厌氧消化过程预警指标体系研究进展

收稿日期:２０１７￣１２￣１５修回日期:２０１８￣０１￣１６项目来源:国家自然科学基金资助项目(５１５０６２１７)作者简介:吴怡然(１９９４－)ꎬ女ꎬ硕士在读ꎬ主要从事生物质生物转化研究等工作ꎬＥ￣ｍａｉｌ:ＹｉｒａｎＷ＠ｃａｕ.ｅｄｕ.ｃｎ通信作者:段娜ꎬＥ￣ｍａｉｌ:ｄｕａｎｎａ＠ｃａｕ.ｅｄｕ.ｃｎ厌氧消化过程预警指标体系研究进展吴怡然ꎬ段娜ꎬ林聪(中国农业大学水利与土木工程学院ꎬ北京１０００８３)摘要:为保证厌氧消化长期稳定运行ꎬ提高反应底物的发酵效率ꎬ需对厌氧消化过程进行精准的监控ꎬ并对可能出现的风险进行预警ꎮ文章针对不同类型的发酵底物及运行条件ꎬ筛选出最佳预警指标并评估其预警性ꎬ建立预警指标体系ꎬ对于未来行业发展具有重要的指导意义ꎮ文章总结了国内外厌氧消化过程预警研究现状ꎬ分析了现有失稳预警指标及其特点ꎬ预警表征方法、过程监控方法与技术ꎬ同时提出了现有研究存在的问题与未来发展方向ꎮ关键词:厌氧消化ꎻ预警ꎻ抑制中图分类号:Ｓ２１６.４ꎻＴＱ９２０文献标志码:Ａ文章编号:１０００－１１６６(２０１９)０１－０００３－０６ＲｅｓｅａｒｃｈＡｄｖａｎｃｅｓｏｎＥａｒｌｙＷａｒｎｉｎｇＩｎｄｉｃａｔｏｒＳｙｓｔｅｍｆｏｒＡｎａｅｒｏｂｉｃＤｉｇｅｓｔｉｏｎ/ＷＵＹｉ￣ｒａｎꎬＤＵＡＮＮａꎬＬＩＮＣｏｎｇ/(ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＷａｔｅｒＲｅｓｏｕｒｃｅｓＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＣｈｉｎａＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＢｅｉｊｉｎｇ１０００８３ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｏｅｎｓｕｒｅｌｏｎｇ￣ｔｅｒｍｓｔａｂｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆａｎａｅｒｏｂｉｃｄｉｇｅｓｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｄｉｇｅｓｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙꎬｔｈｅａｃ￣ｃｕｒａｔｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｏｆｄｉｇｅｓｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｔｈｅｔｉｍｅｌｙｗａｒｎｉｎｇｆｏｒｐｏｓｓｉｂｌｅｒｉｓｋｓａｒｅｎｅｃｅｓｓａｒｙ.Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅꎬｉｔｉｓｏｆｇｒｅａｔｓｉｇ￣ｎｉｆｉｃａｎｃｅｆｏｒｉｎｄｕｓｔｒｙｔｏｓｃｒｅｅｎｏｕｔｔｈｅｍｏｓｔａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅｅａｒｌｙｗａｒｎｉｎｇｉｎｄｉｃａｔｏｒａｎｄａｓｓｅｓｓｉｔｓｗａｒｎｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｗｉｔｈｄｉｆ￣ｆｅｒｅｎｔｓｕｂｓｔｒａｔｅｓａｎｄｏｐｅｒａｔｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ.Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒꎬｔｈｅｓｔａｔｕｓｏｆｄｏｍｅｓｔｉｃａｎｄａｂｒｏａｄｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｅａｒｌｙｗａｒｎｉｎｇｆｏｒａｎ￣ａｅｒｏｂｉｃｄｉｇｅｓｔｉｏｎｗｅｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ.Ｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｉｎｄｉｃａｔｏｒｓａｎｄｔｈｅｉｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓꎬｗａｒｎｉｎｇｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓꎬａｓｗｅｌｌａｓｔｈｅｍｅｔｈｏｄａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｐｒｏｃｅｓｓｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇꎬｗｅｒｅａｌｌａｎａｌｙｚｅｄ.Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅꎬｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｐｒｏｂｌｅｍｓａｎｄｐｏｔｅｎ￣ｔｉａｌｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅｗｅｒｅｐｕｔｆｏｒｗａｎｄ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ａｎａｅｒｏｂｉｃｄｉｇｅｓｔｉｏｎꎻｅａｒｌｙｗａｒｎｉｎｇꎻｉｎｈｉｂｉｔｉｏｎ厌氧消化作为一种环境友好型的清洁能源生产方式ꎬ将环境保护和能源回收有机地结合在一起ꎮ它是多种微生物共同参与、分阶段有序进行的复杂串联代谢过程ꎬ包括水解反应、产酸反应、产乙酸反应、甲烷生成４个阶段ꎮ产甲烷菌对环境最敏感、代谢速率最慢ꎬ因此ꎬ甲烷生成阶段往往是厌氧消化过程的瓶颈ꎬ水解酸化与产甲烷两阶段一旦失去平衡ꎬ系统内便会表现为有机酸的积累ꎬ即系统酸化ꎬ随之甲烷生成受阻ꎬ二氧化碳分压增大ꎬ厌氧消化过程失败[１]ꎮ为保证厌氧消化过程的稳定性ꎬ实际工程中ꎬ发酵过程倾向于控制在较低的有机负荷[２]ꎬ为提高反应底物的发酵效率ꎬ实现及时的预警调节ꎬ需要对系统进行精准的监控ꎬ一套合理的预警指标体系极为关键ꎮ过程分析技术(ＰｒｏｃｅｓｓＡｎａｌｙｓｉｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＰＡＴ)的发展提高了监控方法的工艺水平ꎬ利用光谱、电化学等技术在线解密复杂的生物转化过程ꎬ使得厌氧消化过程控制更加灵敏、快捷ꎬ但仍需要一个精确的预警指标来划定界限[３]ꎮ厌氧消化过程失稳的早期预警指标研究受到世界各国的广泛关注ꎬ目前厌氧消化系统失稳预警指标主要集中在挥发性脂肪酸(ＶｏｌａｔｉｌｅＦａｔｔｙＡｃｉｄꎬＶＦＡ)、碱度及其综合指标、氢气分压、中间代谢产物以及微生物与酶活性等ꎮ针对不同的发酵情形ꎬ乙酸、氢气和二氧化碳作为甲烷生成的直接前体ꎬ通常具有一定的预警性ꎬ但对于不易降解的物质ꎬ气相指标较为迟缓ꎻ从原料成分角度来看ꎬ以碳水化合物为主要成分的原料代谢产物中短链ＶＦＡ的积累最为