一种沼气发酵过程的调控方法
【专利摘要】本发明涉及一种沼气发酵系统的调控方法，通过逐步提高有机负荷率的方式添加原料到沼气发酵系统中，并通过对pH日降值、乙酸浓度/丙酸浓度的比值（P/A）、挥发性脂肪酸碱度/碳酸氢盐碱度的比值（IA/BA）三种数值的定期监测判定沼气发酵系统的运行稳定性，当判定系统处于不稳定状态时，通过调控进料量使沼气发酵系统再次达到稳定后，再逐步增加有机负荷率，再监测沼气发酵系统是否处于稳定状态。如此循环调控提高有机负荷率直至系统稳定达到最高允许的有机负荷率进料。本发明可以使沼气发酵系统在较高的有机负荷率条件下运行，获得较高的池容产气率。
【专利说明】一种沼气发酵过程的调控方法
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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杆、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、秸杆沼气示范工程50处。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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】
[0007]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)。
[0008]为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案实现。
[0009]本发明提供一种沼气发酵过程的调控方法，该方法包括如下步骤:
[0010]按照逐步提高有机负荷率的方式添加原料到沼气发酵系统中，当有机负荷率增加到最高允许值后，按照最高允许的有机负荷率进料，每天监测沼气发酵系统的PH值、乙酸浓度(A)、丙酸浓度(P)、碳酸氢盐碱度(BA)、挥发性脂肪酸碱度(IA)，在运行过程中按以下方式选择调整进料量:
[0011](I)当pH日降值为0.1~0.2或乙酸浓度/丙酸浓度的比值(P/A)为0.8~1.2或挥发性脂肪酸碱度/碳酸氢盐碱度的比值(IA/BA)为0.3~0.5时，沼气发酵系统处于失稳状态，自本次监测后的进料量按照此次监测前最后一次进料有机负荷率的70%进料，保持该进料量直到PH日降值小于0.1且P/A值小于0.8且IA/BA值小于0.3，此后，若失稳iu最后一次进料有机负荷率的70%进料的数值在小于或等于失稳如最后一次进料有机负荷率减去1.5kg VS/(m3, d)后的进料有机负荷率的数据范围内，则直接保持此进料量恢复进料即可；若大于此数值范围即以小于或等于失稳前最后一次进料有机负荷率减去1.5kgVS/(m3, d)后的进料有机负荷率恢复进料，并继续按照逐步提高有机负荷率的方式添加原料到沼气发酵系统中，当有机负荷率增加到最闻允许值后，按照最闻允许的有机负荷率进料；
[0012](2)当pH日降值为0.2~0.3 (不含0.2)或P/A值为1.2~1.5 (不含1.2)或IA/BA值为0.5~0.7 (不含0.5)时，沼气发酵系统处于重度失稳状态，自本次监测后的进料按照此次监测前最后一次进料有机负荷率的30%进料，保持该进料方式直到pH日降值小于0.1且P/A值小于0.8且IA/BA值小于0.3，此后，若失稳前最后一次进料有机负荷率的30%进料的数值在小于或等于失稳如最后一次进料有机负荷率减去1.5kg VS/ (m3, d)后的进料有机负荷率的数据范围内，则直接保持此进料量恢复进料即可；若大于此数值范围即以小于或等于失稳如最后一次进料有机负荷率减去1.5kg VS/(m3, d)后的进料有机负荷率恢复进料，并继续按照逐步提高有机负荷率的方式添加原料到沼气发酵系统中，当有机负荷率增加到最闻允许值后，按照最闻允许的有机负荷率进料；
