CN111733070A - 碱度与pH在线监测厌氧发酵酸化的双控系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种碱度与pH在线监测厌氧发酵酸化的双控系统及方法，属于环保及可再生能源技术领域。该系统包括厌氧反应器、搅拌装置、计算控制器、蜂鸣器、pH在线监测电极、电导率在线监测电极、氧化还原电位在线监测电极、缓冲液控制器、补液罐及进液管，该发明利用人工神经网络技术实现碱度的在线监测，将碱度在线监测技术应用于厌氧发酵系统的实时监测中，能够对厌氧发酵系统中缓冲能力下降的问题进行及时预警，并通过缓冲液自动补充系统迅速调节，有效预防厌氧发酵过程中发生酸化。该发明整套设备操作简便，经济安全，节省大量人力，并且有效提高了厌氧发酵工程的经济效益和产能效率。

Description

碱度与pH在线监测厌氧发酵酸化的双控系统及方法
技术领域
本发明涉及环保及可再生能源技术领域，特别是指一种碱度与pH在线监测厌氧发酵酸化的双控系统及方法。
背景技术
能源的合理利用已成为影响和制约人类可持续发展的重要问题。生物质能源属于可再生能源，是目前国家重点鼓励的新能源发展领域。其中，混合发酵为农作物秸秆和人畜粪便等有机废弃物的资源化利用提供了有效途径，是实现农业废弃物资源化利用的重要途径。多种物料混合厌氧发酵技术，可避免单一原料厌氧发酵缺陷，提高沼气发酵产气效率，从而高效率地解决环境污染与能源生产问题。
实际工程应用中，由于季节变化等客观因素的影响，物料性质易波动，导致混合发酵系统内部碳氮比和系统的缓冲能力不稳定，从而容易引起酸化问题，导致系统崩溃。混合发酵中非产甲烷菌降解有机物的过程可产生大量的挥发性脂肪酸(VFA)和CO2，明显降低系统pH；而产甲烷菌则在利用乙酸、甲酸、氢形成甲烷的过程中消耗酸和CO2。两者的共同作用可使反应体系内pH稳定在一个适宜的范围内，并使有机物顺利地分解，产生甲烷。然而，相对于非产甲烷菌而言，产甲烷菌对温度、pH、碱度、碳氮比及有毒物质等均很敏感，各种因素的适宜范围均较窄，要求更加苛刻。所以当系统中温度、pH、碱度等影响因素或者有机负荷剧烈变化时，产甲烷菌的活性会受到一定程度抑制，而非产甲烷菌活性所受的影响较小，其产生的VFA不能全部被产甲烷菌利用，使得厌氧体系内VFA大量积累，两大类细菌的代谢平衡被破坏。因而温度、pH、碱度、碳氮比等条件均能导致酸化问题。发生酸化的系统内，VFA大量累积，抑制了产甲烷菌的活性。甚至，研究表明当VFA超过8.87mmol/L时，产甲烷菌大量死亡。酸化问题是制约高效厌氧发酵效能提升和稳定运行的关键因素。
虽然，pH是后续厌氧发酵稳定性的最佳指示参数，但是当系统内可检测到的pH值已经超出合理范围，系统内部已经发生酸化，很难逆转。pH作为微生物发酵活性的指示剂，主要依赖于CO2的分压和发酵液中酸碱物质的平衡，而碱度能够稳定发酵液的pH值，它反应了发酵系统的缓冲能力。当碱度降低，超出阈值，预示着系统缓冲能力下降，将产生酸化问题。如果能够及时检测到系统内碱度降低，可在pH开始下降之前对系统进行维护，补充碱度，调节系统平衡，可有效预防厌氧发酵中的酸化问题。但是，目前并没有可以实现碱度实时在线监测的设备，比如类似pH在线监测的探头。
为解决上述问题，本发明提出一种碱度与pH在线监测厌氧发酵酸化的双控系统与方法，同时在线监控发酵液的pH与碱度，既能表征厌氧发酵系统的稳定性，同时又能及时预警可能发生的酸化问题。为解决碱度在线监测的难题，本发明利用人工神经网络技术，通过数值模拟方法，实现了碱度实时在线监测。本发明不仅可以稳定系统运行，提高物料利用率，同时避免经济损失，提高实际工程的生产效率和经济效益。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种碱度与pH在线监测厌氧发酵酸化的双控系统及方法，对厌氧发酵系统中缓冲能力下降的问题进行及时预警，并通过缓冲液自动补充系统迅速调节，有效预防厌氧发酵过程中发生酸化。
