一种沼气发酵过程的调控系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种沼气发酵过程的调控系统及其使用方法，涉及生物发酵【技术领域】，系统通过管道连通进料装置和沼气发酵罐，沼气发酵罐与复合生物制剂添加装置连通，并在沼气发酵罐内设置在线pH计和液体采样装置，通过在线pH计和液体采样装置与数据检测装置连接并检测得到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），并将数据输入主控制器，主控制器内安装沼气发酵过程调控软件，并连接PLC控制器调整进料的添加，使用人员对主控制器设置参数运行系统，主控制器通过数据与设定参数的对比自动判断调控进料。此系统能有较高的池容产气率，又能尽量避免沼气发酵系统出现严重酸化。
【专利说明】一种沼气发酵过程的调控系统
【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系统。
【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]针对以上提出的问题，本发明提供一种具有现场数据在线采集、分析处理存储、设备反控等功能的沼气发酵过程的调控系统，既保证沼气发酵系统较高的池容产气率，又避免沼气发酵系统出现严重酸化(失衡)。[0008]本发明因此提供一种沼气发酵过程的调控系统，该系统包括通过管道依次连通的原料调节池1、进料装置2、沼气发酵罐3、设置在沼气发酵罐上的沼气出口 31和出料口 32，沼气发酵罐壁上设置在线PH值计4和液体采样装置6，在线pH计4依次电连接A/D转换器5和主控制器11，液体采样装置6通过管道依次与过滤器7、深度过滤器8和在线色谱9连通，过滤器7还通过管道与在线滴定仪10连通，在线色谱9和在线滴定仪10分别电连接主控制器11，主控制器11电连接PLC控制器12，PLC控制器12电连接进料装置2，主控制器11内安装有沼气发酵过程调控软件；进料装置2、沼气出口 31和出料口 32分别均与沼气发酵罐3之间设置有阀门13、14、15。
[0009]所述的沼气发酵过程的调控系统的结构示意图如附图1所示。
[0010]在本发明的上述沼气发酵过程的调控系统中:
[0011]所述的在线色谱9为在线气相色谱或在线高效液相色谱；用于在线测定沼气发酵系统内液相的挥发性脂肪酸(包括乙酸、丙酸、正丁酸、异丁酸、正戊酸、异戊酸)浓度。
[0012]所述的在线滴定仪10通过电位滴定法测定沼气发酵系统内的总碱度(TA)、碳酸氢盐碱度(BA)、挥发性脂肪酸碱度(IA)，总碱度通过将样品的pH值滴定到4.3测定得到，碳酸氢盐碱度通过将样品的PH值滴定到5.75测定得到，挥发性脂肪酸碱度为总碱度与碳酸氢盐碱度的差值。
[0013]所述安装的沼气发酵过程调控软件的主控器11能够对pH值、挥发性脂肪酸浓度、总碱度、碳酸氢盐碱度、挥发性脂肪酸碱度等一次数据进行处理，形成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)等二次数据；
[0014]其中所述的主控制器11优选为工控机。
[0015]本发明还提供上述沼气发酵过程的调控系统的使用方法，该方法包括如下步骤:[0016](I)定期测定原料调节池内原料的挥发性固体(VS)浓度；
[0017](2)由工作人员开启主控制器11，并打开安装在主控制器11内的沼气发酵过程调控软件，设定相关参数的初始值，例如原料的挥发性固体(VS)浓度、反应器有效体积、逐步提高有机负荷率的程序参数、最高允许的进料有机负荷率；沼气发酵过程调控软件将根据预设的原料挥发性固体(VS)浓度、反应器有效体积和设定的某一时刻的进料有机负荷率计算进料量，主控制器11通过PLC控制器12控制进料装置2的进料量；
[0018](3)由工作人员开启液体采样装置6、在线色谱9、在线滴定仪10和在线pH计4，液体采样装置6采集液体样品并经过过滤分别输送到在线色谱9、在线滴定仪10，为保证在线色谱9对样品的颗粒物杂质要求，经过过滤器7的样品在进入在线色谱9之前再进入深度过滤器8进行再次深度过滤，在线色谱9、在线滴定仪10、在线pH计4对液态样品每隔24小时进行I次分析，并将得到的挥发性脂肪酸浓度、总碱度、碳酸氢盐碱度、挥发性脂肪酸碱度等一次数据传输给主控制器11，在线PH计4通过A/D转换器5将信息转换成数据信号后传输给主控制器11。
[0019](4)安装在主控制器11内的沼气发酵过程调控软件对输入的一次数据进行保存、处理、形成二次数据，同时分析判断该二次数据值所处的范围，并根据软件预设的程序由主控制器11下达指令，并通过PLC控制器12调节进料装置2的进料量。