[0013](3)当pH日降值大于0.3或P/A值大于1.5或IA/BA值大于0.7时，沼气发酵系统处于极度失稳状态，自本次监测后停止进料，直到PH日降值小于0.1且？/^值小于0.8且IA/BA值小于0.3，此后，以小于或等于极度失稳时进料有机负荷率减去1.5kg VS/(m3.d)后的进料有机负荷率开始恢复进料，并继续按照逐步提高有机负荷率的方式添加原料到沼气发酵系统中，当有机负荷率增加到最闻允许值后，按照最闻允许的有机负荷率进料。
[0014]其中，所述原料包括但不局限于畜禽粪便、农作物秸杆、餐厨垃圾、果蔬垃圾、生活有机垃圾、能源草或其两种或多种的混合物；
[0015]所述逐步提高有机负荷率的方式为每次增加量0.1~0.5kg VS/(m3.d)；
[0016]所述的沼气发酵系统为连续式厌氧消化反应器或半连续式厌氧消化反应器；优选为搅拌全混式反应器(CSTR);每天的出料体积或出料质量等于每天的进料体积或进料质量。
[0017]所述最高允许的有机负荷率为6~8kg VS/ (m3.d)；
[0018]所述有机负荷率为在单位时间内向单位有效体积的反应器内添加的原料挥发性固体(VS)的质量，单位为kg VS/(m3.d);可通过测定原料的挥发性固体质量浓度，再根据反应器有效体积和设定的有机负荷率计算得到每天的进料量。
[0019]所述pH日降值为上一次pH监测值与本次pH监测值的差值；
[0020]本发明上述方法中，如果当pH日降值、乙酸浓度/丙酸浓度的比值(P/A)、挥发性脂肪酸碱度/碳酸氢盐碱度的比值(IA/BA)这三个数据之一的数值范围分别落在调整方式(O- (3)的数值范围内时，以(3)、(2)、(1)的调整方式适用顺序进行数值判定。比如，若此三个数据值均分别同时落在其中一个调整方式的数值范围内，则按该种调整方式来调整进料量；但若此三个数据值任何一个落在例如调整方式(3)的数值范围内，不管其他两个数值落在哪种调整方式的数值范围内，则直接采用调整方式(3)来调整进料量；若此三个数据值有一个落在例如调整方式(2)的数值范围内，其他两个数值分别落在调整方式(I)和/或(2 )的数值范围内，则直接采用调整方式(2 )来调整进料量。
[0021 ] 与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0022]可以使沼气发酵系统在较高的有机负荷率条件下运行，获得较高的池容产气率，并且通过该发明方法三种的失稳预警调控方法，对可能出现的系统酸化(失稳)及时作出预警，并采取相应的措施(改变进料量)来防止沼气发酵系统失稳，并能将失稳状态(包括失稳、重度失稳、极度失稳)的沼气发酵系统直接调回至正常状态恢复产气。
【具体实施方式】
[0023]以下结合实施例详细地说明本发明。实施方案为便于更好的理解本发明，但并非对本发明的限制。
[0024]实施例1
[0025]以稻草和猪粪按照1:1的比例(以有机质质量计)作为混合原料进行沼气发酵，采用40L的搅拌全混式反应器(CSTR)，进料之前接入沼气发酵接种物，经测定，初始pH值为7.8、P/A值为0、IA/BA值为0.05，控制沼气发酵温度为37°C，设定最高允许的有机负荷率为 8kgVS/ (m3.d)。
[0026]在第I~14天的运行期内以2kg VS/ (m3.d)的有机负荷率进料，pH日降值、P/A值、IA/BA值均在正常范围内(pH日降值小于0.1且P/A值小于0.8且IA/BA值小于0.3)；在第15~28天的运行期内以2.5kgVS/ (m3.d)的有机负荷率进料，pH日降值、P/A值、IA/BA值也均在正常范围内；在第29~42天的运行期内以3.0kg VS/(m3.d)的有机负荷率进料，PH日降值、P/A值、IA/BA值也均在正常范围内；依次类推，分别每隔2周增加0.5kg VS/(m3.d)的有机负荷率，直到进料有机负荷率增加到5kgVS/ (m3.d)，经监测，pH日降值、P/A值、IA/BA值也均在正常范围内。