该系统包括厌氧反应器、碱度和pH在线监测系统、缓冲液自动补充系统，其中，碱度和pH在线监测系统包括计算控制器、蜂鸣器、pH在线监测电极、电导率在线监测电极和氧化还原电位在线监测电极，缓冲液自动补充系统包括缓冲液控制器、补液罐及进液管，厌氧反应器内设置搅拌装置，厌氧反应器左侧设置进液管与补液罐相连，厌氧反应器右侧设置pH在线监测电极、电导率在线监测电极和氧化还原电位在线监测电极，pH在线监测电极、电导率在线监测电极和氧化还原电位在线监测电极与计算控制器相连，计算控制器上设置蜂鸣器，缓冲液控制器一端与补液罐相连，另一端与计算控制器相连。
计算控制器包括可编程控制器、数据输入端和数据输出端，其中，可编程控制器含经过校验的碱度人工神经网络模型，数据输入端含数据采集卡。
pH在线监测电极、电导率在线监测电极和氧化还原电位在线监测电极的探头均置于厌氧反应器液面下。
计算控制器当碱度值降至1000mg/L以下或pH值低于6.5时，向缓冲液控制器发出信号。
系统通过搅拌装置使缓冲液均匀分布在厌氧反应器中，系统缓冲能力恢复正常，通过计算控制器的调节，蜂鸣器解除预警，缓冲液控制器重新处于静态，完成一次厌氧发酵系统缓冲能力的调节。
补液罐、进液管、搅拌装置、在线监测电极材料均采用耐腐蚀材料。
应用该发明的方法，包括步骤如下：
S1：向厌氧反应器内添加农作物秸秆、人畜粪便或其它有机垃圾的单独或混合物料，反应开始前调节其pH为7-7.5之间，固体浓度为6％-10％，温度保持在37±1℃或55±1℃；
S2：厌氧发酵反应开始进行，通过厌氧反应器内的搅拌装置将物料混合均匀，通过分别设置在厌氧反应器内的pH在线监测电极、电导率在线监测电极和氧化还原电位在线监测电极，并将数据实时传输至计算控制器内的数据输入端；
S3：计算控制器内预先设置了经过校验的碱度人工神经网络模型，数据输入端将pH、电导率EC和氧化还原电位ORP的数据值输入碱度人工神经网络模型，实时计算碱度值。计算控制器上的液晶显示屏分别显示实时的pH值和碱度值，并绘出即时波动曲线；
S4：碱度均值在1000-2000mg/L的范围内、并且pH在6.5～8.5的范围内，进行S5，否则进行S6；
S5：蜂鸣器和缓冲液控制器处于静态，返回S3；
S6：计算控制器向蜂鸣器发出信号，蜂鸣器发声预警，当碱度均值低于1000mg/L或pH低于6.5时，进行S7；
S7：计算控制器向缓冲液控制器发出信号，缓冲液控制器启动，向补液罐内的电磁阀发出开关信号，通过流量与时间累积值经进液管向厌氧反应器内投加定量的缓冲液，在缓冲液补充一次完毕及缓冲液发挥作用的一个周期10min内，计算控制器不再向其发出工作信号，返回S3。
其中，S6中碱度为有效碱度，即为反应体系以pH为6.5为终点中和强酸的能力。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，本发明可实现全天24h无人值守自动对厌氧发酵系统进行碱度和pH的双重监控，通过计算控制器自动分析系统内碱度和pH变化情况，当碱度或pH不在有效阈值范围内时，系统发出酸化预警，并向缓冲液控制器发出工作信号，使其自动计算缓冲液添加量并控制补液罐及时向厌氧反应器内投加缓冲液，系统恢复正常运行，在产甲烷菌失活之前快速恢复系统的缓冲能力，预防酸化问题。整套设备操作简便，经济安全，节省大量人力，并且有效提高了厌氧发酵工程的经济效益和产能效率。
附图说明
图1为本发明系统的结构示意图。
