焦靜, 鄭勇, 李尊香, 黃小紅, 杜嵇華, 鄭金

(1.中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所， 廣東 湛江 524091； 2.中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院南亞熱帶作物研究所， 廣東 湛江 524091；3.中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院橡膠研究所， ?？?571101)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，能源需求壓力巨大，開(kāi)發(fā)利用可再生能源已成為落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀、建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的基本要求，也是我國(guó)推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型的重要措施[1-2]。沼氣主要是利用畜禽糞便、農(nóng)業(yè)秸稈和工業(yè)有機(jī)廢水等進(jìn)行厭氧發(fā)酵或者利用城市生活垃圾填埋得到的一種可再生能源，是生物質(zhì)能利用的一個(gè)重要途徑[3]。厭氧發(fā)酵是一種成熟的能源化技術(shù)，將有機(jī)物轉(zhuǎn)化成沼氣后，便于輸送和儲(chǔ)存，熱值高，燃燒污染小，用途廣泛[4]。利用沼氣厭氧發(fā)酵技術(shù)處理大批量廢棄物仍是我國(guó)可再生能源利用和環(huán)境保護(hù)切實(shí)有效的措施。

近年來(lái)，黨中央、國(guó)務(wù)院高度重視發(fā)展沼氣事業(yè)，不斷優(yōu)化投資結(jié)構(gòu)，先后發(fā)布了《可再生能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》《全國(guó)農(nóng)村沼氣發(fā)展“十三五”規(guī)劃》等系列文件，重點(diǎn)支持規(guī)模化大型沼氣工程項(xiàng)目建設(shè)[5]。但厭氧發(fā)酵是一個(gè)復(fù)雜、多變的微生物學(xué)過(guò)程。相對(duì)于實(shí)驗(yàn)室研究，規(guī)?；託獍l(fā)酵的干擾因素更多，調(diào)控更加困難[6]。因此，發(fā)酵數(shù)據(jù)的在線采集和精準(zhǔn)調(diào)控成為沼氣工程穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。如果能夠及時(shí)準(zhǔn)確地掌握和調(diào)節(jié)發(fā)酵關(guān)鍵參數(shù)，則可以有效提升沼氣工程運(yùn)行效率和穩(wěn)定性。

厭氧發(fā)酵在線監(jiān)控是對(duì)發(fā)酵參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、統(tǒng)計(jì)、分析以及科學(xué)決策，并反饋到監(jiān)控平臺(tái)，以保證發(fā)酵工藝的正確性和精準(zhǔn)性[7-8]。德國(guó)、瑞典等歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家在沼氣發(fā)酵在線檢測(cè)及控制方面處于世界第一水平[9-10]。與國(guó)外相比，我國(guó)厭氧發(fā)酵技術(shù)無(wú)論是發(fā)酵工藝，還是在線監(jiān)控技術(shù)，仍然處于一個(gè)較低的水平，沼氣工程整體運(yùn)行效率不高，因此，有必要通過(guò)加強(qiáng)在線監(jiān)控技術(shù)研究，促進(jìn)沼氣工程高效運(yùn)行。本文重點(diǎn)論述了當(dāng)前厭氧發(fā)酵在線監(jiān)測(cè)的主要參數(shù)、監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及應(yīng)用情況、分析了厭氧發(fā)酵存在的問(wèn)題及未來(lái)發(fā)展方向等，詳細(xì)梳理了厭氧發(fā)酵在線監(jiān)控技術(shù)研究進(jìn)展，旨在為下一步精準(zhǔn)化研究和提升我國(guó)厭氧發(fā)酵在線監(jiān)控技術(shù)水平提供參考。