[0027]从第99天开始以5.5kg VS/ (m3.d)的有机负荷率进料，当运行到102天，pH日降值为0.10，P/A值为0.3、IA/BA值为0.2，此时pH日降值数值范围在调整方式(I)的数值范围内，此时按调整方式(I)调整，因此从第102天开始，按照3.85kg VS/(m3.d)的有机负荷率进料(为上一个有机负荷率5.5kg VS/(m3.d)的70%)，按照该方式进料持续7天后，pH日降值、P/A值、IA/BA值又都回到正常范围内；因此从第109天开始，按照每隔2周增加
0.5kg VS/(m3.d)的有机负荷率进料，直到进料有机负荷率增加到5.85kg VS/(m3.d)，经监测，pH日降值、P/A值、IA/BA值也均在正常范围内；
[0028]从第165天开始以6.35kg VS/ (m3.d)的有机负荷率进料，当运行到171天，pH日降值为0.13、P/A值为0.8、IA/BA为0.4，此时pH日降值、P/A值、IA/BA值均在调整方式
(I)的数值范围内，直接采用调整方式(I)调整，因此从第171天开始，按照4.45kg VS/ (m3.d)的有机负荷率进料(为上一个有机负荷率6.35kg VS/(m3.d)的70%)，按照该方式进料持续5天后，pH日降值、P/A值、IA/BA值又都回到正常范围内；从第176天开始，按照每隔I周增加0.25kg VS/(m3.d)的有机负荷率进料，直到进料有机负荷率增加到7.45kg VS/(m3.d)，经监测，pH日降值、P/A值、IA/BA值也均在正常范围内；
`[0029]从第261天开始，以7.7kg VS/ (m3.d)的有机负荷率进料，当运行到264天时，pH日降值为0.2、P/A值为1.0、IA/BA为0.5，此时pH日降值、P/A值、IA/BA值均在调整方式
(I)的数值范围内，直接采用调整方式(I)调整，因此从第264天开始，按照5.4kg VS/ (m3.d)的有机负荷率进料(为上一个有机负荷率7.7kg VS/(m3.d)的70%)，按照该方式进料持续10天后，pH日降值、P/A值、IA/BA值又都回到正常范围内；从第275天开始，按照每隔5天增加0.2kg VS/(m3.d)的有机负荷率进料，直到进料有机负荷率增加到7.8kg VS/(m3.d)，经监测，pH日降值、P/A值、IA/BA值也均在正常范围内；
[0030]从第336天开始，以8.0kg VS/ (m3.d)的有机负荷率进料，当运行到366天时，pH日降值为0.18、P/A值为1.2、IA/BA为0.3，此时pH日降值、P/A值、IA/BA值均在调整方式(I)的数值范围内，直接采用调整方式(I)调整，因此从第366天开始，按照5.6kg VS/ (m3.d)的有机负荷率进料(为上一个有机负荷率8.0kg VS/(m3.d)的70%)，按照该方式进料持续8天后，pH日降值、P/A值、IA/BA值又都回到正常范围内；从第374天开始，按照每隔2天增加0.2kg VS/(m3.d)的有机负荷率进料，直到进料有机负荷率增加到8.0kg VS/(m3.d),经监测，pH日降值、P/A值、IA/BA值也均在正常范围内，
[0031]从第398天开始，保持最高允许值8.0kg VS/(m3.d)的有机负荷率进料，稳定运行45天后于第443天，pH日降值为0.07、P/A值为0.6、IA/BA为0.3，此时IA/BA值在调整方式(I)的数值范围内，直接采用调整方式(I)调整，因此从第443天开始，按照5.6kg VS/(m3.d)的有机负荷率进料(为上一个有机负荷率8.0kg VS/(m3.d)的70%)，按照该方式进料持续4天后，pH日降值、P/A值、IA/BA值又都回到正常范围内；从第447天开始，按照每隔I天增加0.1kg VS/(m3.d)的有机负荷率进料，直到进料有机负荷率增加到8.0kg VS/(m3.d)，经监测，pH日降值、P/A值、IA/BA值也均在正常范围内，[0032]从第471天开始，保持最高允许值8.0kg