[0020]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0021]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，并且通过该发明的调控系统，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彻底失稳。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1为本发明所述的沼气发酵过程的调控系统的结构示意图。
[0023]其中，附图标记如下:
[0024]1-原料调节池，2-进料装置，3-沼气发酵罐，31-沼气出口，32-出料口，4-在线pH值计，5-A/D转换器，6-液体采样装置，7-过滤器，8-深度过滤器，9-在线色谱，10-在线滴定仪，11-主控制器，12-PLC控制器，，13、14、15-阀门。
【具体实施方式】
[0025]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。
[0026]实施例1:沼气发酵过程的调控系统设置
[0027]一种沼气发酵过程的调控系统，包括通过管道依次连通的原料调节池1、进料装置
2、沼气发酵罐3、设置在沼气发酵罐上的沼气出口 31和出料口 32，沼气发酵罐壁上设置在线pH计4和液体采样装置6，在线pH值计4依次电连接A/D转换器5和主控制器11 (此处选择工控机作为主控制器)，液体采样装置6通过管道依次与过滤器7、深度过滤器8和在线色谱9 (此处选择在线气相色谱)连通，过滤器7还通过管道与在线滴定仪10连通，在线色谱9 (此处选择在线气相色谱)和在线滴定仪10分别电连接主控制器11 (此处选择工控机作为主控制器)，主控制器11 (此处选择工控机作为主控制器)，电连接PLC控制器12，PLC控制器12电连接进料装置2，工控机内安装有沼气发酵过程调控软件。进料装置2、沼气出口 31和出料口 32分别均与沼气发酵罐3之间设置有阀门13、14、15。
[0028]在线气相色谱用于在线测定沼气发酵系统内液相的挥发性脂肪酸(包括乙酸、丙酸、正丁酸、异丁酸、正戊酸、异戊酸)浓度。
[0029]在线滴定仪10通过电位滴定法测定沼气发酵系统内的总碱度(TA)、碳酸氢盐碱度(BA)、挥发性脂肪酸碱度(IA);总碱度通过将样品的pH值滴定到4.3测定得到，碳酸氢盐碱度通过将样品的PH值滴定到5.75测定得到，挥发性脂肪酸碱度为总碱度与碳酸氢盐喊度的差值。
[0030]工控机11内安装的沼气发酵过程调控软件能够对pH值、挥发性脂肪酸浓度、总碱度、碳酸氢盐碱度、挥发性脂肪酸碱度等一次数据进行处理，形成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)等二次数据。
[0031]实施例2:沼气发酵过程的调控系统使用
[0032]该调控系统的使用方法，包括如下步骤:
[0033]( I)定期测定原料调节池I内原料的挥发性固体(VS)浓度；
[0034](2)由工作人员开启主控制器11 (选择工控机作为主控制器，下面出现的主控制器11均选择工控机)，并打开安 装在主控制器11内的沼气发酵过程调控软件，设定原料的挥发性固体(VS)浓度、反应器有效体积、逐步提高有机负荷率的程序参数、最高允许的进料有机负荷率等参数的初始值，沼气发酵过程调控软件将根据预设的原料挥发性固体(VS)浓度、反应器有效体积和设定的某一时刻的进料有机负荷率计算进料量，主控制器11通过PLC控制器12控制进料装置2的进料量；
[0035](3)由工作人员开启液体采样装置6、在线色谱9 (此处选择在线气相色谱)、在线滴定仪10和在线PH值计4，液体采样装置6采集液体样品并经过过滤器7和深度过滤器8过滤后输送到在线色谱9 (此处选择在线气相色谱)，同时经过过滤器7过滤后的液体样品输送到在线滴定仪10，在线色谱9 (此处选择在线气相色谱)、在线滴定仪10、在线pH计4对液态样品每隔24小时进行I次分析，并将得到的挥发性脂肪酸浓度、总碱度、碳酸氢盐碱度、挥发性脂肪酸碱度等一次数据传输给主控制器11，在线PH计4通过A/D转换器5将信息转换成数据信号后也传输给主控制器11。
[0036](4)安装在主控制器11内的沼气发酵过程调控软件对输入的一次数据进行保存、处理、形成二次数据，同时分析判断该二次数据值所处的范围，并根据软件预设的程序由主控制器下达指令，并通过PLC控制器12调节进料装置2的进料量，例如减少或停止进料。
[0037]实施例3
[0038]以果蔬垃圾作为原料进行沼气发酵，事先测定原料的VS浓度，采用有效体积40L的搅拌全混式反应器(CSTR)进行发酵，进料之前接入沼气发酵接种物，控制沼气发酵温度为37°C。采用本发明的调控系统进行监测调控，在沼气发酵过程调控软件中设定VS浓度、反应器有效体积、逐步提闻有机负荷率的程序参数、最闻允许的有机负荷率6kgVS/ (m3.d)。
