銳意自控|沼氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在沼氣工程中的應(yīng)用

沼氣是一種可再生的清潔能源，是由有機(jī)質(zhì)如人、牲畜、家禽的糞便和秸稈、雜草、秕殼等在適宜的溫度、水分、濕度下形成厭氧環(huán)境，經(jīng)過(guò)微生物的生長(zhǎng)發(fā)育、繁殖代謝作用產(chǎn)生甲烷和二氧化碳、水蒸汽、硫化氫、一氧化碳、氮?dú)獾瓤扇紵缘幕旌蠚怏w，沼氣發(fā)酵就是厭氧消化或厭氧發(fā)酵的過(guò)程。沼氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在其中所起的作用不容忽視。

在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，沼氣的發(fā)酵過(guò)程常常達(dá)不到預(yù)期的效果，會(huì)出現(xiàn)供氣不足、時(shí)斷時(shí)續(xù)、長(zhǎng)期不產(chǎn)氣等現(xiàn)象，為確保沼氣工程正常產(chǎn)氣，以下將對(duì)沼氣發(fā)酵微生物這個(gè)核心因素進(jìn)行說(shuō)明。

一、保持沼氣發(fā)酵裝置內(nèi)足夠數(shù)量的微生物

微生物是沼氣發(fā)酵過(guò)程中生命活動(dòng)的主體。在沼氣發(fā)酵系統(tǒng)中，微生物有兩種存在形式：一種是群體，另一種是個(gè)體。實(shí)驗(yàn)表明，消化液中以個(gè)體存在的微生物數(shù)量并不多，對(duì)沼氣發(fā)酵過(guò)程所起的作用微不足道。決定沼氣發(fā)酵進(jìn)程的主要是以群體形式存在的微生物，也就是通常所說(shuō)的厭氧污泥。污泥濃度的大小對(duì)沼氣發(fā)酵裝置產(chǎn)氣效率的影響很大。一般人眼，污泥濃度越大（即單位有效容積中微生物量越多），發(fā)酵裝置的大產(chǎn)氣效率也就越高。既然保持消化裝置內(nèi)足夠多的微生物十分重要，那么應(yīng)該采取哪些措施來(lái)達(dá)到目的呢？

1.加快厭氧微生物的生長(zhǎng)速度

沼氣發(fā)酵的、第二階段是不產(chǎn)甲烷菌活動(dòng)的結(jié)果，第三階段是產(chǎn)甲烷菌作用所致。產(chǎn)甲烷菌是一類嚴(yán)格的專性厭氧菌，對(duì)營(yíng)養(yǎng)要求比較簡(jiǎn)單，但對(duì)環(huán)境條件變化特別敏感，適應(yīng)性差。另一方面，產(chǎn)甲烷菌繁殖的世代時(shí)間長(zhǎng)，為4-8天，所以產(chǎn)甲烷菌既是左右沼氣發(fā)酵過(guò)程成敗的關(guān)鍵微生物，也是控制厭氧生物反應(yīng)速率的主要微生物。如果能通過(guò)生物工程手段提高產(chǎn)甲烷菌繁殖速率，縮短其世代時(shí)間，那么，在相同時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)甲烷菌增殖的數(shù)量將會(huì)更多，從而提高沼氣發(fā)酵效率，同時(shí)沼氣發(fā)酵裝置的啟動(dòng)時(shí)間將會(huì)縮短。

2.增加沼氣裝置滯留微生物的能力

傳統(tǒng)沼氣發(fā)酵裝置難以滯留厭氧微生物，發(fā)酵裝置內(nèi)微生物數(shù)量少，發(fā)酵效率低。在微生物生長(zhǎng)繁殖速率不變的情況下，減少微生物排放速率，同樣可以達(dá)到積累、滯留微生物的目的?？梢酝ㄟ^(guò)改變傳統(tǒng)沼氣發(fā)酵裝置的結(jié)構(gòu)，安裝沼氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，裝設(shè)填料、回流污泥、培養(yǎng)顆粒污泥等措施，增加反應(yīng)器滯留微生物的能力，保持沼氣發(fā)酵裝置內(nèi)足夠數(shù)量的微生物，特別是產(chǎn)甲烷菌。

二、提高厭氧微生物的活性

沼氣發(fā)酵過(guò)程中，微生物的活性就是轉(zhuǎn)化有機(jī)物并生成沼氣的能力，即將有機(jī)物轉(zhuǎn)化成為甲烷、二氧化碳、硫化氫等的能力，可以用污泥比產(chǎn)甲烷活性、污泥負(fù)荷表示。提高厭氧微生物活性可以通過(guò)提高沼氣發(fā)酵微生物自身活力和創(chuàng)造適宜的環(huán)境條件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1.高活性厭氧微生物的培育

如果能采用常規(guī)選育或生物工程的辦法提高沼氣發(fā)酵微生物的自身活性，沼氣發(fā)酵效率將會(huì)得到極大提高。由于沼氣發(fā)酵系統(tǒng)是多菌種作用的混合培養(yǎng)系統(tǒng)，純培養(yǎng)條件下獲得的高活性菌株在投放到自然的沼氣發(fā)酵系統(tǒng)中，有可能不能適應(yīng)混合培養(yǎng)環(huán)境而喪失其優(yōu)勢(shì)。因此，通過(guò)常規(guī)選育或生物工程的發(fā)放培育高活性厭氧微生物的難度很大。