VS/ (m3.d)的有机负荷率进料，稳定运行60天后于第531天，pH H降值为0.05、P/A值为0.8、IA/BA为0.25，此时P/A值在调整方式(I)的数值范围内，直接采用调整方式(I)调整，因此从第531天开始，按照5.6kg VS/(m3.d)的有机负荷率进料(为上一个有机负荷率8.0kg VS/(m3.d)的70%)，按照该方式进料持续10天后，pH日降值、P/A值、IA/BA值又都回到正常范围内；从第540天开始，按照每隔I天增加0.2kg VS/(m3.d)的有机负荷率进料，直到进料有机负荷率增加到8.0kg VS/(m3.d)，经监测，pH日降值、P/A值、IA/BA值也均在正常范围内，从第588天，保持最高允许值8.0kg VS/(m3.d)的有机负荷率进料。
[0033]在以上运行期内，池容产气率长期稳定在1.0~2.0m3/ (m3.d)，没有出现产气量显著下降或停止产气的现象。
[0034]对比例I
[0035]与实施例1相比较，第I~101天的进料方式与实施例1相同，没有监测pH日降值、P/A值和IA/BA值。当运行到第102天时没有采取任何调整措施，于第102、103、104天继续以5.5kg VS/(m3.d)的有机负荷率进料，这三天的产气量没有明显的变化，从第105天开始产气持续下降，于第108天基本停止产气，并且一直没有恢复产气。以上结果说明，采用该发明方法的第一种调整方式能够有效对系统失稳做出预警，并采取相应措施预防发酵系统彻底失败。
[0036]实施例2
[0037]以果蔬垃圾作为原料进行沼气发酵，采用40L的搅拌全混式反应器(CSTR)，进料之前接入沼气发酵接种物，经测定，初始pH值为7.5、P/A值为O、IA/BA值为0.04，控制沼气发酵温度为37°C，设定最高允许的有机负荷率为6kg VS/(m3.d)。
[0038]在第I~10天的运行期内以Ikg VS/ (m3.d)的有机负荷率进料，pH日降值、P/A值、IA/BA值均在正常范围内(pH日降值小于0.1且P/A值小于0.8且IA/BA值小于0.3)；在第11~20天的运行期内以1.5kgVS/(m3.d)的有机负荷率进料，在第21~30天的运行期内以2.0kg VS/ (m3.d)的有机负荷率进料，在第31~40天的运行期内以2.5kg VS/ (m3.d)的有机负荷率进料，在第41~50天的运行期内以3.0kg VS/(m3.d)的有机负荷率进料，在第51~60天的运行期内以3.3kg VS/ (m3.d)的有机负荷率进料，在第61~70天的运行期内以3.6kg VS/ (m3.d)的有机负荷率进料，在第71~80天的运行期内以3.9kg VS/ (m3.d)的有机负荷率进料，在第81~90天的运行期内以4.2kg VS/(m3.d)的有机负荷率进料，在第91~100天的运行期内以4.5kg VS/(m3.d)的有机负荷率进料，在此区间内pH日降值、P/A值、IA/BA值均在正常范围内；
[0039]从第101天开始以4.8kg VS/(m3.d)的有机负荷率进料，当运行到104天，pH日降值为0.22，P/A值为1.23、IA/BA值为0.5，此时pH日降值、P/A值均在调整方式(2)的数值范围内，IA/BA值在调整方式(I)的数值范围内，按调整方式适用顺序，此时采用调整方式(2)调整，因此从第104天开始，按照1.44kg VS/(m3.d)的有机负荷率进料(为上一个有机负荷率4.8kg VS/ (m3.d)的30%)，按照该方式进料持续7天后，pH日降值、P/A值、IA/BA值又都回到正常范围内；因此从第111天开始，按照每隔5天增加0.5kg VS/(m3.d)的有机负荷率进料，直到进料有机负荷率增加到5.44kg VS/ (m3.d)，经监测，pH日降值、P/A值、IA/BA值也均在正常范围内；