[0039]按照程序，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);按照程序，在第11~20天的运行期内以1.5kg VS/(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2.5kgVS/ (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，
[0040]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；
[0041]按照程序，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，因此按照程序从第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；在此运行期内，池容产气率长期稳定在0.5~1.5m3/(m3.d)，没有出现产气量显著下降或停止产气的现象。
[0042]实施例4
[0043]该实施例没有采用本发明的调控系统进行监测调控。第I~103天的进料方式与实施例3相同。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4.8kgVS/(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，采用该发明的调控系统进行监测调控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。
[0044]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系统，其特征在于，该系统包括通过管道依次连通的原料调节池(I)、进料装置(2 )、沼气发酵罐(3 )、在沼气发酵罐(3 )上设置沼气出口( 31)和出料口(32)，沼气发酵罐(3)壁上设置在线pH计(4)和液体采样装置(6)，在线pH计(4)依次电连接A/D转换器(5)和主控制器(11)，液体采样装置(6 )通过管道与过滤器(7 )连通，过滤器(7 )通过管道与深度过滤器(8 )和在线色谱(9)连通，过滤器(7)还通过管道与在线滴定仪(10)连通，在线色谱(9)和在线滴定仪(10 )分别电连接主控制器(11)，主控制器(11)电连接PLC控制器(12 )，PLC控制器(12)电连接进料装置(2)，主控制器(11)内安装有沼气发酵过程调控软件；进料装置(2)、沼气出口(31)和出料口(32)分别均与沼气发酵罐(3)之间设置有阀门(13)、(14)、(15)。
2.根据权利要求1所述的沼气发酵过程的调控系统，其特征在于，所述的在线色谱(9)为在线气相色谱或在线高效液相色谱。
3.根据权利要求1所述的沼气发酵过程的调控系统，其特征在于，所述的主控制器(11)优选为工控机。
4.权利要求1-3任一项所述的沼气发酵过程的调控系统的使用方法，其特征在于，包括如下步骤:(O定期测定原料调节池内原料的挥发性固体浓度；(2)由工作人员开启主控制器(11)，并打开安装在主控制器(11)内的沼气发酵过程调控软件，设定相关参数的初始值，例如原料的挥发性固体浓度、反应器有效体积、逐步提高有机负荷率的程序参数、最高允许的进料有机负荷率；沼气发酵过程调控软件将根据预设的原料挥发性固体浓度、反应器有效体积和设定的某一时刻的进料有机负荷率计算进料量，主控制器(11)通过PL`C控制器(12)控制进料装置(2)的进料量；(3)由工作人员开启液体采样装置(6)、在线色谱(9)、在线滴定仪(10)和在线pH计(4)，液体采样装置(6)采集液体样品并经过过滤分别输送到在线色谱(9)、在线滴定仪(10)，为保证在线色谱(9)对样品的颗粒物杂质要求，经过过滤器(7)的样品在进入在线色谱(9)之前再进入深度过滤器(8)进行再次深度过滤，在线色谱(9)、在线滴定仪(10)、在线PH计(4)对液态样品每隔24小时进行I次分析，并将得到的挥发性脂肪酸浓度、总碱度、碳酸氢盐碱度、挥发性脂肪酸碱度等一次数据传输给主控制器(11 )，在线PH计(4)通过A/D转换器(5)将信息转换成数据信号后传输给主控制器11 ；(4)安装在主控制器(11)内的沼气发酵过程调控软件对输入的一次数据进行保存、处理、形成二次数据，同时分析判断该二次数据值所处的范围，并根据软件预设的程序由主控制器(11)下达指令，并通过PLC控制器(12)调节进料装置(2)的进料量。
【文档编号】C12M1/34GK103525698SQ201310445712
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年9月26日 优先权日:2013年9月26日
【发明者】刘晓风, 李 东, 闫志英, 袁月祥, 廖银章, 李志东 申请人:中国科学院成都生物研究所