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摘要：沼气工程的良好运行，不仅靠建设，也依赖于专业的监测和评估。通过建立沼气工程监测实验室，对厌氧发酵中进料、中间产物、容积产气率与降解率等进行分析，能够及时发现生物化学参数及厌氧发酵过程效率的变化，发现发酵过程中存在的问题并对沼气产量进行预测。在出现沼气产量明显下降等问题之前对进料负荷，温度，C／N，pH值和水力停留时间等工艺参数进行调整，提高沼气运行的稳定性，优化厌氧发酵过程的工艺，从而可以提高沼气工程的效益，对于沼气工程的大规模应用和推广具有重要意义。
关键词：沼气工程；厌氧发酵；监测
1 引言
沼气工程是一个生物化学过程，稳定运行除了需要技术维护，还需要对生物化学过程进行监测和控制。由于微生物有一定的适应能力以及影响沼气生产因素之间相互作用具有复杂性，厌氧发酵过程中产生的问题在气体产量明显下降之前是很难发现的。如果能建立沼气实验室，通过对沼气发酵过程进行参数监测，及时了解沼气工程运行状况，在沼气工程不稳定前采取相应措施，能够提高工程的运行稳定性及处理效率。并且，通过建立监测体系，能够有效的预测沼气产量变化，对沼气工程进行工艺优化。
2 我国养殖业的现状
我国是一个农业大国，而养殖业是其中的一项重要产业。我国有共计超过20000家猪场、牛场、鸡场。这些养殖场每天会产生大量的粪便和其他废弃物，而这些废弃物所产生的污染远远比工业废水和城镇污染要高得多。而养殖场一般情况下都集中在城市的边远郊区，且均靠近水源，所以长年累月的堆积导致大量的粪便、废弃物、污水等的产生。而这些动物粪便产生了病菌和有机物是数量众多的，因而给环境带来了严重的破坏。尤其是在管理不严格的地区，这些污染物会直接进入水源，从而对人们的身体健康产生严重威胁。
3 厌氧发酵工艺的原理
厌氧发酵主要是将微生物活动所产生的有机物分解为甲烷、二氧化碳以及水分。这种方式最大的优势在于不需要消耗过多能源，且对环境的污染程度要更小。通过这项技术可以将粪便、废弃物等进行统一处理和利用，获得环保的沼气燃料。而发酵后产生的废渣也可以利用于农业种植，形成资源的合理和循环利用，也符合现阶段我国可持续发展的要求。
4 监测与评估
4.1 原料的评估和计量
通过对原料的监测能有效的评估和计量原料可能产生的沼气产量，原料评估主要包括总固含量（total solids，TS），挥发性固体含量（volatile solids，VS），化学耗氧量（chemical oxygen demand，COD）和生化耗氧量（biochemical oxygen demand，BOD）等。对底物全面的描述可以保证厌氧发酵过程更加稳定的运行，并且一旦底物发生变化，就可以改变相应的工艺参数进行调整。
4.2 挥发性脂肪酸
厌氧发酵过程中，有机物水解会产生一系列中间产物，再进一步分解得到沼气。这些中间产物能够提供微生物活性方面的信息。简单的有机物通过酸化形成VFA，VFA中的丙酸和丁酸能够分解为乙酸，乙酸再进一步转化为甲烷和二氧化碳。通常情况下，产酸速度与产甲烷速度达到平衡，发酵过程稳定。但如果产甲烷过程受到抑制，就会使VFA积累，进而导致系统不稳定。用丙酸：乙酸来做为平衡的表征参数，认为其比值为0.5时，系统处于稳定状态。丙酸也用来有效的指示氨抑制与恢复的过程。如果负荷增大，产酸速度也随之增大，但如果乙酸分解的速度也一起增大，此时，产酸与产甲烷过程会建立新的高浓度水平的平衡，不影响发酵过程的稳定性。丙酸和丁酸的积累能够指示产酸和产甲烷过程的平衡。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆过高的氢浓度导致丙酸和丁酸的转化受到抑制，产甲烷过程速度过小，最终丙酸和丁酸积累导致酸化。过量的VFA积累能够对发酵过程产生抑制。丙酸浓度为900mg?L-1时明显抑制产甲烷菌活性，在乙醇、乙酸、丙酸、丁酸浓度分别为1600mg?L-1，1600mg?L-1，300mg?L-1和1800mg?L-1时，产甲烷菌活性最高，甲烷产量最大。一般来说，温度和pH值的变化能够破坏发酵平衡，导致酸积累，使沼气产量下降。VFA中不同酸的降解也会相互影响，例如当乙酸浓度达到1400mg?L-1时，丙酸的降解速度明显下降。