[0040]从第142天开始以5.94kg VS/ (m3.d)的有机负荷率进料，当运行到144天，pH日降值为0.3、P/A值为1.48、IA/BA为0.69，此时pH日降值、P/A值、IA/BA值均在调整方式
(2)的数值范围内，直接采用调整方式(2)调整，因此从第144天开始，按照1.78kg VS/(m3.d)的有机负荷率进料(为上一个有机负荷率5.94kg VS/(m3.d)的30%)，按照该方式进料持续10天后，pH日降值、P/A值、IA/BA值又都回到正常范围内；从第154天开始，按照每隔10天增加0.5kg VS/(m3.d)的有机负荷率进料，直到进料有机负荷率增加到4.78kg VS/(m3.d)，然后从214天开始按照每隔5天增加0.25kg VS/(m3.d)的有机负荷率进料，直到进料有机负荷率增加到5.78kg VS/(m3.d)，经监测，pH日降值、P/A值、IA/BA值也均在正常范围内；
[0041]从第234天开始，以6.0kg VS/(m3.d)的有机负荷率进料，当运行到240天时，pH日降值为0.25、P/A值为1.35、IA/BA为0.6，此时pH日降值、P/A值、IA/BA值均在调整方式
(2)的数值范围内，直接采用调整方式(2)调整，因此从第240天开始，按照1.8kg VS/(m3.d)的有机负荷率进料(为上一个有机负荷率6.0kg VS/(m3.d)的30%)，按照该方式进料持续5天后，pH日降值、P/A值、IA/BA值又都回到正常范围内；从第245天开始，按照每隔10天增加0.5kg VS/(m3.d)的有机负荷率进料，直到进料有机负荷率增加到4.8kg VS/(m3.d),然后从第305天开始按照每隔6天增加0.2kg VS/(m3.d)的有机负荷率进料，直到进料有机负荷率增加到5.4kg VS/ (m3.d)，然后从第323天开始按照每隔3天增加0.1kgVS/ (m3.d)的有机负荷率进料，直到进料有机负荷率增加到6.0kgVS/ (m3.d)，经监测，在此区间pH日降值、P/A值、IA/BA值均在正常范围内；
[0042]从第341天开始，保持最高允许值6.0kg VS/ (m3.d)的有机负荷率进料，稳定运行5天后于第361天，pH日降值为0.19、P/A值为1.27、IA/BA为0.48，此时P/A值在调整方式(2 )的数值范围内，pH日降值和IA/BA值在调整方式(I)的数值范围，按照调整方式适用顺序，此时采用调整方式(2)调整，因此从第346天开始，按照1.8kg VS/(m3.d)的有机负荷率进料(为上一个有机负荷率6.0kg VS/(m3.d)的30%)，按照该方式进料持续5天后，pH日降值、P/A值、IA/BA值又都回到正常范围内；从第351天开始，按照每隔8天增加0.4kgVS/(m3.d)的有机负荷率进料，直到进料有机负荷率增加到5.0kg VS/(m3.d)，然后从第415天开始按照每隔5天增加0.2kg VS/(m3.d)的有机负荷率进料，直到进料有机负荷率增加到5.6kg VS/(m3.d)，然后从第430天开始按照每隔10天增加0.1kgVS/(m3.d)的有机负荷率进料，直到进料有机负荷率增加到6.0kgVS/ (m3.d)，经监测，在此区间pH日降值、P/A值、IA/BA值均在正常范围内；
[0043]从第470天开始，保持最高允许值6.0kg VS/ (m3.d)的有机负荷率进料，稳定运行45天后于第515天，pH日降值为0.08、P/A值为0.7、IA/BA为0.32，此时IA/BA值在调整方式(I)的数值范围内，直接采用调整方式(I)调整，因此从第515天开始，按照4.2kg VS/(m3.d)的有机负荷率进料(为上一个有机负荷率6.0kg VS/(m3.d)的70%)，按照该方式进料持续6天后，pH日降值、P/A值、IA/BA值又都回到正常范围内；从第521天开始，按照每隔3天增加0.2kg VS/(m3.d)的有机负荷率进料，直到进料有机负荷率增加到6.0kg VS/(m3.d)，经监测，pH日降值、P/A值、IA/BA值也均在正常范围内，从第548天开始，保持最高允许值6.0kgVS/(m3.d)的有机负荷率进料。
