[发明专利]一种测量生化产甲烷潜力的装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种生物质厌氧消化领域的装置和方法，具体的说，涉及的是一种测量生化产甲烷潜力（Biochemical Methane Potential，BMP）的装置和方法。

背景技术

作为最具前景的生物质能源生产方式之一，生物质厌氧消化产生物甲烷的工艺以厌氧微生物的生理生化反应为手段，将生物质中的大分子的有机物逐级降解为小分子的有机酸和气体，完成有机物消化降解的过程中同时产生以生物甲烷为目标产物的新能源。此过程中，某种生物质的生化产甲烷潜力与底物生物质降解特性直接相关，是发酵动力学中的目标参数，同时，生化产甲烷潜力可以用于衡量厌氧消化过程经济性，可以作为评价厌氧消化过程优劣的重要参数。

目前关于生化产甲烷潜力的测定装置及方法，一般包含发酵反应装置、气体收集装置，气体测量及计算方法、及装置的使用方法等部分构成。发酵反应装置分为静态BMP发酵装置和连续搅拌的BMP发酵装置两种类型。气体收集装置有使用排水集气法、气体压力传感器法、气体流量测量法、气袋采集法等类型。生物甲烷产量一般用气相色谱法辅助测定，或者通过甲烷净化装置后直接读数的方法，不管使用何种方法进行测定，将结果最终转换为单位质量挥发性组分产生的标准状态下的生物甲烷产量。例如美国ASTM标准E2170–01和相关文献中提到的测量BMP的试验，涉及到使用血清瓶进行静态的发酵试验，使用血清瓶上部空间对所产气体进行暂时储存，使用压力传感器记录血清瓶中气体压力的变化并将压力数据转换为标准状态下的气体体积，周期性的释放血清瓶中积累的混合气体并测定混合气体含量。该法操作规范重复性好，但是由于使用体积一定的发酵容器同时作为气体的储存场所，常导致产生的混合气体中的二氧化碳在高于大气压的状态下以碳酸根和碳酸氢根的形式溶于发酵液中，一则会引入生物甲烷的测量值偏大的试验误差，二来改变发酵液自然状态下的酸碱平衡体系，使发酵液偏酸，导致试验结果无法反应生物质真实的生物可降解性和生化产甲烷潜力。虽然可以通过发酵结束后使用碱液回滴发酵液的方式重新计算生化产甲烷量矫正前一种误差，但是这无疑增加了试验的工作量和复杂程度，同时第二种试验偏差也始终无法通过其他手段矫正。此外，该装置和方法涉及到使用压力传感器量取反应所产气体量，需要额外的电源输入并且装置的制作工艺比较复杂，如果购买商业化产品则需要较大的开销，使用过程中由于产品寿命问题也需要维修和更换的成本。

其他一些生化产甲烷潜力的测定装置和方法也存在相应不足。连续搅拌的发酵装置可以保证物料充分混合，对于容易起浮渣和起泡的底物比较适用，但是其优点仅表现在有限的使用领域，其缺点为其制作成本高，需要额外电能输入维持搅拌，维护成本高，搅拌装置的电机也有一定的使用寿命。关于气体收集装置，排水集气法简单易操作，装置构造简单寿命长，维护成本低。但是在之前的很多案例中，实施者往往考虑过于简单，装备设计和制作、收集和计算方法粗放，使用排出的水的体积代表所产气体的体积，引入很多误差，所得结果无法代表试验的真实值。还有一种使用碱液进行排水集气或者通过增加额外的装置对混合气体中的二氧化碳进行脱除而后测定生物甲烷的产量的方法，但是这种方法除了有排水集气法普遍存在的问题之外，还存在无法真正保证脱除所有的二氧化碳的问题，给试验结果带来误差，使结果偏大。气体流量测量法操作起来简单省工，但是需要一定的制作成本，一般涉及到排水计数的原理，在计算和矫正方法上和传统的排水集气法存在同样的问题。同时当反应末期气体流量较低时，其精度往往无法满足需要。而使用气袋收集法则需要选择高价的对气体分子通透率极低的气体采样袋（如Tedlar采气袋）以保证气密性和试验结果的可靠性。同时对收集到的气体进行体积的测定再次涉及到可靠的计算和矫正方法的问题。

因此，本领域技术人员致力于开发一种测量生化产甲烷潜力的装置和方法，使装置易于搭建、条件易于控制，可以消除测量过程中二氧化碳引入的测量误差，解决发酵液偏酸的问题，降低矫正的难度，提高测量的准确性。

发明内容

有鉴于现有技术对生化产甲烷潜力测量中，装置复杂、容易产生误差、结果矫正过程复杂的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种测量生化产甲烷潜力的装置和方法，使用易于搭建、易于控制的发酵装置和集气装置组建试验装置系统，采用可控性强的关键性试验步骤控制试验条件和科学可靠的计算发法实现对于某一特定生物质的生物可降解性及生化产甲烷潜力的准确测定。

本发明通过以下技术方案解决解决上述技术问题：

提供一种测量生化产甲烷潜力的装置，包括：发酵反应装置、气体采集装置、溢流槽。该发酵反应装置包括恒温装置和具塞发酵瓶。