沼气发酵系统酸化预警及调控机制研究

Although Biogas industry has stepped into the commercialization stage, most of biogas plants can not be operated profitably. The biogas technology is a major factor. To avoid acidification, biogas fermentation system generally run at low organic loading rate. Volume biogas production rate obtained is very low, which leading to poor project economics . In order to take into account the efficiency and stability, the biogas fermentation system should be stablly run at high organic loading rate. acidification warning and regulatory mechanisms of biogas fermentation systems will be studied in this project. Based on the timeliness, simplicity, universality, operability , predictive, sensitive, and non- compatibility, a group of indicator will be expanded, screened and optimized, and the acidification early warning indicator system will be created via continuous "shock load" biogas fermentation experiment and mathematical analysis. Two criterions of three-level-warning (normal, quasi-acidification, acidification) base on warning indicator system and warning index will be determined for biogas fermentation system. While regulation strategy was investigated for acidified biogas fermentation system. Eventually the mechanism of acidification warning and control was built, which providing a theoretical basis and technical support for R&D of equipment of warning and regulation and efficient and stable operation of large-scale biogas plants.

生物燃气（沼气）产业虽已步入商业化阶段，但大部分沼气工程无法实现盈利运行，究其原因，技术水平是一个主要因素。为了避免沼气发酵系统酸化，沼气工程普遍在较低的有机负荷条件下运行，获得的池容产气率极低，导致工程经济性较差。为了兼顾效率与稳定，保证沼气发酵系统在高有机负荷下正常运行，本项目开展沼气发酵系统的酸化预警及调控机制研究。本项目通过连续式"冲击负荷"沼气发酵试验和数学分析，根据及时性、简便性、普适性、可操作性、预测性、灵敏性、非相容性原则，扩展、初筛、优选、构建一组沼气发酵系统酸化预警指标体系，研究确定基于指标体系和预警指数的两个层次的沼气发酵系统三级预警判据（正常、准酸化、酸化），同时研究沼气发酵系统酸化预警调控策略，最终建立沼气发酵系统酸化预警及调控机制，为预警调控设备研发及规模化沼气工程的高效稳定运行提供理论依据和技术支持。

目前，规模化沼气工程主要在低负荷条件下运行，是因为高有机负荷容易酸化造成沼气发酵失败。较低的有机负荷虽然能够保证沼气发酵系统的稳定，但无法兼顾效率，造成反应器体积资源的浪费，使得工程整体经济性较差。因此，为了提高沼气发酵系统的效率，使其在高有机负荷条件下稳定运行，对沼气发酵系统的酸化预警及调控研究显得尤为重要。. 本项目分别针对低氨氮原料（蔬菜废弃物）和高氨氮原料（鸡粪）的中温和高温沼气发酵筛选失稳预警指标、分析失稳机理，进行沼气发酵失稳预警指标验证及失稳调控策略研究，最后将沼气发酵失稳预警调控技术工程应用。对于低氨氮原料，厌氧发酵体系的失稳预警指标体系包括CH4/CO2、BA/TA 、IA/BA、乙酸、丙酸、正／异丁酸和正／异戊酸；对于高氨氮原料，厌氧发酵体系的失稳预警指标体系包括ORP、乙酸、正／异丁酸、正／异戊酸、VFA/BA、CH4/CO2。该研究同时确定了上述失稳预警指标的在一般失稳预警和重度失稳条件下的阈值。. 蔬菜废弃物厌氧发酵失稳主要是由于较高可溶性碳水化合物和较低氨氮的原料特性，进料方式没有沼液回流，造成的碳酸氢盐碱度下降，导致的厌氧消化系统缓冲能力不足。鸡粪中温厌氧发酵失稳主要是由于较高氨氮的原料特性造成的，有机负荷的增加，导致氨氮浓度升高。 通过失稳机制研究，开展了沼液回流、微量元素添加、碳酸氢铵添加和降低负荷的四级动态调控策略研究。通过失稳调控，稳定厌氧消化有机负荷从未调控时的1.0 gVS/(L∙d)提高到3.5 gVS/(L∙d)的负荷；池容产气率从0.3 m3/(m3•d)提高到1.9 m3/(m3•d)。失稳调控研究结果表明，与CH4/CO2和VFA/TA两个预警指标相比，BA/TA由于其抗干扰能力强，更适合作为失稳预警指标。.本项目集成过程监测、失稳预警、工艺调控、专用制剂，研发一套生物燃气工程运行疾病诊治技术体系，开发厌氧发酵失稳预警调控云管理系统。将该技术应用于贵州茅台年产1000万m3沼气的酒糟沼气工程，池容产气率从设计最大值1.37m3/（m3•d）提高到2.74 m3/（m3•d），提高率96% 。