1 厭氧發(fā)酵工藝概述

厭氧發(fā)酵工藝是一種既產(chǎn)能又環(huán)保的工藝，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于畜禽糞污、農(nóng)業(yè)秸稈、廢水、有機(jī)固體垃圾處理等領(lǐng)域[11]。厭氧發(fā)酵工藝主要可以分為以下幾類：根據(jù)發(fā)酵溫度不同，可以分為常溫、中溫和高溫發(fā)酵[12]；根據(jù)發(fā)酵物料中固含量的不同，可以分為濕式和干式發(fā)酵[2]；按照進(jìn)出料方式不同，可以分為連續(xù)式和序批式發(fā)酵[13]；按照發(fā)酵過(guò)程是否在同一反應(yīng)器中完成，可以分為單相和兩相發(fā)酵[14]；按照厭氧發(fā)酵反應(yīng)器類型可分為全混式反應(yīng)器(continuous stirred tank reactor，CSTR)、塞流式反應(yīng)器(plug flow reactor，PFR)、升流式厭氧污泥床反應(yīng)器(up-flow anaerobic sludge bed，UASB)、升流式固體反應(yīng)器(up-flow anaerobic solid reactor，UASR)、豎向推流式厭氧反應(yīng)器(vertical push-flow anaerobic reactor，VPF)、橫推流式連續(xù)干發(fā)酵等多種類型[15]。目前，我國(guó)普遍應(yīng)用的是CSTR發(fā)酵工藝，其工藝技術(shù)更為成熟。典型厭氧發(fā)酵工藝流程如圖1所示。

圖1 典型厭氧發(fā)酵工藝流程Fig.1 Typical anaerobic fermentation process flow

2 厭氧發(fā)酵在線監(jiān)測(cè)主要參數(shù)

厭氧發(fā)酵過(guò)程是在多種微生物的協(xié)同作用下，多步驟、有序的、分階段的代謝過(guò)程，影響厭氧發(fā)酵過(guò)程中各種代謝因子對(duì)其穩(wěn)定性影響的主要參數(shù)包括液相參數(shù)、氣相參數(shù)和固相參數(shù)[16-17]。由于固相參數(shù)測(cè)定方法較為復(fù)雜，故多為離線人工測(cè)定，在線監(jiān)測(cè)的參數(shù)主要為液相參數(shù)和氣相參數(shù)。

2.1 液相參數(shù)監(jiān)測(cè)

2.1.1溫度 溫度是影響厭氧發(fā)酵最重要的因素之一，適宜的溫度可以保證厭氧微生物的生存及代謝，是保證沼氣工程高效、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。研究表明，厭氧發(fā)酵的適宜溫度為35 ℃(中溫)和55 ℃(高溫)[18]。溫度過(guò)低或者過(guò)高都會(huì)抑制微生物的增長(zhǎng)，破壞發(fā)酵系統(tǒng)的平衡，最終導(dǎo)致產(chǎn)氣量和甲烷含量降低。溫度檢測(cè)中最常用的測(cè)溫元件包括熱電偶和熱電阻2種。與熱電偶相比，熱電阻的主要特點(diǎn)是測(cè)量精度高、機(jī)械強(qiáng)度高、性能可靠穩(wěn)定，其中鉑熱電阻的測(cè)量精確度最高，能達(dá)到AA級(jí)，允許誤差最大為±0.1 ℃。熱電阻不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)溫，而且被制成標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)儀，可用于厭氧發(fā)酵溫度在線監(jiān)測(cè)[19-20]。

2.1.2pH 發(fā)酵液的 pH 是反映產(chǎn)酸相是否酸化成功的標(biāo)志，對(duì)厭氧發(fā)酵的穩(wěn)定高效運(yùn)行有重要作用。厭氧發(fā)酵包括水解、產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷3個(gè)階段，如果產(chǎn)酸與產(chǎn)甲烷的速度失調(diào)就會(huì)引起揮發(fā)酸的積累，導(dǎo)致pH下降，造成厭氧發(fā)酵啟動(dòng)失敗或終止[21]。一般來(lái)說(shuō)，反應(yīng)器的pH范圍在6.8～7.2之間最好，當(dāng) pH<6.5或>8.2時(shí)，產(chǎn)甲烷菌會(huì)受到嚴(yán)重抑制。通常采用電化學(xué)法進(jìn)行pH測(cè)量，檢測(cè)電極由低阻抗玻璃敏感膜制成，具有操作簡(jiǎn)單、響應(yīng)快、熱穩(wěn)定性好和應(yīng)用范圍廣的特點(diǎn)[22-23]。

