－３８０１．５０ＥＧＳＢ平行７２２１３７９－１．５１空白７２２１３７９１．５１２．２．３ｐＨ缓冲剂及营养液产甲焼微生物对环境相当敏感，因此需要加入ｐＨ缓冲剂及营养液使其活性最大化并提高其稳定性［８￣１１］。表３所示加入的ｐＨ缓冲剂和产甲烷微生物代谢有机质的微量（Ｍａｃｒｏ－ｎｕｔｒｉｅｎｔｓ）和恒量元素（Ｔｒａｃｅｅｌｅｍｅｎｔｓ）〇表３ｐＨ缓冲剂及营养液ｐＨｂｕｆｆｅｒＣｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎＭａｃｒｏ－ｎｕｔｒｉｅｎｔａＣｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎＫ２ＨＰ０４．３Ｈ２００．２ｍｏｌ／ＬＮＨ４Ｃ１１７０ｇ／ＬＮａＨ２Ｐ０４．２Ｈ２００．２ｍｄ／ＬＧａＣｌｊ＾ＨｊＯ８ｇ／ＬＭｇＳ０４？７Ｈ２〇ＴｒａｃｅｅｌｅｍｅｎｔｓＣｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎＩＶａｃｅｅｌｅｍｅｎｔｓＣｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎＦｅＣｌ３？４Ｈ２０２ｇ／ＬＨＢ０３５０ｍｇ／Ｌ－６Ｈ２０（ＮＨ４）６Ｍ〇７０２－４Ｈ２０９０ｍｇ／ＬＭｎＣｌ２．４Ｈ２００．５ｇ／ＬＮａ＾ＳｅＯｓ？５Ｈ２０１００ｍｇ／ＬＣｕＣＩｊ－２Ｈ２０３０ｍ＾ＬＮｉＣｌ２．６Ｈ２０５０ｍｇ／ＬＺｎｄ２５０ｍｇ／ＬＥＤＴＡ１ｇ／Ｌ２．２．４装样并启动测试４００ｍＬ的工作体积中基质与接种污泥的体积比如表２所示。空白样采用蒸馏水代替基质。装完样之后，用氮气吹托反应器３分钟以驱除反应器内的空气，连接反应器与碱液吸收系统、碱液吸收系统与微量气体传感器以及电脑与信号接收器。启动电脑程序ＡＭＰＴＳ，输入与样品对应的ＶＳＳ值（见表２），设置间歇搅拌，搅拌频率为每搅拌１５ｍｉｎ，停１ｍｉｎ〇２．２．５ＳＭＡ计算ＡＭＰＴＳ系统测试的数据是甲烷累积产量（ＮＬ）和产甲烷速率（ＮＬ／ｄ），甲烷累计产童曲线的斜率即为产甲烷速率，产甲烷速率的最大值即为其斜率即为产甲烷活性。本次测试采用２个平行和１个空白。平行样之间的甲烷累积产量因样品实际不可能完全一样而略有差异，所以在计算同一接种污泥的产甲烷活性时，应先分开计算平行样和空白样的产甲烷活性，再用平行样的产甲烷活性值扣除空白的产甲烷活性值后取平均值。２．２．６分析方法ｐＨ、悬浮固体（ＴｏｔａｌＳｕｓｐｅｎｄｅｄＳｏｌｉｄｓ，ＴＳＳ）和挥发悬浮固体（ｖｏｌａｔｉｌｅＳｕｓｐｅｎｄｅｄＳｏｌｉｄｓ，ＶＳＳ）浓度测试采用标准方法［丨２］，２个平行。３结果与讨论在标准状况下（０〇Ｃ，ｌａｔｍ），ＵＡＳＢ反应器和ＥＧＳＢ反应器的甲烷累积产量如图３所示。由图可知，测试，开始没有出现产气滞后的现象，甲烷累积产量在３天内就趋于稳定。平行样之间甲烷累积产量曲线不ｔ样，证实了平行样之间的产甲烷活性略有差异。１７０２０１１国际沼气技术与环境工程学术研讨会暨产业化论坛论文集■ｇ〇．３０ｒ－＾０．３０—０．２５＾＾ｇ＾ｒｎｊｓａｓｍ５０．２５＿ｊ｜〇：１５：—Ｗ＃１龄平行样１Ｋ０．１０－ｊｒＴ行样２ｇｏ．１０Ｊｒ平行样２Ｎｌ°：°Ｊ＂＂聲＝■°０＾）１２３４＂＾０５。１２３时间／ｄ时间／ｄ图３甲烷累积产量（ＮＬ）：ＵＡＳＢ（左）和ＥＧＳＢ（右）累积产气量曲线的斜率最大值即为产甲烷活性，斜率方程及产甲烷活性的计算见表４。ＵＡＳＢ和ＥＧＳＢ反应器的ＳＭＡ分别为０．１７ｇＣＯＤ／ｇＶＳＳ．ｄ和０？３０ｇＣＯＤ／ｇＶＳＳ．ｄ。ＥＧＳＢ反应器的产甲烷活性比ＵＡＳＢ的产甲烷活性要髙得多，这与反应器的水力条件及温度有关。两个反应器的运行温度为３５丈￣３７＾，差异在于ＥＧＳＢ反应器内厌氧颗粒污泥处于膨胀状态，而ＵＡＳＢ反应器内厌氧颗粒污泥处于静止状态。膨胀颗粒污泥与进水充分接触，厌氧微生物更能摄取到有机物以及营养物质，尤其是微量元素。表４产甲烷活性（ＳＭＡ）计算一览表ＳＭＡ计算反应器样品ＲＪＳＭＡＳＭＡＳＭＡ平均值（Ｎｉｙｄ）（ｇＣＯＤ／ｇＶＳＳ？ｄ）（ｇＣＯＤ／ｇＶＳＳ？ｄ）ＵＡＳＢ１ｙ＝０．０９４＊＋０．００４０．９９６０．０９４０．１８０．１７２ｙ＝０．０９４ｘ＋０．００１０．９９５０．０９４０．１８空白ｙ＝０．００８ｘ＋０．００１０．６８３０．００８０．０１ＥＧＳＢ１ｙ＝０．１６３ｘ－０．０３２０．９８６０．１６３０．３１０．３０２ｙ＝０．１８６ｘ－０．０３４０．９８４０．１８６０．３５空白ｙ＝０．０１７ｉｔ－０．００１０．８３８０．０１７０．０３４结论本文介绍了一种产甲烷活性或产甲烷势自动测试系统的原理及测试方法，包括：基质与接种污泥的配比（浓度和体积）和数据处理等。并应用该系统测试了髙效厌氧反应器内的厌氧污泥的产甲烷活性。处理造纸废水的ＵＡＳＢ和ＥＧＳＢ反应器的ＳＭＡ分别为０．１７ｇＣＯＤ／ｇＶＳＳ．ｄ和０？３０ｇＣＯＤ／ｇＶＳＳ？ｄ。系统采用碱液吸收法和微量气体感应器检测甲烷体积，并自动记录数据，避免了手动记录带来的不便。参考文献：［１