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中國農(nóng)大自主研發(fā)的沼氣工程厭氧發(fā)酵預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng)成功通過測試

2017-11-23 11:06:00    張相雨

2017年11月10日,由中國農(nóng)業(yè)大學(xué)生物能源環(huán)境科學(xué)與技術(shù)研究室董仁杰教授和吳樹彪副教授帶領(lǐng)其研究小組,歷經(jīng)5年自主研發(fā)的規(guī)?;託夤こ虆捬醢l(fā)酵預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng)成功通過測試,這標志著大規(guī)模厭氧發(fā)酵系統(tǒng)運行穩(wěn)定性將得到保障,運行效率將進一步提高,對我國規(guī)?;託夤こ痰慕】蛋l(fā)展具有重要的推動作用。

黨的十九大指出,我國社會主要矛盾已經(jīng)轉(zhuǎn)化為人民日益增長的美好生活需要和不平衡不充分的發(fā)展之間的矛盾。人們對健康生活的追求愿望不斷攀升,對肉蛋奶等畜牧產(chǎn)品的需求量越來越大。在強勁的市場需求下,我國規(guī)?;图s化畜牧業(yè)、種植業(yè)得到了迅速發(fā)展。然而,在滿足人們對大量蛋奶肉需求的同時,規(guī)?;笄蒺B(yǎng)殖業(yè)也將產(chǎn)生大量的畜禽廢棄物,2013年全國畜禽糞便污染總量達6.23億噸,根據(jù)畜禽污染物年度產(chǎn)生系數(shù)計算,2017年將產(chǎn)生豬糞尿污染物約為7641億噸。作為人畜食物來源的種植業(yè),我國每年產(chǎn)生的農(nóng)作物秸稈總量達到了全球秸稈總量的20%左右,由于農(nóng)作物秸稈年產(chǎn)出量與消耗量的失衡,大量秸稈都被就地焚燒或者作為傳統(tǒng)燃料,導(dǎo)致大量資源浪費的同時,也嚴重污染了環(huán)境。而伴隨人們飲食水平提高的,還有餐廚垃圾的大量產(chǎn)生,我國餐廚垃圾占城市生活垃圾總量的37%~62%,并且呈逐年上升趨勢。每年大量的畜禽廢棄物、農(nóng)作物秸稈和餐廚垃圾如果處理不當(dāng),將會造成極大地能源浪費的同時,降低了環(huán)境質(zhì)量,成為“放錯地方的資源”。

厭氧發(fā)酵技術(shù)能夠?qū)⑿笄菁S便、農(nóng)作物秸稈和餐廚垃圾等有機廢棄物實現(xiàn)資源化、無害化利用,可達到能源二次回收與環(huán)境保護的雙重效果,是一種高效處理廢棄物的途徑。自七五計劃開始,在毛澤東主席的批示下,國家大力發(fā)展戶用小型沼氣工程,為當(dāng)時我國農(nóng)村資源的有效利用和能源供給提供了有力保障。2016年12月,習(xí)近平總書記在主持召開中央財經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)小組第十四次會議時再次強調(diào):加快推進畜禽養(yǎng)殖廢棄物處理和資源化利用具有深遠意義,要堅持政府支持、企業(yè)主體、市場化運作的方針,以沼氣和生物天然氣為主要處理方向,力爭在“十三五”期間,基本解決大規(guī)模畜禽養(yǎng)殖場糞污處理和資源化問題。我國沼氣工程在政府的大力支持下發(fā)展迅速,并越來越凸顯出集約化和規(guī)模化的趨勢。截至2013年,我國已建成處理農(nóng)業(yè)廢棄物的大型沼氣工程5246處、中型沼氣工程9767處,累計投資達253億元,平均每處沼氣工程投資約為168.5萬元。對于沼氣工程這種投資巨大,經(jīng)濟效益預(yù)期較高的系統(tǒng),保障其良好運行在管理中尤為重要。但在實際生產(chǎn)運行中,沼氣工程容易出現(xiàn)穩(wěn)定性異?,F(xiàn)象,一旦系統(tǒng)嚴重失穩(wěn),重新恢復(fù)不僅需要較大的資金投入,還需要較長的時間,更嚴重的甚至無法恢復(fù)。目前沼氣工程普遍采用甲烷產(chǎn)量、產(chǎn)氣速率、pH值等常規(guī)指標表征厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的穩(wěn)定性。雖然這些指標便于監(jiān)測,但因其具有滯后性往往在系統(tǒng)發(fā)生異常一段時間之后才會被發(fā)現(xiàn)。揮發(fā)性脂肪酸(VFA)質(zhì)量濃度、碳酸氫鹽堿度(TIC)和兩者的比值(VFA/TIC)因其及時性和準確性更能反映厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的運行狀態(tài)。

以VFA和TIC兩項指標的檢測為導(dǎo)向,中國農(nóng)業(yè)大學(xué)最終研發(fā)出一套應(yīng)用于規(guī)模化沼氣工程的厭氧發(fā)酵預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用工業(yè)控制計算機作為上位機,運動控制器為下位機,結(jié)合傳感器與執(zhí)行器技術(shù),檢測出表征厭氧發(fā)酵狀態(tài)的VFA和TIC兩項重要指標;自身配備的清洗模塊可將滴定結(jié)束后的沼液殘渣清洗干凈,為下一次檢測做準備;利用嵌入的專家系統(tǒng),判斷上述指標所代表的運行狀態(tài)并給出合理化處理建議;利用數(shù)據(jù)遠程傳輸功能,將檢測到的指標、運行狀態(tài)和處理建議通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到用戶手機端,及時通知用戶其沼氣工程的運行狀態(tài);當(dāng)出現(xiàn)運行異常時,用戶可通過手機遠程回復(fù)相應(yīng)處理建議,通過該系統(tǒng)本地的I/O口控制進料系統(tǒng)和攪拌系統(tǒng)的運行,進而實現(xiàn)沼氣工程運行異常的修復(fù)。該系統(tǒng)基于內(nèi)部的自動運行程序,可根據(jù)預(yù)設(shè)時間實現(xiàn)自動在線監(jiān)測預(yù)警,無需用戶手動干預(yù)。

規(guī)?;託夤こ虆捬醢l(fā)酵預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng)可應(yīng)用于畜禽廢棄物、農(nóng)作物秸稈以及餐廚垃圾等不同發(fā)酵原料的規(guī)?;託夤こ?,適用范圍廣。該系統(tǒng)檢測的VFA和TIC兩項指標,相對于傳統(tǒng)儀器檢測的指標,更可及時、準確地反應(yīng)沼氣工程厭氧發(fā)酵狀態(tài),可靠性更高。同時該系統(tǒng)自身配備的進樣模塊、清洗模塊和設(shè)定的自動運行程序?qū)崿F(xiàn)了自動在線監(jiān)測預(yù)警,高度的自動化,在保障運行穩(wěn)定的同時,也極大地降低了運營成本。信息的遠程發(fā)送,能夠讓用戶及時了解和控制其沼氣工程的運行,使異常處理更具時效性。規(guī)模化沼氣工程厭氧發(fā)酵預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng)將有力保障沼氣工程的運行效率,助力我國規(guī)?;託夤こ痰陌l(fā)展。目前,研究小組在該領(lǐng)域共培養(yǎng)出碩士研究生3名,發(fā)表學(xué)術(shù)論文8篇,申請發(fā)明專利2項,申報軟件著作權(quán)2項。

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