[发明专利]一种沼气发酵过程的调控方法

说明书

技术领域

本发明属于生物发酵技术领域，涉及生物质能源开发，具体涉及一种沼气发酵过程的调控方法。

背景技术

沼气发酵过程已经被广泛用于处理各种有机废弃物，并获得较为清洁的沼气能源，最后还可以得到沼渣沼液等有机肥。沼气发酵的原料包括农作物秸秆、畜禽养殖废弃物、轻工业废水废渣、生活有机垃圾、污水污泥等。据相关部门统计，全国累计建成户用沼气池4500万个、大中型沼气工程2.26万处、养殖小区和联户沼气工程1.99万处、秸秆沼气示范工程50处。

早期建设的沼气工程，其设计运行有机负荷较低，进料总固体（TS）浓度小于2%，容积有机负荷通常低于1.5kg VS/(m³.d)，导致池容产气率较低，一般在0.5m³/(m³.d)以下，实际运行过程中比设计值还低。低负荷(underloading)虽然能够保证稳定的发酵过程，但是由于设计运行有机负荷过低，因此需要将反应器规模设计得较大，这样不仅增加投资成本，而且没有最大程度的有效利用反应器，造成资源浪费，使得工程的整体经济效益较差。为降低投资成本、最大限度提高反应器的使用效率，近几年的沼气工程大多设计在较高的有机负荷条件下运行，进料总固体（TS）浓度高达8～12%，容积有机负荷为3～6kg VS/(m³.d)，池容产气率最高可达2.5m³/(m³.d)。然而，高有机负荷沼气发酵过程容易发生超负荷（overloading）而造成系统酸化，也即系统失衡，表现为沼气发酵系统产气量降低，甚至停止产气。一旦发生严重的酸化，需要较长的时间才能恢复，甚至无法恢复。

在沼气发酵过程的监测指标方面，产气量（包括单位时间产气速率或单位原料产气率）和pH值通常被用于诊断沼气发酵过程的稳定性。但是，近年的大量研究表明，pH值和产气量仅仅是发酵过程整个复杂体系经过一段时期变化后的最终体现，它们的变化不能真实和及时地反映发酵体系内微生物群落代谢、生物化学和物理化学过程的变化。产气量与原料成分有很大的关系，当原料成分变化时（这种情况多见于混合原料沼气发酵系统），产气量也会变化，因此无法将其作为系统稳定性的有效指标。对于缓冲能力较弱的沼气发酵系统，挥发性脂肪酸（VFA）的积累会迅速降低pH值，此时，pH值可作为有效的稳定性评判指标。但是对于缓冲能力较强的沼气发酵系统，VFA积累导致的pH值下降较慢且幅度很小，由于较强的缓冲能力能够抵抗pH值变化，因此，当pH值发生显著变化时，沼气发酵过程实际上已经处于严重不稳定状态了。例如在粪便沼气发酵系统中，VFA升高100Mm，pH值仅降低0.5。对于动物粪便、屠宰废弃物等含氮量高的原料，或沼气发酵系统在较高的有机负荷条件下运行时，降解过程中产生的大量氨能够提供较强的缓冲能力，因此VFA的积累不会明显降低pH值，而此时的沼气发酵系统实际上受到了高浓度氨和VFA的双重抑制，系统处于“抑制型稳态”，即pH值处于6.8～8.0之间，但是产气很少，甚至已经停止产气。以上说明，光凭pH值和产气量判断沼气发酵过程的稳定性具有严重的不可靠性和滞后性。

当沼气发酵过程出现酸化时，通常的做法是添加大量的石灰、氢氧化钠、氢氧化钾等碱性物质调节pH值以恢复沼气发酵系统产气，但是这些碱性物质的添加会影响发酵剩余物作为肥料的利用。更为重要的是，通常用来监测沼气发酵系统的pH值和产气速率这两个指标，由于前述的不可靠性和滞后性，无法作为一种早期预警指标，因此当操作人员发现pH值和产气速率出现显著变化并采取措施前，沼气发酵过程可能已经出现严重的酸化（失稳）。此时，即使添加石灰、氢氧化钠、氢氧化钾等碱性物质调节pH值至中性也不能恢复产气，只能出料或大换料重新接种启动。然而，重新启动不仅需要大量的人力、物力，而且重新启动需要较长时间的驯化才能开始正常产气，这对于需要连续供气的用户来说无疑是很大的损失。

随着沼气工程的规模化发展，将会建设越来越多的大型或特大型沼气工程。对于投资巨大、经济效益预期较高的大型或特大型沼气工程，较高的池容产气率和稳定的发酵过程是至关重要的，然而这两个目标又是互相抵触的。因此，有必要研究选用其它更为可靠和及时的沼气发酵过程的监测指标，同时，有必要研究采用一套更为及时有效的调控方法，既保证较高的池容产气率，又尽量避免沼气发酵系统出现严重酸化（失衡）。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种沼气发酵过程的调控方法，既保证沼气发酵系统较高的池容产气率，又尽量避免沼气发酵系统出现酸化（失衡）。