中国沼气学会学术年会暨中德沼气合作论坛

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2022年12月 | 黑龙江 · 哈尔滨
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年会专家观点 | 刘晓风:高负荷厌氧消化失稳预警调控成套技术

作者: 发布时间:01/12/2022 来源:

文章来源:中国沼气学会


【编者按】2021年10月20-21日,2021年中国沼气学会学术年会暨中德沼气合作论坛在南京举行。近500位沼气领域的专家学者及企业界同仁齐聚一堂,共话新时代沼气行业新发展。与会代表在研讨中一致认为,沼气技术及其应用将会成为有机废弃物资源化利用、生态环境保护和可再生能源发展的主战场,沼气科研教学和产业队伍将会成为实现乡村振兴战略和“双碳”战略目标的主力军。


中国科学院成都生物研究所刘晓风研究员进行了题为“高负荷厌氧消化失稳预警调控成套技术”的主题分享,报告主要围绕高负荷厌氧发酵失稳预警及调控的技术背景、技术体系、失稳预警指标和实际工程案例等内容及延伸。本文根据其发言整理。



中国科学院成都生物研究所刘晓风



一、技术应用背景


依据《新时代的中国能源发展》白皮书,能源技术革命,因地制宜的发展生物质,积极推进生物天然气产业化发展和农村沼气转型升级已成为新时代中国能源发展的新战略。中国沼气学会的行业发展报告,预估2060年生物质沼气资源量为3710亿方,实现温室气体减排量为6.6亿吨二氧化碳当量,相当于可以替代2020年全国68%的天然气消费量,或2020年天然气进口量的1.5倍以上进口量。这些都表明生物天然气是一个很有前途的事业。但在天然气实际生产过程中还存在产气率不高,高负荷情况下容易产生酸化或氨中毒导致厌氧系统崩溃等问题。


中科院成都生物研究所生物质能源团队通过研究产业链问题,布局生物天然气创新链。从梳理工程技术瓶颈,分析关键问题和研发关键技术着手,开发了高负荷厌氧发酵失稳预警调控系统。该系统的特点在于其可有效提高废弃物处理效率,解决沼气工程从设计到运行有机负荷比较低,处理效率和经济性相对较差的问题,提高沼气工程的经济性。在高有机负荷条件下,如何保障系统的稳定性,既要保证高效也要保持稳定,是本技术研究的关键。





二、成套技术体系


从厌氧消化的生物化学过程分析,高负荷厌氧消化不稳定的原因为:高有机负荷条件下,产酸阶段与产甲烷阶段的失衡,存在酸化抑制甲烷的产生。另外,厌氧消化的典型抑制物质为游离挥发性脂肪酸和游离氨,氨的抑制不仅与温度有关,还与pH有关系。团队李东研究员在国际上首次绘制了基于氨氮-挥发酸-pH三元体系的厌氧消化抑制区域图,确定了针对高氨氮、低氨氮等典型原料高负荷条件下容易发生的抑制区域和阈值。




高负荷厌氧发酵失稳预警调控技术的技术内涵是什么?首先是要准确的预测,通过在线及快速检测对可能存在的失稳做出预警并采取对策。采用生物强化、生态强化和稳定控制技术强化酸降解,解除酸抑制。生物强化是在微生物层面强化酸的降解,解决酸的抑制难题,具体为功能菌剂的开发。生态强化是在微生态层面强化产甲烷,通过添加制剂促使产甲烷过程与产酸过程同步。稳定控制是在过程控制层面从源头避免高负荷厌氧发酵系统失稳,具体为控制装备开发。高负荷厌氧消化失稳预警控制成套技术集成过程监测、失稳预警、过程调控、专用制剂和云平台管理系统,是一套适合各种典型原料的沼气工程运行疾病诊治成套技术。





三、失稳预警指标


失稳预警指标的判定参数至少符合以下三个条件,分别是可识别的单向变化,较长的提前响应时间和显著的突变。通过研究,建立了低氨氮原料(如蔬菜垃圾)的中、高温厌氧失稳预警指标体系,得到不同产物失稳阈值。低氨氮条件下厌氧失稳主要是由于缺少pH缓冲能力的碱度,形成挥发酸抑制乙酸营养型产甲烷菌。


建立了高氨氮原料(如鸡粪)的中高温厌氧失稳预警指标体系,以ORP或产物产率作为失稳预警指标。高氨氮条件下厌氧失稳主要是由于游离氨抑制产甲烷菌,积累挥发酸导致挥发酸抑制。




另外,针对高粘性原料(酱香酒糟)和易酸化原料(蔬菜废弃物)的中高温厌氧失稳预警调控技术也进行了研发和示范应用。研究表明:如果没有采用失稳预警调控技术,整个系统在负荷1.5kgVS/(m3•d)的情况下就会失稳,如果采用失稳调控预警技术,它可以达到3.5kgVS/(m3•d),甚至是3.5kgVS/(m3•d)以上。通过应用效果对比,采用失稳预警调控技术能够稳定提升厌氧消化负荷和池容产气率。



四、工程应用实例


高负荷厌氧消化失稳预警调控成套技术已成功示范于中节能茅台酒糟生物天然气工程,江西正合环保新余市3MW沼气发电项目,四川绵阳日处理100吨餐厨垃圾厌氧消化工程等,有效提高工程进料负荷和池容产气率,解决氨氮抑制等问题,并实现工程高负荷高效稳定运行。另外,该项技术也在国外沼气工程中进行了应用,取得了良好效果。









整理:石川

编辑:刘秋琳

审核:李景明