[0044]在以上运行期内，池容产气率长期稳定在1.0~2.5m3/ (m3.d)，没有出现产气量显著下降或停止产气的现象。
[0045]对比例2
[0046]第I~103天的进料方式与实施例2相同，没有监测pH日降值、P/A值和IA/BA值。当运行到第104天时没有采取任何调整措施，于第104、105天继续以4.8kg VS/(m3.d)的有机负荷率进料，这两天的产气量没有明显的变化，从第106天开始产气持续下降，于第110天基本停止产气，并且一直没有恢复产气。以上结果说明，采用该发明方法的第二种调整方式能够有效对系统失稳做出预警，并采取相应措施预防发酵系统彻底失败。
[0047]实施例3
[0048]以厨余垃圾作为原料进行沼气发酵，采用40L的搅拌全混式反应器(CSTR)，进料之前接入沼气发酵接种物，经测定，初始pH值为7.7、P/A值为O、IA/BA值为0.02，控制沼气发酵温度为55°C，设定最高允许的有机负荷率为7kg VS/(m3.d)。
[0049]在第I~10天的运行期内以0.5kg VS/(m3.d)的有机负荷率进料，pH日降值、P/A值、IA/BA值均在正常范围内(pH日降值小于0.1且P/A值小于0.8且IA/BA值小于0.3)；在第11~20天的运行期内以1.0kgVS/(m3.d)的有机负荷率进料，在第21~30天的运行期内以1.5kg VS/(m3.d)的有机负荷率进料，在第31~40天的运行期内以2.0kg VS/(m3.d)的有机负荷率进料，在第41~50天的运行期内以2.5kg VS/(m3.d)的有机负荷率进料，在第51~60天的运行期内以3.0kg VS/ (m3.d)的有机负荷率进料，在第61~70天的运行期内以3.5kg VS/ (m3.d)的有机负`荷率进料，在第71~80天的运行期内以4.0kg VS/ (m3.d)的有机负荷率进料，在第81~90天的运行期内以4.5kg VS/(m3.d)的有机负荷率进料，在第91~100天的运行期内以5.0kg VS/(m3.d)的有机负荷率进料，在此区间内pH日降值、P/A值、IA/BA值均在正常范围内；
[0050]从第101天开始以5.5kg VS/(m3.d)的有机负荷率进料，当运行到103天，pH日降值为0.35，P/A值为1.43、IA/BA值为0.67，此时pH日降值在调整方式(3)的数值范围内，P/A值和IA/BA值在调整方式(2)的数值范围，按照调整方式适用顺序，此时采用调整方式
(3)调整，因此从第103天开始停止进料，停止进料后pH值缓慢上升，P/A值和IA/BA值缓慢下降，经过15天的停止进料，pH日降值、P/A值、IA/BA值又都回到正常范围内；从第118天开始以4.0kg VS/(m3.d)的有机负荷率恢复进料10天，并按照每隔10天增加0.5kg VS/(m3.d)的有机负荷率进料，直到进料有机负荷率增加到6.0kg VS/(m3.d)，经监测，pH日降值、P/A值、IA/BA值也均在正常范围内；
[0051]从第158天开始以6.5kg VS/(m3.d)的有机负荷率进料，当运行到162天，pH日降值为0.28、P/A值为1.6、IA/BA为0.72，此时P/A值和IA/BA值在调整方式(3)的数值范围内，pH日降值在调整方式(2)的数值范围，按照调整方式适用顺序，此时采用调整方式
(3)调整，因此从第162天开始停止进料，停止进料后pH值缓慢上升，P/A值和IA/BA值缓慢下降，经过10天的停止进料，pH日降值、P/A值、IA/BA值又都回到正常范围内；从第172天开始以5.0kg VS/(m3.d)的有机负荷率恢复进料10天，并按照每隔10天增加0.5kg VS/(m3.d)的有机负荷率进料，直到进料有机负荷率增加到6.5kg VS/(m3.d)，经监测，pH日降值、P/A值、IA/BA值也均在正常范围内；
