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(cè)試，這標(biāo)志著大規(guī)模厭氧發(fā)酵系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性將得到保障，運(yùn)行效率將進(jìn)一步提高，對(duì)我國規(guī)?；託夤こ痰慕】蛋l(fā)展具有重要的推動(dòng)作用。
黨的十九大指出，我國社會(huì)主要矛盾已經(jīng)轉(zhuǎn)化為人民日益增長(zhǎng)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(duì)健康生活的追求愿望不斷攀升，對(duì)肉蛋奶等畜牧產(chǎn)品的需求量越來越大。在強(qiáng)勁的市場(chǎng)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(duì)大量蛋奶肉需求的同時(shí)，規(guī)模化畜禽養(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(dá)6.23億噸，根據(jù)畜禽污染物年度產(chǎn)生系數(shù)計(jì)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(dá)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(fèi)的同時(shí)，也嚴(yán)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(shì)。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(huì)造成極大地能源浪費(fèi)的同時(shí)，降低了環(huán)境質(zhì)量，成為“放錯(cuò)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(jī)廢棄物實(shí)現(xiàn)資源化、無害化利用，可達(dá)到能源二次回收與環(huán)境保護(hù)的雙重效果，是一種高效處理廢棄物的途徑。自七五計(jì)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(shí)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(cái)經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)小組第十四次會(huì)議時(shí)再次強(qiáng)調(diào)：加快推進(jìn)畜禽養(yǎng)殖廢棄物處理和資源化利用具有深遠(yuǎn)意義，要堅(jiān)持政府支持、企業(yè)主體、市場(chǎng)化運(yùn)作的方針，以沼氣和生物天然氣為主要處理方向，力爭(zhēng)在“十三五”期間，基本解決大規(guī)模畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)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)?；内厔?shì)。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(jì)投資達(dá)253億元，平均每處沼氣工程投資約為168.5萬元。對(duì)于沼氣工程這種投資巨大，經(jīng)濟(jì)效益預(yù)期較高的系統(tǒng)，保障其良好運(yùn)行在管理中尤為重要。但在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中，沼氣工程容易出現(xiàn)穩(wěn)定性異常現(xiàn)象，一旦系統(tǒng)嚴(yán)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(zhǎng)的時(shí)間，更嚴(yán)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(biāo)表征厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的穩(wěn)定性。雖然這些指標(biāo)便于監(jiān)測(cè)，但因其具有滯后性往往在系統(tǒng)發(fā)生異常一段時(shí)間之后才會(huì)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(shí)性和準(zhǔn)確性更能反映厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。
以VFA和TIC兩項(xiàng)指標(biāo)的檢測(cè)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)?；託夤こ痰膮捬醢l(fā)酵預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，運(yùn)動(dòng)控制器為下位機(jī)，結(jié)合傳感器與執(zhí)行器技術(shù)，檢測(cè)出表征厭氧發(fā)酵狀態(tài)的VFA和TIC兩項(xiàng)重要指標(biāo)；自身配備的清洗模塊可將滴定結(jié)束后的沼液殘?jiān)逑锤蓛?，為下一次檢測(cè)做準(zhǔn)備；利用嵌入的專家系統(tǒng)，判斷上述指標(biāo)所代表的運(yùn)行狀態(tài)并給出合理化處理建議；利用數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸功能，將檢測(cè)到的指標(biāo)、運(yùn)行狀態(tài)和處理建議通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到用戶手機(jī)端，及時(shí)通知用戶其沼氣工程的運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)出現(xiàn)運(yùn)行異常時(shí)，用戶可通過手機(jī)遠(yuǎn)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(jìn)料系統(tǒng)和攪拌系統(tǒng)的運(yùn)行，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)沼氣工程運(yùn)行異常的修復(fù)。該系統(tǒng)基于內(nèi)部的自動(dòng)運(yùn)行程序，可根據(jù)預(yù)設(shè)時(shí)間實(shí)現(xiàn)自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)預(yù)警，無需用戶手動(dòng)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)模化沼氣工程，適用范圍廣。該系統(tǒng)檢測(cè)的VFA和TIC兩項(xiàng)指標(biāo)，相對(duì)于傳統(tǒng)儀器檢測(cè)的指標(biāo)，更可及時(shí)、準(zhǔn)確地反應(yīng)沼氣工程厭氧發(fā)酵狀態(tài)，可靠性更高。同時(shí)該系統(tǒng)自身配備的進(jìn)樣模塊、清洗模塊和設(shè)定的自動(dòng)運(yùn)行程序?qū)崿F(xiàn)了自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)預(yù)警，高度的自動(dòng)化，在保障運(yùn)行穩(wěn)定的同時(shí)，也極大地降低了運(yùn)營成本。信息的遠(yuǎn)程發(fā)送，能夠讓用戶及時(shí)了解和控制其沼氣工程的運(yùn)行，使異常處理更具時(shí)效性。規(guī)?；託夤こ虆捬醢l(fā)酵預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng)將有力保障沼氣工程的運(yùn)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(qǐng)發(fā)明專利2項(xiàng)，申報(bào)軟件著作權(quán)2項(xiàng)。
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