成都生物所在典型有机废弃物高负荷厌氧消化失稳预警调控研究中取得系列进展
作者：李东
时间：2021-07-16
我国是人口大国和资源需求大国，对能源供应和环境保护有着极大的需求。我国拥有极其丰富的秸秆、粪污、垃圾、糟渣等各类生产生活有机废弃物，相应的生物天然气资源潜力为1500亿立方米，但是我国目前对天然气进口的依赖程度仍日益扩大。2019年12月4日，国家能源局印发《关于促进生物天然气产业化发展的指导意见》，《意见》提出，2025年，生物天然气具备一定规模，形成绿色低碳清洁可再生燃气新兴产业，生物天然气年产量超过100亿立方米。到2030年，生物天然气实现稳步发展。规模位居世界前列，生物天然气年产量超过200亿立方米，占国内天然气产量一定比重。
然而，从我国在运行的沼气或生物天然气工程来看，目前的工程技术难以支撑这样一个雄心勃勃的产业目标。其中，工程运行稳定性是一个重要挑战，尤其是在高负荷处理条件下的厌氧消化运行稳定性。为了降低单位处理成本或是提高单位投资效益，也就是为了提高容积产气率，沼气或生物天然气工程通常需要在高负荷条件下运行；而高负荷厌氧消化容易产生挥发酸抑制、氨中毒、起泡等不稳定因素，导致系统失稳、甚至崩溃。
为解决高负荷厌氧消化稳定运行的难题，中国科学院成都生物研究所生物质能源项目组李东研究员，带领团队历时八年，以易酸化蔬菜垃圾、高氨氮鸡粪、高粘度酱香型酒糟等典型有机废弃物为原料，开展高负荷厌氧消化失稳预警调控研究，取得了系列研究进展，包括：
（1）解析了典型有机废弃物在高负荷条件下的厌氧消化失稳机制；
（2）绘制了基于氨氮—挥发酸—pH三元体系的厌氧消化抑制区域图；
（3）分析了不同废弃物在不同条件下的微生物差异性和代谢机理；
（4）筛选了典型原料中、高温厌氧消化失稳预警指标，能够对系统失稳提前20天以上做出预警，同时确定了一般失稳和重度失稳阈值。例如，蔬菜垃圾的失稳预警指标为甲烷与二氧化碳比值，鸡粪中温厌氧消化的失稳预警指标为氧化还原电位，鸡粪高温厌氧消化的失稳预警指标为正丁酸与异丁酸比值，酱香型酒糟厌氧消化的失稳预警指标为粘度。
（5）针对系统失稳提出了稳定调控策略，保障系统的高负荷稳定运行。
以上研究成果已经应用于多座沼气和生物天然气工程，今后将继续推广应用，为我国沼气和生物天然气产业的发展提供技术支撑。
系列成果发表在Water research、Bioresource Technology、Energy、Renewable Energy、Biodegradation、Bioprocess and Biosystems Engineering。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国科学院/四川省委组织部“西部之光”、中国科学院青年创新促进会等的支持。