[0052]从第212天开始以7.0kg VS/(m3.d)的有机负荷率进料，当运行到218天，pH日降值为0.4、P/A值为1.65、IA/BA为0.81，此时pH日降值、P/A值和IA/BA值均在调整方式
(3)的数值范围内，直接采用调整方式(3)调整，因此从第218天开始停止进料，停止进料后pH值缓慢上升，P/A值和IA/BA值缓慢下降，经过15天的停止进料，pH日降值、P/A值、IA/BA值又都回到正常范围内；从第232天开始以5.0kg VS/(m3.d)的有机负荷率恢复进料8天，随后从第240天开始按照每隔10天增加0.4kg VS/ (m3.d)的有机负荷率进料，直到进料有机负荷率增加到6.6kgVS/(m3.d)，经监测，pH日降值、P/A值、IA/BA值也均在正常范围内；
[0053]从第280天开始以7.0kg VS/(m3.d)的有机负荷率进料，当运行到286天，pH日降值为0.24、P/A值为1.31、ΙΑ/ΒΑ为0.59，此时pH日降值、P/A值和IA/BA值均在调整方式
(2)的数值范围内，直接采用调整方式(2)调整，因此从第286天开始，按照2.1kg VS/ (m3.d)的有机负荷率进料(为上一个有机负荷率7.0kg VS/(m3.d)的30%)，按照该方式进料持续6天后，pH日降值、P/A值、IA/BA值又都回到正常范围内；从第292天开始以5.2kg VS/(m3.d)的有机负荷率恢复进料10天，随后从第302天开始按照每隔10天增加0.3kg VS/(m3.d)的有机负荷率进料，直到进料有机负荷率增加到6.7kg VS/(m3.d)，经监测，pH日降值、P/A值、IA/BA值也均在正常范围内；
[0054]从第352天开始以7.0kg VS/(m3.d)的有机负荷率进料，当运行到361天，pH日降值为0.14、P/A值为0.9、IA/BA为0.38，此时pH日降值、P/A值和IA/BA值均在调整方式
(I)的数值范围内，直接采用调整方式(I)调整，因此从第361天开始，按照4.9kg VS/ (m3.d)的有机负荷率进料(为上一个有机负荷率7.0kg VS/(m3.d)的70%)，按照该方式进料持续5天后，pH日降值、P/A值、IA/BA值又都回到正常范围内；从第366天开始以5.0kg VS/ (m3.d)的有机负荷率恢复进料10天，随后从第376天开始按照每隔3天增加0.1kg VS/(m3.d)的有机负荷率进料，直到进料有机负荷率增加到7.0kg VS/(m3.d)，经监测，pH日降值、P/A值、IA/BA值也均在正常范围内；从第436天开始，保持最高允许值7.0kg VS/(m3.d)的有机负荷率进料。
[0055]在以上运行期内，池容产气率长期稳定在1.5~2.5m3/ (m3.d)，没有出现产气量显著下降或停止产气的现象。
[0056]对比例3
[0057]第I~102天的进料方式与实施例2相同，没有监测pH日降值、P/A值和IA/BA值。当运行到第103天时没有采取任何调整措施，于第103、104天继续以5.5kg VS/ (m3.d)的有机负荷率进料，从第104天开始产气持续下降，于第107天基本停止产气，并且一直没有恢复产气。以上结果说明，采用该发明方法的第三种调整方式能够有效对系统失稳做出预警，并采取相应措施预防发酵系统彻底失败。