2.1.3氧化還原電位 氧化還原電位(oxidation-reduction potentiometer，ORP)用于表征厭氧發(fā)酵系統(tǒng)所處的厭氧狀態(tài)。氧化還原電位的高低對(duì)產(chǎn)甲烷菌的影響極其明顯[24]。在厭氧發(fā)酵過(guò)程中，發(fā)酵料液應(yīng)具有較低的氧化還原電位并保持在一定濃度范圍內(nèi)。厭氧消化初期，中溫體系ORP值為-500 mV以下，隨著負(fù)荷量的增大，ORP值逐漸升高，ORP值越大，說(shuō)明發(fā)酵系統(tǒng)的氧化水平越高，會(huì)影響發(fā)酵過(guò)程的正常進(jìn)行[25]。ORP通常用鉑電極直接測(cè)定，它同時(shí)受發(fā)酵溫度、pH等因素的影響。

2.1.4液位 對(duì)于發(fā)酵控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，液位監(jiān)測(cè)主要用于沉降池、調(diào)節(jié)池、發(fā)酵罐等多種裝備，是為了保證沼氣發(fā)酵生產(chǎn)的平穩(wěn)運(yùn)行，防止溢流問(wèn)題[26]。發(fā)酵物料特性、高度、罐體大小等都會(huì)對(duì)液位產(chǎn)生影響，沼氣工程上常用的液位傳感器可分為浮子式、磁致伸縮式、電容式、壓力式、超聲波式以及雷達(dá)式幾大類[27]。通常厭氧發(fā)酵的物料濃度在5%左右，最高可達(dá)30%，干物質(zhì)會(huì)在一定程度上干擾液位傳感器，一般應(yīng)選取靈敏度較高的紅外線液位傳感器，它無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，可以實(shí)現(xiàn)±0.5 mm高精度液位控制，可靠性更高。

2.1.5揮發(fā)性脂肪酸 揮發(fā)性脂肪酸(volatile fatty acid，VFA)是厭氧發(fā)酵過(guò)程的重要中間產(chǎn)物，能反映出甲烷菌的不活躍狀態(tài)或反應(yīng)器操作條件的惡化，較高的VFA濃度對(duì)產(chǎn)甲烷菌有抑制作用[28]。因此，長(zhǎng)期以來(lái)，系統(tǒng)中VFA濃度都是準(zhǔn)確控制厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的重要參數(shù)之一。有研究表明，當(dāng)厭氧發(fā)酵運(yùn)行狀態(tài)不好時(shí)，丙酸和丁酸的濃度會(huì)上升，比pH變化反應(yīng)更快[29]。VFA指標(biāo)的時(shí)效性非常重要，采樣后應(yīng)立即測(cè)定，并根據(jù)測(cè)定結(jié)果采取相應(yīng)措施。因此，在線監(jiān)測(cè)獲得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)十分必要，但目前沼氣工程中VFA的監(jiān)測(cè)還是以人工取樣離線檢測(cè)為主，未能實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)。

2.1.6氨氮濃度 適宜的氨氮濃度可以保證厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，高氨氮濃度是厭氧發(fā)酵中常遇到的難題，氨氮濃度過(guò)高會(huì)對(duì)發(fā)酵系統(tǒng)中的微生物菌落結(jié)構(gòu)和活性產(chǎn)生影響，從而破壞整個(gè)發(fā)酵系統(tǒng)的平衡[30]。由于產(chǎn)甲烷菌比水解產(chǎn)酸菌對(duì)氨氮濃度更加敏感，因此高氨氮濃度對(duì)產(chǎn)甲烷菌的影響更為顯著[31]。氨氮濃度在線監(jiān)測(cè)的方法主要有納氏試劑分光光度法、水楊酸分光光度法和氨氣敏電極法3種[32]，多用于水質(zhì)監(jiān)測(cè)，其監(jiān)測(cè)量程較小，沼氣工程中氨氮濃度的在線監(jiān)測(cè)還未得到很好解決。

2.2 氣相參數(shù)監(jiān)測(cè)

2.2.1CH4和CO2厭氧發(fā)酵所產(chǎn)沼氣的主要組成成分是CH4和CO2，CH4和CO2二者的比值也常常作為診斷發(fā)酵罐內(nèi)穩(wěn)定性的方式之一[16]。相對(duì)于沼氣產(chǎn)量而言，沼氣的組成成分更能解釋和反映系統(tǒng)內(nèi)發(fā)酵狀態(tài)，因?yàn)樗芊从硡捬醢l(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)甲烷菌的活性大小。正常厭氧發(fā)酵過(guò)程中，CH4和CO2的比值常常在 2∶1～3∶1之間，系統(tǒng)失穩(wěn)后，反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)酸菌大量繁殖，同時(shí)也伴隨著大量有毒有害及VFA副產(chǎn)物的積累，產(chǎn)甲烷菌受到明顯抑制，發(fā)酵系統(tǒng)內(nèi)的CH4含量會(huì)低至50%以下[24,33]。

