锐意自控|沼气监测系统在沼气工程中的应用

沼气是一种可再生的清洁能源，是由有机质如人、牲畜、家禽的粪便和秸秆、杂草、秕壳等在适宜的温度、水分、湿度下形成厌氧环境，经过微生物的生长发育、繁殖代谢作用产生甲烷和二氧化碳、水蒸汽、硫化氢、一氧化碳、氮气等可燃烧性的混合气体，沼气发酵就是厌氧消化或厌氧发酵的过程。沼气监测系统在其中所起的作用不容忽视。

在实际运行过程中，沼气的发酵过程常常达不到预期的效果，会出现供气不足、时断时续、长期不产气等现象，为确保沼气工程正常产气，以下将对沼气发酵微生物这个核心因素进行说明。

一、保持沼气发酵装置内足够数量的微生物

微生物是沼气发酵过程中生命活动的主体。在沼气发酵系统中，微生物有两种存在形式：一种是群体，另一种是个体。实验表明，消化液中以个体存在的微生物数量并不多，对沼气发酵过程所起的作用微不足道。决定沼气发酵进程的主要是以群体形式存在的微生物，也就是通常所说的厌氧污泥。污泥浓度的大小对沼气发酵装置产气效率的影响很大。一般人眼，污泥浓度越大（即单位有效容积中微生物量越多），发酵装置的大产气效率也就越高。既然保持消化装置内足够多的微生物十分重要，那么应该采取哪些措施来达到目的呢？

1.加快厌氧微生物的生长速度

沼气发酵的、第二阶段是不产甲烷菌活动的结果，第三阶段是产甲烷菌作用所致。产甲烷菌是一类严格的专性厌氧菌，对营养要求比较简单，但对环境条件变化特别敏感，适应性差。另一方面，产甲烷菌繁殖的世代时间长，为4-8天，所以产甲烷菌既是左右沼气发酵过程成败的关键微生物，也是控制厌氧生物反应速率的主要微生物。如果能通过生物工程手段提高产甲烷菌繁殖速率，缩短其世代时间，那么，在相同时间内，产甲烷菌增殖的数量将会更多，从而提高沼气发酵效率，同时沼气发酵装置的启动时间将会缩短。

2.增加沼气装置滞留微生物的能力

传统沼气发酵装置难以滞留厌氧微生物，发酵装置内微生物数量少，发酵效率低。在微生物生长繁殖速率不变的情况下，减少微生物排放速率，同样可以达到积累、滞留微生物的目的。可以通过改变传统沼气发酵装置的结构，安装沼气监测系统，装设填料、回流污泥、培养颗粒污泥等措施，增加反应器滞留微生物的能力，保持沼气发酵装置内足够数量的微生物，特别是产甲烷菌。

二、提高厌氧微生物的活性

沼气发酵过程中，微生物的活性就是转化有机物并生成沼气的能力，即将有机物转化成为甲烷、二氧化碳、硫化氢等的能力，可以用污泥比产甲烷活性、污泥负荷表示。提高厌氧微生物活性可以通过提高沼气发酵微生物自身活力和创造适宜的环境条件来实现。

1.高活性厌氧微生物的培育

如果能采用常规选育或生物工程的办法提高沼气发酵微生物的自身活性，沼气发酵效率将会得到极大提高。由于沼气发酵系统是多菌种作用的混合培养系统，纯培养条件下获得的高活性菌株在投放到自然的沼气发酵系统中，有可能不能适应混合培养环境而丧失其优势。因此，通过常规选育或生物工程的发放培育高活性厌氧微生物的难度很大。

2.创造适宜的环境条件

①满足需要的微量元素

沼气发酵微生物需要一定量的微量元素，镍、钴、钼、铁、硒和钨等是一些产甲烷菌所必需的物质，锌、铜、锰是发酵性细菌必需的物质。

②合适的常量元素比例

参与发酵的微生物不仅要从料液中吸收营养物质以取得能源，而且还要利用这些营养物质合成新的细胞。在讨论沼气发酵微生物的营养物质时，一般都要重点考察氮和磷的配比。

③减少有毒物质的抑制

在沼气发酵过程中，一些原料中含有有毒、有害物质，经常造成产气效率下降甚至运行失败。特别是处理工业有机原料是，更需注意有毒、有害物质对沼气发酵微生物的影响。常见的抑制性物质为氨氮、硫化物、盐类、重金属以及某些人工合成物质。

④适宜的pH环境和温度

pH是沼气发酵重要的影响因素。微生物对pH的波动十分敏感，即使是在其生长pH范围内，pH的突然改变也会引起微生物活力明显下降；合适的温度也是影响微生物生命活动的重要因素，各种微生物都只在在一定的温度范围生长。

三、加强微生物与底物的传质效果

在沼气发酵反应器中，生物化学反应依靠传质才能进行，而传质的产生必须通过基质与微生物之间的实际接触。在沼气发酵系统中，只有实现基质与微生物之间充分而又有效的接触，才能大限度地发挥反应器的处理效能。

基质与微生物之间的接触，可以通过集中途径实现。反应器的构造不同，实现接触的方式也不一样。归纳起来，大致有三种接触方式，即搅拌接触、流动接触、气泡搅动接触。对于溶解性发酵原料、连续进料沼气发酵系统，为了强化接触物质可采取有效的布水、合理利用沼气的搅动、料液回流等措施。

对于高固体发酵原料、分批进料沼气发酵系统，机械搅拌是有效的手段。搅拌混合不仅能加强微生物与底物的传质效果，均匀分布进料底物，稀释抑制物质浓度，而且还能发放至分层、沉淀以及浮渣形成，破除温度分布梯度。

结语：

在对沼气工程发酵过程的优化时，应当始终围绕着沼气厌氧发酵微生物来进行，具体则是通过保持沼气发酵装置中足够的微生物数量，改善微生物生长繁殖的营养物质和环境条件增强微生物活性，加强微生物与基质的传质效果等方面改进沼气发酵过程的性能，进而提高整个沼气工程的效率。

此外，想要进一步提高运行效率，时刻掌握沼气发酵设备的运行状况，从而针对性地做出调整和控制，从而实现沼气工程发酵过程的优化和同样十分重要。随着沼气工程的技术发展，通过沼气监测系统即可实现实时智能监控和统一操作管理。

四方光电（武汉）仪器有限公司开发的大中型沼气监测系统Gasboard-9230可以实时获取沼气工程运行参数（温度、压力、pH、沼气流量、成分数据等），是沼气工程验收、监督和运行的可靠数据来源，通过网络传输至省、市县和业主监测平台上，并根据已知数据指导确定大中型沼气工程的运行参数，目前该监测方案广泛应用于畜牧养殖户、农业种植户、餐厨垃圾处理场、污水处理场等大中型沼气工程。

（参考资料：董宜胜《沼气发酵菌种与发酵原料浓度对沼气产气的影响》，邓良伟 等《沼气工程》；图片来源于网络）

（来源：沼气圈）