[0058]最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例子。显然，本发明不限于以上实施例子，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种沼气发酵过程的调控方法，其特征在于，该方法包括如下步骤:按照逐步提高有机负荷率的方式添加原料到沼气发酵系统中，当有机负荷率增加到最高允许值后，按照最高允许的有机负荷率进料，每天监测沼气发酵系统的pH值、乙酸浓度(A)、丙酸浓度(P)、碳酸氢盐碱度(BA)、挥发性脂肪酸碱度(IA)，在运行过程中按以下方式选择调整进料量: (1)当pH日降值为0.1~0.2或乙酸浓度/丙酸浓度的比值(P/A)为0.8~1.2或挥发性脂肪酸碱度/碳酸氢盐碱度的比值(IA/BA)为0.3~0.5时，沼气发酵系统处于失稳状态，自本次监测后的进料量按照此次监测前最后一次进料有机负荷率的70%进料，保持该进料量直到PH日降值小于0.1且P/A值小于0.8且IA/BA值小于0.3，此后，若失稳前最后一次进料有机负荷率的70%进料的数值在小于或等于失稳如最后一次进料有机负荷率减去1.5kg VS/(m3, d)后的进料有机负荷率的数据范围内，则直接保持此进料量恢复进料即可；若大于此数值范围即以小于或等于失稳前最后一次进料有机负荷率减去1.5kg VS/(m3, d)后的进料有机负荷率恢复进料，并继续按照逐步提高有机负荷率的方式添加原料到沼气发酵系统中，当有机负荷率增加到最闻允许值后，按照最闻允许的有机负荷率进料； (2)当pH日降值为0.2~0.3 (不含0.2)或P/A值为1.2~1.5 (不含1.2)或IA/BA值为0.5~0.7 (不含0.5)时，沼气发酵系统处于重度失稳状态，自本次监测后的进料按照此次监测前最后一次进料有机负荷率的30%进料，保持该进料方式直到pH日降值小于0.1且P/A值小于0.8且IA/BA值小于0.3，此后，若失稳前最后一次进料有机负荷率的30%进料的数值在小于或等于失稳如最后一次进料有机负荷率减去1.5kg VS/(m3, d)后的进料有机负荷率的数据范围内，则直接保持此进料量恢复进料即可；若大于此数值范围即以小于或等于失稳如最后一次进料有机负荷率减去1.5kg VS/(m3, d)后的进料有机负荷率恢复进料，并继续按照逐步提高有机负荷率的方式添加原料到沼气发酵系统中，当有机负荷率增加到最闻允许值后，按照最闻允许的有机负荷率进料； (3)当pH日降值大于0.3或P/A值大于1.5或IA/BA值大于0.7时，沼气发酵系统处于极度失稳状态，自本次监测后停止进料，直到PH日降值小于0.1且P/A值小于0.8且IA/BA值小于0.3，此后，以小于或等于极度失稳时进料有机负荷率减去1.5kg VS/(m3.d)后的进料有机负荷率开始恢复进料，并继续按照逐步提高有机负荷率的方式添加原料到沼气发酵系统中，当有机负荷率增加到最闻允许值后，按照最闻允许的有机负荷率进料； 其中，所述原料包括但不局限于畜禽粪便、农作物秸杆、餐厨垃圾、果蔬垃圾、生活有机垃圾、能源草或其两种或多种的混合物； 所述逐步提高有机负荷率的方式为每次增加量0.1~0.5kgVS/(m3.d)； 所述的沼气发酵系统为连续式厌氧消化反应器或半连续式厌氧消化反应器；每天的出料体积或出料质量等于每天的进料体积或进料质量； 所述最高允许的有机负荷率为6~8kg VS/(m3.d)。
2.根据权利要求1所述的沼气发酵过程的调控方法，其特征在于，所述有机负荷率为在单位时间内向单位有效体积的反应器内添加的原料挥发性固体(VS)的质量，单位为kgVS/(m3.d);可通过测定原料的挥发性固体质量浓度，再根据反应器有效体积和设定的有机负荷率计算得到每天的进料量。
3.根据权利要求1所述的沼气发酵过程的调控方法，其特征在于，所述pH日降值为上一次pH监测值与本次pH监测值的差值。
4.根据权利要求1所述的沼气发酵过程的调控方法，其特征在于，沼气发酵系统为搅拌全混式反应器 。
【文档编号】C12P5/02GK103509826SQ201310440319
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年9月24日 优先权日:2013年9月24日
【发明者】李 东, 刘晓风, 袁月祥, 闫志英, 廖银章, 李志东 申请人:中国科学院成都生物研究所