CH4氣體的檢測(cè)方法有很多，包括催化燃燒、熱傳導(dǎo)、光干涉、紅外吸收等方法，每種方法因其檢測(cè)機(jī)制不同有著各自的優(yōu)缺點(diǎn)與應(yīng)用范圍。目前應(yīng)用最多的在線監(jiān)測(cè)方法是紅外吸收法，但是由于光纖傳感技術(shù)特別適合于在易燃、易爆等惡劣環(huán)境下使用，受到了越來(lái)越多研究者的關(guān)注[34]。

目前較成熟的CO2濃度測(cè)量方法是非分散性紅外吸收光譜法(non-dispersive infrared，NDIR)。NDIR是利用不同氣體吸收不同波長(zhǎng)的紅外光譜的特性，通過(guò)分析被吸收的紅外光譜的波長(zhǎng)和吸收程度來(lái)確定被測(cè)氣體的組分和濃度。NDIR具有技術(shù)成熟、造價(jià)低、體積小和譜線干擾大等特點(diǎn)[35]。

2.2.2H2S和O2對(duì)于H2S和O2的測(cè)量，通常采用電化學(xué)方法。電化學(xué)傳感器由傳感電極和反電極組成，通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)碾妷?、電解液和電極材料，被檢測(cè)的氣體在測(cè)量電極上會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并產(chǎn)生微電流，此電流與檢測(cè)氣體濃度成正比。傳感器輸出的電流經(jīng)過(guò)放大、溫度補(bǔ)償和參數(shù)修正就能得到特定氣體的濃度[36]。電化學(xué)傳感器耗電量低，但卻表現(xiàn)出極佳的線性和重復(fù)性，且使用壽命長(zhǎng)。通常測(cè)量H2S和O2的量程分別為：H2S：0～1%，O2：0～25%，測(cè)量精度可以達(dá)到2%。

3 厭氧發(fā)酵在線監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)

德國(guó)、瑞典等發(fā)達(dá)國(guó)家在沼氣工程的自動(dòng)控制和智能化上都走在世界前沿，并將各類現(xiàn)代化的工業(yè)控制方法應(yīng)用其中。例如，PID(proportion-integral-derivative)控制系統(tǒng)和模糊控制系統(tǒng)，以此實(shí)現(xiàn)沼氣工程的精確控制和智能監(jiān)控。我國(guó)沼氣工程的智能化、自動(dòng)化還處于發(fā)展時(shí)期，在線監(jiān)測(cè)技術(shù)大部分采用上位機(jī)與下位機(jī)相結(jié)合的方式，上位機(jī)負(fù)責(zé)分析數(shù)據(jù)和發(fā)出指令，下位機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和執(zhí)行指令[37]。

3.1 上位機(jī)系統(tǒng)

上位機(jī)可以對(duì)沼氣工程運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)的狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和顯示，一般采用工控機(jī)或者觸摸屏來(lái)顯示結(jié)果界面[38-39]?；贚abVIEW的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是一種利用傳感器技術(shù)、儀器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的虛擬儀器技術(shù)，系統(tǒng)硬件組成[40]如圖2所示。通過(guò)LabVIEW及數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)完成的沼氣監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)，能夠?qū)崟r(shí)顯示系統(tǒng)各工況，且具有很好的可擴(kuò)性[41]，該系統(tǒng)可精確地監(jiān)測(cè)沼氣發(fā)酵各參數(shù)，基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。但由于LabVIEW的價(jià)格過(guò)高，在沼氣工程中并未得到廣泛應(yīng)用。

圖2 基于LabVIEW的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[40]Fig.2 Structure of upper computer monitoring system based on LabVIEW[40]

3.2 下位機(jī)系統(tǒng)

下位機(jī)監(jiān)控技術(shù)主要有基于PLC(programmable logic controller)和基于單片機(jī)2種監(jiān)控系統(tǒng)。