2.創(chuàng)造適宜的環(huán)境條件

①滿足需要的微量元素

沼氣發(fā)酵微生物需要一定量的微量元素，鎳、鈷、鉬、鐵、硒和鎢等是一些產(chǎn)甲烷菌所必需的物質(zhì)，鋅、銅、錳是發(fā)酵性細(xì)菌必需的物質(zhì)。

②合適的常量元素比例

參與發(fā)酵的微生物不僅要從料液中吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以取得能源，而且還要利用這些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)合成新的細(xì)胞。在討論沼氣發(fā)酵微生物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)時(shí)，一般都要重點(diǎn)考察氮和磷的配比。

③減少有毒物質(zhì)的抑制

在沼氣發(fā)酵過(guò)程中，一些原料中含有有毒、有害物質(zhì)，經(jīng)常造成產(chǎn)氣效率下降甚至運(yùn)行失敗。特別是處理工業(yè)有機(jī)原料是，更需注意有毒、有害物質(zhì)對(duì)沼氣發(fā)酵微生物的影響。常見的抑制性物質(zhì)為氨氮、硫化物、鹽類、重金屬以及某些人工合成物質(zhì)。

④適宜的pH環(huán)境和溫度

pH是沼氣發(fā)酵重要的影響因素。微生物對(duì)pH的波動(dòng)十分敏感，即使是在其生長(zhǎng)pH范圍內(nèi)，pH的突然改變也會(huì)引起微生物活力明顯下降；合適的溫度也是影響微生物生命活動(dòng)的重要因素，各種微生物都只在在一定的溫度范圍生長(zhǎng)。

三、加強(qiáng)微生物與底物的傳質(zhì)效果

在沼氣發(fā)酵反應(yīng)器中，生物化學(xué)反應(yīng)依靠傳質(zhì)才能進(jìn)行，而傳質(zhì)的產(chǎn)生必須通過(guò)基質(zhì)與微生物之間的實(shí)際接觸。在沼氣發(fā)酵系統(tǒng)中，只有實(shí)現(xiàn)基質(zhì)與微生物之間充分而又有效的接觸，才能大限度地發(fā)揮反應(yīng)器的處理效能。

基質(zhì)與微生物之間的接觸，可以通過(guò)集中途徑實(shí)現(xiàn)。反應(yīng)器的構(gòu)造不同，實(shí)現(xiàn)接觸的方式也不一樣。歸納起來(lái)，大致有三種接觸方式，即攪拌接觸、流動(dòng)接觸、氣泡攪動(dòng)接觸。對(duì)于溶解性發(fā)酵原料、連續(xù)進(jìn)料沼氣發(fā)酵系統(tǒng)，為了強(qiáng)化接觸物質(zhì)可采取有效的布水、合理利用沼氣的攪動(dòng)、料液回流等措施。

對(duì)于高固體發(fā)酵原料、分批進(jìn)料沼氣發(fā)酵系統(tǒng)，機(jī)械攪拌是有效的手段。攪拌混合不僅能加強(qiáng)微生物與底物的傳質(zhì)效果，均勻分布進(jìn)料底物，稀釋抑制物質(zhì)濃度，而且還能發(fā)放至分層、沉淀以及浮渣形成，破除溫度分布梯度。

結(jié)語(yǔ)：

在對(duì)沼氣工程發(fā)酵過(guò)程的優(yōu)化時(shí)，應(yīng)當(dāng)始終圍繞著沼氣厭氧發(fā)酵微生物來(lái)進(jìn)行，具體則是通過(guò)保持沼氣發(fā)酵裝置中足夠的微生物數(shù)量，改善微生物生長(zhǎng)繁殖的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和環(huán)境條件增強(qiáng)微生物活性，加強(qiáng)微生物與基質(zhì)的傳質(zhì)效果等方面改進(jìn)沼氣發(fā)酵過(guò)程的性能，進(jìn)而提高整個(gè)沼氣工程的效率。

此外，想要進(jìn)一步提高運(yùn)行效率，時(shí)刻掌握沼氣發(fā)酵設(shè)備的運(yùn)行狀況，從而針對(duì)性地做出調(diào)整和控制，從而實(shí)現(xiàn)沼氣工程發(fā)酵過(guò)程的優(yōu)化和同樣十分重要。隨著沼氣工程的技術(shù)發(fā)展，通過(guò)沼氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)智能監(jiān)控和統(tǒng)一操作管理。

四方光電（武漢）儀器有限公司開發(fā)的大中型沼氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Gasboard-9230可以實(shí)時(shí)獲取沼氣工程運(yùn)行參數(shù)（溫度、壓力、pH、沼氣流量、成分?jǐn)?shù)據(jù)等），是沼氣工程驗(yàn)收、監(jiān)督和運(yùn)行的可靠數(shù)據(jù)來(lái)源，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸至省、市縣和業(yè)主監(jiān)測(cè)平臺(tái)上，并根據(jù)已知數(shù)據(jù)指導(dǎo)確定大中型沼氣工程的運(yùn)行參數(shù)，目前該監(jiān)測(cè)方案廣泛應(yīng)用于畜牧養(yǎng)殖戶、農(nóng)業(yè)種植戶、餐廚垃圾處理場(chǎng)、污水處理場(chǎng)等大中型沼氣工程。

（參考資料：董宜勝《沼氣發(fā)酵菌種與發(fā)酵原料濃度對(duì)沼氣產(chǎn)氣的影響》，鄧良偉 等《沼氣工程》；圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）

（來(lái)源：沼氣圈）