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影响沼气发酵的5大原因

来源:智慧农业网 作者:李伟 人气: 发布时间:2017-06-14
1.温度
沼气是利用粪便、农作物秸秆等有机物在厌氧的条件下,经过微生物生理代谢产生主要成分为CH4和CO2,还有少量的H2、H2S、CO等可燃性气体,属生物质能源。开展沼气发酵的研究有着重大的意义和作用,本文就沼气发酵的影响因素进行了探讨。
沼气发酵可分为三个温度范围:50~65℃称高温发酵,20~45℃称中温发酵,20℃以下称低温发酵。此外,随自然温度变化的发酵方式称常温发酵。
    沼气发酵受到温度和温度波动的影响。在同一温度类型条件下,由于沼气发酵微生物的代谢活动随着温度的上升而增加,在一定的温度范围内,温度越高,发酵产气速率越快;短时间内若温度波动幅度过大时,可能导致停止产气。
很多研究者对此进行了大量的研究,Harremoes等通过分析实验结果,得出了以下结论:中温厌氧消化的最佳温度为30~40℃。当温度在15℃以上时,厌氧发酵才能很好地进行。温度在10℃以下,无论产酸菌还是产甲烷菌都都受到严重抑制;温度在10℃以上,产酸菌首先开始活动,总挥发酸的产量直线上升;温度在15℃以上时,产甲烷菌的代谢活动才活跃起来,产气率明显提高,挥发酸含量迅速下降,在气温下降时必须考虑保温。
2.酸碱度(PH值)
通常沼气池中的产甲烷细菌适宜的PH值范围为6.5~7.8,PH值的变化会直接影响产甲烷菌的生存和代谢。一般情况下,沼气池的PH值应维持在6.8~7.5之间,最好在7.2左右。
pH值在5.5以下,产甲烷菌的活动完全受到抑制,而pH值上升至8甚至8.5时,仍保持一定的产气率。产酸菌的pH值范围为4.0~7.0,在超过甲烷菌的最佳pH值范围,酸性发酵可能超过甲烷发酵,造成反应器内“酸化”现象的发生。
影响pH值变化的因素主要有以下几点:一是发酵原料的pH值;二是在厌氧发酵启动时,投料浓度过高,接种物中的产甲烷菌数量不足,以及在消化器运行阶段突然升高负荷,都会因产酸与产甲烷的速度失调而引起挥发酸的积累,导致pH值下降,这往往是造成厌氧发酵启动失败或终止的主要原因。
在厌氧发酵过程,如果pH值过高,可适当投入石灰水、Na2CO3溶液加以中和,也可靠停止进料产酸作用下降、产甲烷作用相对增强,使积累于发酵液内的有机酸逐渐分解,pH值则逐渐恢复正常。
如果pH值降至6.0以下,则应在调整pH值的同时,大量投入接种污泥,以加快pH值恢复。为防止沼气发酵酸化作用的发生,应加强对pH值的检测,如果所产气体中CO2比例突然升高或发酵中挥发酸含量突然上升,都是pH值要下降的预兆,这是应采取措施减少进料,降低消化器负荷,即可避免酸化现象,如果等到pH值下降后,再进行补救则难的多。
3.氧气含量
沼气发酵启动和投料时带入的一部分氧气对沼气发酵危害不大,不会破坏沼气发酵的正常进行。这是因为沼气池中存在一部分好氧菌和兼性菌,带入的氧气很快会被不产甲烷细菌中的好氧菌或兼性菌消耗掉,使池内保持厌氧环境,同时这一部分氧气也使好氧菌、兼性菌与厌氧菌保持着动态的平衡关系,但为了保持好的厌氧环境,发酵过程中必须不漏气。
4.沼气发酵原料的碳氮比
发酵原料的碳氮比(C/N),是指原料中有机碳含量和氮含量的比例关系。沼气发酵微生物需要的一定的碳、氮、磷等营养物质,才能正常生长和进行生命活动。碳元素为微生物生命活动提供能量,是形成甲烷的重要物质;氮元素也是构成微生物细胞的主要元素。这三种营养元素之间的比例,不论是好氧发酵还是沼气发酵,氮与磷的比例是确定值,为5:1。碳与氮的比值则范围较宽,以往的实践认为发酵原料的C/N以(13~30:1)为宜,大于30:1效果不佳,小于13:1还可正常发酵。但是,实际上以人粪便为主要原料(C/N=3.9:1)的沼气池也能很好的运行。所以,正常的沼气发酵要求合适的碳氮比,但不严格,要重视沼气池的启动和培养好相适应的菌种,提高沼气发酵细菌的适应能力。
在沼气发酵过程中,细菌不断将有机碳素转化为CH4和CO2,产生的沼气放出,同时将一部分碳素和氮素合成细胞物质,多余的氮素物质则被分解以NH4HCO3的形式溶于发酵液中。经过这样一轮的分解,C/N值下降一次,生成的细胞物质死亡后又被用作原料。要想消化器内的C/N值适宜,进料的C/N值则可更高些。因为厌氧细菌生长缓慢,同时死亡的老细胞又可作为氮素的来源,所以污泥在消化器内滞留期越长,对投入氮素的需求越少。
5.沼气发酵接种物
沼气发酵细菌的多少和质量的高低直接影响沼气发酵、产气速率和沼气的质量。沼气发酵能否快速启动与高质量和大量的接种物有关。
如果沼气发酵启动时的接种物不够,可能会出现启动缓慢,经过很长时间,产气速率仍然较低的情况;接种物质量较差,产甲烷细菌数量较少,活性较低,此时水解性细菌和产氢产酸细菌很快繁殖,而产甲烷细菌繁殖较慢,导致不产甲烷作用较快,产甲烷与不产甲烷过程的平衡失调,就可能造成有机酸的缓慢积累,发酵液pH值下降,沼气池酸化,出现产气慢和沼气中甲烷含量低且质量差的情况。
近年来,随着监测技术朝着智能化和网络化的方向发展,物联网技术的应用不仅有效地推进了沼气工程监测信息化的进程,同时也为厌氧发酵的研究,沼气工程的高效运行提供了技术支撑。
沼气工程监测系统在预处理单元采集水量、温度和物料TS浓度等参数;在厌氧发酵单元采集温度、压力,PH值和物料TS浓度等参数并安装过载报警装置;在沼气输配气单元采集沼气成分、流量、贮气容积和压力等参数并安装沼气泄漏和过载报警装置;在污水处理单元安装COD,BOD,总P和总N等环保指标监测装置;在沼肥生产单元安装N,P,K和微量元素检测仪器;在沼气站采集现场温度、湿度和风速等环境条件。
系统将上述参数转化成数据信号,通过双绞线或无线路由节点传输至DTU(数据传输单元),DTU将串口数据转换为IP数据,再通过GPRS网络或者3G网络将IP数据传输到后台服务器,管理人员通过电脑或LED大屏在线监控、调取数据、统计分析等。
沼气工程物联网在提高沼气工程管控水平和生产效率上具有显而易见的积极作用。沼气工程物联网对沼气工程生产全程进行在线监测,通过数据库和专家咨询系统可及时发现并解决设备问题,排除运行故障,通过智能化管控系统,实现进出料、输配气、沼肥生产和污水处理等环节自动化控制,能提高产气量、提升沼肥生产质量和污水处理效果,实现沼气工程管理科学化、控制自动化、运行智能化,节约劳动成本,降低能耗,提高沼气工程生产效率。
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李伟

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