其中：1-厌氧反应器，2-搅拌装置，3-计算控制器，4-蜂鸣器，5-pH在线监测电极，6-电导率在线监测电极，7-氧化还原电位在线监测电极，8-缓冲液控制器，9-补液罐，10-进液管。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种碱度与pH在线监测厌氧发酵酸化的双控系统及方法。
如图1所示，该系统包括厌氧反应器1、碱度和pH在线监测系统、缓冲液自动补充系统，碱度和pH在线监测系统包括计算控制器3、蜂鸣器4、pH在线监测电极5、电导率在线监测电极6和氧化还原电位在线监测电极7，缓冲液自动补充系统包括缓冲液控制器8、补液罐9及进液管10，厌氧反应器1内设置搅拌装置2，厌氧反应器1左侧设置进液管10与补液罐9相连，厌氧反应器1右侧设置pH在线监测电极5、电导率在线监测电极6和氧化还原电位在线监测电极7，pH在线监测电极5、电导率在线监测电极6和氧化还原电位在线监测电极7与计算控制器3相连，计算控制器3上设置蜂鸣器4，缓冲液控制器8一端与补液罐9相连，另一端与计算控制器3相连。
计算控制器3包括可编程控制器、数据输入端和数据输出端，其中，可编程控制器含经过校验的碱度人工神经网络模型，数据输入端含数据采集卡。
pH在线监测电极5、电导率在线监测电极6和氧化还原电位在线监测电极7的探头均置于厌氧反应器1液面下。
计算控制器3当碱度值降至1000mg/L或pH值低于6.5时，向缓冲液控制器8发出信号，碱度为有效碱度，即为反应体系以pH为6.5为终点中和强酸的能力。
系统通过搅拌装置2使缓冲液均匀分布在厌氧反应器1中，系统缓冲能力恢复正常，通过计算控制器3的调节，蜂鸣器4解除预警，缓冲液控制器8重新处于静态，完成一次厌氧发酵系统缓冲能力的调节。
补液罐9、进液管10、搅拌装置2、在线监测电极材料均采用耐腐蚀材料。
缓冲液采用1mol/L碳酸氢钠缓冲液，运行过程中注意及时补充更新缓冲液，缓冲液控制器8外部设有可触控操作的液晶显示屏，反应前预先设置厌氧反应器1的有效容积，此外液晶屏还显示缓冲液控制器8的工作状态(红色为动态，绿色为静态)及动态时的缓冲液投加量。
实际应用该发明的方法，具体包括步骤如下：
S1：向厌氧反应器1内添加农作物秸秆、人畜粪便或其它有机垃圾的单独或混合物料，反应开始前调节其pH为7-7.5之间，固体浓度为6％-10％，温度保持在37±1℃或55±1℃；
S2：厌氧发酵反应开始进行，通过厌氧反应器1内的搅拌装置2将物料混合均匀，通过分别设置在厌氧反应器1内的pH在线监测电极5、电导率在线监测电极6和氧化还原电位在线监测电极7，并将数据实时传输至计算控制器内3的数据输入端；
S3：计算控制器3内预先设置了经过校验的碱度人工神经网络模型，数据输入端将pH、EC和ORP的数据值输入碱度人工神经网络模型，实时计算碱度值。计算控制器3上的液晶显示屏分别显示实时的pH值和碱度值，并绘出即时波动曲线；
S4：碱度均值在1000-2000mg/L的范围内、并且pH在6.5～8.5的范围内，进行S5，否则进行S6；
S5：蜂鸣器4和缓冲液控制器8处于静态，返回S3；
S6：计算控制器3向蜂鸣器4发出信号，蜂鸣器4发声预警，当碱度均值低于1000mg/L或pH低于6.5时，进行S7；
S7：计算控制器3向缓冲液控制器8发出信号，缓冲液控制器8启动，向补液罐9内的电磁阀发出开关信号，通过流量与时间累积值经进液管向厌氧反应器内投加定量的缓冲液，在缓冲液补充一次完毕及缓冲液发挥作用的一个周期10min内，计算控制器不再向其发出工作信号，返回S3。