4.3 氢含量
有机物通过产乙酸菌酸化产生氢，耗氢的产甲烷菌能够将氢与二氧化碳转化为甲烷，这两者也会达到一个平衡。氢浓度小时，有利于丙酸转化为乙酸过程，氢浓度大时，则对此过程产生抑制，导致有机酸的积累，抑制甲烷的生成。氢浓度能够在系统发生不平衡的早期指示反应器平衡的变化。当进料增加，反应器负载过大，氢浓度就会增加。在氢含量较少时，丙酸的浓度较为稳定，不会发生酸化现象。
4.4 抑制物
厌氧发酵是有机物转化为沼气的过程，这一过程是由多种微生物共同作用来实现的。在发酵过程中，一些物质能够对细菌产生抑制作用，从而减慢反应速率，达到毒性浓度时可能使降解过程停止。这些抑制物主要来源于两方面，一是随底物添加到发酵罐的抑制物，如消毒剂，抗生素和重金属等；另一种是降解过程中产生的，如氨、硫化物等。发酵过程中，进料中的有机氮大部分转化为氨，并以NH，和NH4+两种形态存在。其中NH；是微生物的营养物质也是新陈代谢的酶所必需，但是当进料中的C／N过小，N含量过高会导致过多的游离氨生成，对厌氧发酵过程产生危害。氨抑制的浓度随温度和pH值的不同而有所不同。并且，不同的接种微生物对氨氮的耐受程度不同，发生氨抑制的浓度也有差别。取自厌氧反应器中低氨处理的污泥接种后能成功地适应高浓度的游离氨。因此，为了准确阐明氨的抑制效果和适应现象，应该对微生物进行定性和定量分析。氨抑制具可逆性，但一旦发生抑制，需要一定的时间恢复，会影响厌氧消化的稳定性和连续性。因此对氨抑制进行准确的模拟、预测，并做好预警工作，是厌氧消化氨抑制研究的一项重要内容。一般来说，最有效的恢复方法是对原料进行稀释或者调节C／N，也有采用空气吹扫脱除氨氮或者加入微量元素缓解氨抑制的。厌氧消化发生氨抑制后，使用水、沼液、牛粪稀释可以有效的对系统进行恢复：从经济方面考虑，使用牛粪稀释是最有效的策略，甲烷产量最高；但稳定性最高的策略是使用沼液稀释。通过降低负荷并进行冲洗进行氨抑制恢复研究，且使用莫诺模型对氨抑制过程进行了有效的模拟。利用降低pH值的方法来降低氨含量进行恢复，结果发现恢复失败。除了氨之外，硫化物、金属等也能对厌氧发酵产生抑制作用。硫化物能够对产甲烷菌产生毒性，通过加入硫酸根来进行抑制研究，发现加入硫酸根含量为1800mg?L-1时，pH值下降到6左右，导致酸化。轻金属离子包括钠，钾，钙和镁等，它们在有机物的分解阶段产生，微量能够为微生物生长提供营养，但含量过高就会对厌氧发酵过程产生抑制。在城市污水和污泥中含有部分重金属，如铬、铁、钴、铜、锌、镉和镍等，它们不能被降解，并且在厌氧发酵中积累达到一定浓度后会对发酵过程产生抑制。过多的游离镉对发酵过程产生了明显的抑制。
5 结语
沼气工程能够对有机废弃物进行无害化处理和资源化利用，产生清洁能源，近年来受到了越来越多的重视。厌氧发酵过程的可控性与稳定性影响着沼气工程的推广应用。在厌氧发酵过程中需要监测的参数，进而实现对沼气厂厌氧发酵过程的监测与控制，这对沼气工程实验室监测体系的建立、沼气厂运行稳定性的提高以及厌氧发酵过程的工艺优化等具有重要意义。
参考文献：
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[3]王熙春.大中型沼气工程启动与运行管理要点[J].河北农业.2017（07）
论文作者:高明艳
论文发表刊物:《防护工程》2019年第6期
论文发表时间:2019/6/28
标签：沼气论文; 抑制论文; 过程论文; 甲烷论文; 丙酸论文; 浓度论文; 工程论文; 《防护工程》2019年第6期论文;