3.2.1基于PLC的厭氧發(fā)酵監(jiān)控系統(tǒng) PLC是一種適用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制的工業(yè)控制器，具有性價(jià)比高、編程簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于沼氣工程監(jiān)控[42-43]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。PLC將計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信工程技術(shù)相結(jié)合，并集二者優(yōu)點(diǎn)于一身，使用更加方便、環(huán)境適應(yīng)性好、易于編程且功能更強(qiáng)[44]。在厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中，通常用PLC采集和調(diào)控模擬信號(hào)，在下位機(jī)中處理各種數(shù)據(jù)，并保持與上位機(jī)的信號(hào)傳輸。

圖3 基于 PLC 的沼氣監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of methane monitoring system based on PLC

3.2.2基于單片機(jī)的厭氧發(fā)酵監(jiān)控系統(tǒng) 基于單片機(jī)的厭氧發(fā)酵監(jiān)控系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、轉(zhuǎn)換模塊、處理模塊和執(zhí)行模塊組成，具有開(kāi)發(fā)周期短、開(kāi)發(fā)效率高、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)[45-46]。數(shù)據(jù)采集模塊由溫度、pH、壓力及液位等各類傳感器組成，并將檢測(cè)到的信息傳遞給數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊；轉(zhuǎn)換模塊將采集來(lái)的物理量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息，并將結(jié)果傳遞給數(shù)據(jù)處理模塊；處理模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將處理結(jié)果傳遞給執(zhí)行模塊，最后由執(zhí)行模塊進(jìn)行相應(yīng)的操作，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 基于單片機(jī)的沼氣監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[47]Fig.4 Structure of methane monitoring system based on single-chip[47]

3.3 系統(tǒng)應(yīng)用

厭氧發(fā)酵過(guò)程參數(shù)控制相對(duì)于一般化學(xué)反應(yīng)過(guò)程更為復(fù)雜，同時(shí)由于受傳感器準(zhǔn)確性、靈敏性、使用環(huán)境條件等因素的影響，在線監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用效果有所差異。對(duì)沼氣工程進(jìn)行自動(dòng)控制，首先需要針對(duì)厭氧發(fā)酵特性及運(yùn)行需求，利用數(shù)模轉(zhuǎn)換器、傳感器、電磁閥、繼電器等實(shí)現(xiàn)對(duì)參數(shù)的監(jiān)控，將發(fā)酵過(guò)程中的溫度、pH、流量、氣體成分等指標(biāo)和閥門(mén)、電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)輸入下位機(jī)，下位機(jī)通過(guò)編程預(yù)先設(shè)定控制算法，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)控制。由于沼氣發(fā)酵具有高濕、高腐蝕性的特點(diǎn)，易對(duì)傳感器和其他電子元件造成損傷或產(chǎn)生短路等影響，應(yīng)選擇外表面進(jìn)行防腐處理，抗腐蝕性能好且密閉性好的元器件，確保設(shè)備在惡劣環(huán)境下可靠、穩(wěn)定地運(yùn)行。同時(shí)，沼氣易燃、易爆，必須選用防爆傳感器，不僅要考慮其密閉性，還要考慮其防爆強(qiáng)度，確保安全使用。

4 現(xiàn)存問(wèn)題及發(fā)展建議

4.1 現(xiàn)存問(wèn)題

沼氣是一種重要的可再生能源，既可替代秸稈、薪柴等生物質(zhì)能源，也可替代煤炭等商品能源。近年來(lái)，對(duì)于沼氣工程運(yùn)行管理的監(jiān)控已經(jīng)成為沼氣行業(yè)中一個(gè)重要問(wèn)題。在線監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用，既能及時(shí)準(zhǔn)確地掌握沼氣工程運(yùn)行狀態(tài)，又能為沼氣工程故障的處理提供可靠數(shù)據(jù)依據(jù)，促進(jìn)我國(guó)沼氣行業(yè)向國(guó)際領(lǐng)先水平發(fā)展[48]。目前相關(guān)技術(shù)研究很多，但實(shí)際應(yīng)用較少，主要原因如下。