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种碱度与pH在线监测厌氧发酵酸化的双控系统，其特征在于：包括厌氧反应器(1)、碱度和pH在线监测系统、缓冲液自动补充系统，其中，碱度和pH在线监测系统包括计算控制器(3)、蜂鸣器(4)、pH在线监测电极(5)、电导率在线监测电极(6)和氧化还原电位在线监测电极(7)，缓冲液自动补充系统包括缓冲液控制器(8)、补液罐(9)及进液管(10)，厌氧反应器(1)内设置搅拌装置(2)，厌氧反应器(1)左侧设置进液管(10)与补液罐(9)相连，厌氧反应器(1)右侧设置pH在线监测电极(5)、电导率在线监测电极(6)和氧化还原电位在线监测电极(7)，pH在线监测电极(5)、电导率在线监测电极(6)和氧化还原电位在线监测电极(7)与计算控制器(3)相连，计算控制器(3)上设置蜂鸣器(4)，缓冲液控制器(8)一端与补液罐(9)相连，另一端与计算控制器(3)相连。
2.根据权利要求1所述的碱度与pH在线监测厌氧发酵酸化的双控系统，其特征在于：所述计算控制器(3)包括可编程控制器、数据输入端和数据输出端，其中，可编程控制器含经过校验的碱度人工神经网络模型，数据输入端含数据采集卡。
3.根据权利要求1所述的碱度与pH在线监测厌氧发酵酸化的双控系统，其特征在于：所述pH在线监测电极(5)、电导率在线监测电极(6)和氧化还原电位在线监测电极(7)的探头均置于厌氧反应器(1)液面下。
4.根据权利要求1所述的碱度与pH在线监测厌氧发酵酸化的双控系统，其特征在于：所述计算控制器(3)当碱度值降至1000mg/L以下或pH值低于6.5时，向缓冲液控制器(8)发出信号。
5.根据权利要求4所述的碱度与pH在线监测厌氧发酵酸化的双控系统，其特征在于：所述计算控制器(3)调解系统的缓冲能力，当系统缓冲能力恢复正常时，蜂鸣器(4)解除预警，缓冲液控制器(8)重新处于静态，完成一次厌氧发酵系统缓冲能力的调节。
6.根据权利要求1所述的碱度与pH在线监测厌氧发酵酸化的双控系统，其特征在于：所述补液罐(9)、进液管(10)、搅拌装置(2)、pH在线监测电极、电导率在线监测电极、氧化还原电位在线监测电极均采用耐腐蚀材料制成。
7.应用权利要求1所述的碱度与pH在线监测厌氧发酵酸化的双控系统的方法，其特征在于：包括步骤如下：
S1：向厌氧反应器(1)内添加有机垃圾物料，反应开始前调节pH为7-7.5之间，固体浓度为6％-10％，温度保持在37±1℃或55±1℃；
S2：厌氧发酵反应开始进行，通过厌氧反应器(1)内的搅拌装置(2)将物料混合均匀，通过分别设置在厌氧反应器(1)内的pH在线监测电极(5)、电导率在线监测电极(6)和氧化还原电位在线监测电极(7)进行监测，并将数据实时传输至计算控制器内(3)的数据输入端；
S3：计算控制器(3)内预先设置了经过校验的碱度人工神经网络模型，数据输入端将pH、电导率和氧化还原电位的数据值输入碱度人工神经网络模型，实时计算碱度值；计算控制器(3)上的液晶显示屏分别显示实时的pH值和碱度值，并绘出即时波动曲线；
S4：碱度均值在1000-2000mg/L的范围内、并且pH在6.5～8.5的范围内，进行S5，否则进行S6；
S5：蜂鸣器(4)和缓冲液控制器(8)处于静态，返回S3；
S6：计算控制器(3)向蜂鸣器(4)发出信号，蜂鸣器(4)发声预警，当碱度均值低于1000mg/L或pH低于6.5时，进行S7；
S7：计算控制器(3)向缓冲液控制器(8)发出信号，缓冲液控制器(8)启动，向补液罐(9)内的电磁阀发出开关信号，通过流量与时间累积值经进液管向厌氧反应器内投加定量的缓冲液，在缓冲液补充一次完毕及缓冲液发挥作用的一个周期10min内，计算控制器不再向其发出工作信号，返回S3。
8.根据权利要求7所述的碱度与pH在线监测厌氧发酵酸化的双控系统的应用方法，其特征在于：所述S6中碱度为有效碱度，即为反应体系以pH为6.5为终点中和强酸的能力。
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