①厭氧發(fā)酵過(guò)程穩(wěn)定控制技術(shù)有待提升。厭氧發(fā)酵過(guò)程極易失穩(wěn)，規(guī)?；膮捬醢l(fā)酵通常在低負(fù)荷下運(yùn)行，影響厭氧發(fā)酵穩(wěn)定性的關(guān)鍵指標(biāo)及其抑制作用尚不明確。何清明[16]建立了餐廚垃圾厭氧消化過(guò)程穩(wěn)定性檢測(cè)體系，提出了穩(wěn)定化指數(shù)及其閾值；李蕾[49]研究了厭氧發(fā)酵過(guò)程失穩(wěn)的動(dòng)力學(xué)特征和微生物機(jī)理，提出了潛在的與厭氧發(fā)酵過(guò)程穩(wěn)定性相關(guān)的微生物預(yù)警因子。這些研究成果為開(kāi)發(fā)厭氧發(fā)酵穩(wěn)定性調(diào)控技術(shù)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，但具體調(diào)控方法、微生物預(yù)警因子的普適性，以及相應(yīng)的生物傳感器的開(kāi)發(fā)都需要進(jìn)一步深入研究。

②可在線監(jiān)測(cè)的指標(biāo)不完善。除了溫度、壓力、pH、氣體成分等基礎(chǔ)指標(biāo)外，其他一些關(guān)鍵指標(biāo)，尤其是乙酸、丙酸等中間代謝產(chǎn)物指標(biāo)，以及化學(xué)需氧量、堿度等仍然需要人工取樣檢測(cè)，無(wú)法實(shí)時(shí)記錄和統(tǒng)計(jì)，時(shí)效性差。Morel等[50]采用多波長(zhǎng)熒光法在線監(jiān)測(cè)厭氧發(fā)酵過(guò)程并建立含量預(yù)測(cè)模型，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)揮發(fā)性脂肪酸含量和化學(xué)需氧量，適用于實(shí)驗(yàn)室發(fā)酵監(jiān)測(cè)；Molina等[51]研發(fā)了在線滴定傳感器用于污水厭氧發(fā)酵過(guò)程中堿度測(cè)定。但由于厭氧發(fā)酵環(huán)境復(fù)雜，傳感器易受環(huán)境影響，預(yù)測(cè)偏差大，該方法尚未應(yīng)用到實(shí)際工程中。

③在線監(jiān)測(cè)傳感器穩(wěn)定性、耐用性差，使用壽命短。數(shù)據(jù)采集作為厭氧發(fā)酵工藝在線監(jiān)控系統(tǒng)的前端輸入量，在整個(gè)控制系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。不同的檢測(cè)原理和材質(zhì)對(duì)傳感器的穩(wěn)定性和耐用性都有一定影響。以沼氣成分監(jiān)測(cè)為例，監(jiān)測(cè)可燃性氣體甲烷時(shí)，采用催化燃燒原理傳感器可以使用2年左右，而紅外傳感器可以使用5年；監(jiān)測(cè)有毒有害氣體如硫化氫時(shí)，傳感器的使用壽命只有2年左右，在使用過(guò)程中，還需要定期對(duì)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，否則會(huì)影響整個(gè)控制系統(tǒng)的控制精度。目前大部分沼氣工程都重建設(shè)、輕管理，維護(hù)保養(yǎng)不及時(shí)，傳感器的穩(wěn)定性和使用壽命大打折扣。

④沼氣工程的預(yù)警手段不健全。目前對(duì)于厭氧發(fā)酵失穩(wěn)預(yù)警指標(biāo)的研究主要有中間代謝產(chǎn)物、關(guān)鍵代謝調(diào)控物以及厭氧系統(tǒng)內(nèi)生物體的變化3方面[29]，但還沒(méi)有一種公認(rèn)的厭氧消化系統(tǒng)失穩(wěn)預(yù)警指標(biāo)。由于沼氣發(fā)酵原料的多樣性、發(fā)酵工藝的差別，影響發(fā)酵過(guò)程的關(guān)鍵參數(shù)和失穩(wěn)閾值也有所不同。現(xiàn)有的監(jiān)控技術(shù)無(wú)法在系統(tǒng)出現(xiàn)酸化趨勢(shì)、系統(tǒng)內(nèi)部穩(wěn)定性被破壞的初始階段提供有效的預(yù)警指示，指示性相對(duì)遲緩，導(dǎo)致發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)失穩(wěn)時(shí)已難以快速恢復(fù)正常。

4.2 發(fā)展建議

隨著人工智能技術(shù)的提升和規(guī)?；a(chǎn)的需要，厭氧發(fā)酵在線監(jiān)控技術(shù)顯得越來(lái)越重要，大中型沼氣工程中在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的配套應(yīng)用也越來(lái)越多，為了促進(jìn)沼氣工程向智能化、精準(zhǔn)化、標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展，建議重點(diǎn)開(kāi)展以下研究。

①厭氧發(fā)酵關(guān)鍵參數(shù)在線監(jiān)測(cè)傳感器研發(fā)。揮發(fā)性脂肪酸、堿度等相比于pH、氧化還原電位等常規(guī)參數(shù)可以更快地對(duì)厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的穩(wěn)定性做出反應(yīng)，但由于受厭氧發(fā)酵系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境條件限制、傳感器靈敏度、量程和使用條件等因素限制，這些關(guān)鍵性調(diào)控參數(shù)往往需要離線人工測(cè)定，其中部分指標(biāo)檢測(cè)時(shí)間往往需要數(shù)天，造成一定的延滯性，不能及時(shí)地對(duì)發(fā)酵系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)警調(diào)控。因此，需要結(jié)合我國(guó)沼氣工程高水分、高H2S的使用環(huán)境特點(diǎn)，從檢測(cè)方法入手，結(jié)合現(xiàn)代生物技術(shù)、電子技術(shù)和集成技術(shù)，開(kāi)發(fā)高精度、高穩(wěn)定性的在線監(jiān)測(cè)傳感器，以便及時(shí)獲取發(fā)酵動(dòng)態(tài)參數(shù)并進(jìn)行分析預(yù)判。除此之外，滴定法、生物傳感器法等一些新檢測(cè)方法的開(kāi)發(fā)，以及利用容易獲取的變量建立模型實(shí)現(xiàn)被測(cè)變量估計(jì)的間接測(cè)量的思路[22]，都會(huì)有效推動(dòng)在線監(jiān)控技術(shù)在我國(guó)沼氣工程上的普及應(yīng)用。

②基于厭氧發(fā)酵關(guān)鍵參數(shù)交互作用的失穩(wěn)預(yù)警系統(tǒng)研發(fā)。厭氧發(fā)酵是一個(gè)復(fù)雜的微生物生化過(guò)程，各種因素交互作用。目前的在線監(jiān)控技術(shù)只是針對(duì)某一個(gè)參數(shù)的獨(dú)立監(jiān)測(cè)，如pH、CH4、CO2等，這些指標(biāo)無(wú)法及時(shí)反映出系統(tǒng)波動(dòng)，有一定的滯后性[52-53]。但CH4/CO2、VFA/ BA(儲(chǔ)備碳酸氫鹽堿度)、BA/TA(總堿度)等可以較好地反映厭氧發(fā)酵系統(tǒng)承受酸化的能力，比pH至少提早5 d出現(xiàn)預(yù)警[24]，因此要真正實(shí)現(xiàn)厭氧發(fā)酵的精準(zhǔn)可控及失穩(wěn)預(yù)警，需要深入分析各關(guān)鍵參數(shù)的交互作用以及基于耦合指標(biāo)變化的失穩(wěn)預(yù)警系統(tǒng)，才能真正達(dá)到失穩(wěn)預(yù)判的目的。

③物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在沼氣工程中的應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)是一種新興的信息技術(shù)，可以基于傳感技術(shù)、傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)獲取運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)的各類數(shù)據(jù)，在沼氣工程運(yùn)行監(jiān)控中可以發(fā)揮重要的作用。然而，近年來(lái)的研究和實(shí)踐中，用于實(shí)際運(yùn)行的沼氣工程物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控技術(shù)仍是少數(shù)，由于缺乏有效的信息化監(jiān)控手段，沼氣工程運(yùn)行中許多問(wèn)題都無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)和干預(yù)，造成沼氣工程管理不到位、運(yùn)行效率不高、經(jīng)濟(jì)效益差等難題?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)和云平臺(tái)的智能化沼氣工程監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)將是今后重要的研究方向[54]，結(jié)合專家系統(tǒng)構(gòu)建，通過(guò)數(shù)據(jù)分析研判，實(shí)現(xiàn)沼氣工程智能化管理、遠(yuǎn)程故障診斷及調(diào)控，將大大節(jié)省運(yùn)行成本和人力資源成本、提高運(yùn)行效率，從而提高我國(guó)沼氣工程自動(dòng)化監(jiān)控水平，推動(dòng)信息化和工業(yè)化深度融合。