厭氧發(fā)酵在線監(jiān)控技術(shù)研究進展

焦靜, 鄭勇, 李尊香, 黃小紅, 杜嵇華, 鄭金

(1.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)機械研究所， 廣東 湛江 524091； 2.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院南亞熱帶作物研究所， 廣東 湛江 524091；3.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院橡膠研究所， 海口 571101)

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，能源需求壓力巨大，開發(fā)利用可再生能源已成為落實科學發(fā)展觀、建設(shè)資源節(jié)約型社會、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的基本要求，也是我國推動能源轉(zhuǎn)型的重要措施[1-2]。沼氣主要是利用畜禽糞便、農(nóng)業(yè)秸稈和工業(yè)有機廢水等進行厭氧發(fā)酵或者利用城市生活垃圾填埋得到的一種可再生能源，是生物質(zhì)能利用的一個重要途徑[3]。厭氧發(fā)酵是一種成熟的能源化技術(shù)，將有機物轉(zhuǎn)化成沼氣后，便于輸送和儲存，熱值高，燃燒污染小，用途廣泛[4]。利用沼氣厭氧發(fā)酵技術(shù)處理大批量廢棄物仍是我國可再生能源利用和環(huán)境保護切實有效的措施。

近年來，黨中央、國務(wù)院高度重視發(fā)展沼氣事業(yè)，不斷優(yōu)化投資結(jié)構(gòu)，先后發(fā)布了《可再生能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》《全國農(nóng)村沼氣發(fā)展“十三五”規(guī)劃》等系列文件，重點支持規(guī)模化大型沼氣工程項目建設(shè)[5]。但厭氧發(fā)酵是一個復(fù)雜、多變的微生物學過程。相對于實驗室研究，規(guī)模化沼氣發(fā)酵的干擾因素更多，調(diào)控更加困難[6]。因此，發(fā)酵數(shù)據(jù)的在線采集和精準調(diào)控成為沼氣工程穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。如果能夠及時準確地掌握和調(diào)節(jié)發(fā)酵關(guān)鍵參數(shù)，則可以有效提升沼氣工程運行效率和穩(wěn)定性。

厭氧發(fā)酵在線監(jiān)控是對發(fā)酵參數(shù)進行實時采集、統(tǒng)計、分析以及科學決策，并反饋到監(jiān)控平臺，以保證發(fā)酵工藝的正確性和精準性[7-8]。德國、瑞典等歐洲發(fā)達國家在沼氣發(fā)酵在線檢測及控制方面處于世界第一水平[9-10]。與國外相比，我國厭氧發(fā)酵技術(shù)無論是發(fā)酵工藝，還是在線監(jiān)控技術(shù)，仍然處于一個較低的水平，沼氣工程整體運行效率不高，因此，有必要通過加強在線監(jiān)控技術(shù)研究，促進沼氣工程高效運行。本文重點論述了當前厭氧發(fā)酵在線監(jiān)測的主要參數(shù)、監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及應(yīng)用情況、分析了厭氧發(fā)酵存在的問題及未來發(fā)展方向等，詳細梳理了厭氧發(fā)酵在線監(jiān)控技術(shù)研究進展，旨在為下一步精準化研究和提升我國厭氧發(fā)酵在線監(jiān)控技術(shù)水平提供參考。

1 厭氧發(fā)酵工藝概述

厭氧發(fā)酵工藝是一種既產(chǎn)能又環(huán)保的工藝，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于畜禽糞污、農(nóng)業(yè)秸稈、廢水、有機固體垃圾處理等領(lǐng)域[11]。厭氧發(fā)酵工藝主要可以分為以下幾類：根據(jù)發(fā)酵溫度不同，可以分為常溫、中溫和高溫發(fā)酵[12]；根據(jù)發(fā)酵物料中固含量的不同，可以分為濕式和干式發(fā)酵[2]；按照進出料方式不同，可以分為連續(xù)式和序批式發(fā)酵[13]；按照發(fā)酵過程是否在同一反應(yīng)器中完成，可以分為單相和兩相發(fā)酵[14]；按照厭氧發(fā)酵反應(yīng)器類型可分為全混式反應(yīng)器(continuous stirred tank reactor，CSTR)、塞流式反應(yīng)器(plug flow reactor，PFR)、升流式厭氧污泥床反應(yīng)器(up-flow anaerobic sludge bed，UASB)、升流式固體反應(yīng)器(up-flow anaerobic solid reactor，UASR)、豎向推流式厭氧反應(yīng)器(vertical push-flow anaerobic reactor，VPF)、橫推流式連續(xù)干發(fā)酵等多種類型[15]。目前，我國普遍應(yīng)用的是CSTR發(fā)酵工藝，其工藝技術(shù)更為成熟。典型厭氧發(fā)酵工藝流程如圖1所示。

圖1 典型厭氧發(fā)酵工藝流程Fig.1 Typical anaerobic fermentation process flow

2 厭氧發(fā)酵在線監(jiān)測主要參數(shù)

厭氧發(fā)酵過程是在多種微生物的協(xié)同作用下，多步驟、有序的、分階段的代謝過程，影響厭氧發(fā)酵過程中各種代謝因子對其穩(wěn)定性影響的主要參數(shù)包括液相參數(shù)、氣相參數(shù)和固相參數(shù)[16-17]。由于固相參數(shù)測定方法較為復(fù)雜，故多為離線人工測定，在線監(jiān)測的參數(shù)主要為液相參數(shù)和氣相參數(shù)。

2.1 液相參數(shù)監(jiān)測

2.1.1溫度 溫度是影響厭氧發(fā)酵最重要的因素之一，適宜的溫度可以保證厭氧微生物的生存及代謝，是保證沼氣工程高效、穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。研究表明，厭氧發(fā)酵的適宜溫度為35 ℃(中溫)和55 ℃(高溫)[18]。溫度過低或者過高都會抑制微生物的增長，破壞發(fā)酵系統(tǒng)的平衡，最終導致產(chǎn)氣量和甲烷含量降低。溫度檢測中最常用的測溫元件包括熱電偶和熱電阻2種。與熱電偶相比，熱電阻的主要特點是測量精度高、機械強度高、性能可靠穩(wěn)定，其中鉑熱電阻的測量精確度最高，能達到AA級，允許誤差最大為±0.1 ℃。熱電阻不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測溫，而且被制成標準的基準儀，可用于厭氧發(fā)酵溫度在線監(jiān)測[19-20]。

2.1.2pH 發(fā)酵液的 pH 是反映產(chǎn)酸相是否酸化成功的標志，對厭氧發(fā)酵的穩(wěn)定高效運行有重要作用。厭氧發(fā)酵包括水解、產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷3個階段，如果產(chǎn)酸與產(chǎn)甲烷的速度失調(diào)就會引起揮發(fā)酸的積累，導致pH下降，造成厭氧發(fā)酵啟動失敗或終止[21]。一般來說，反應(yīng)器的pH范圍在6.8～7.2之間最好，當 pH<6.5或>8.2時，產(chǎn)甲烷菌會受到嚴重抑制。通常采用電化學法進行pH測量，檢測電極由低阻抗玻璃敏感膜制成，具有操作簡單、響應(yīng)快、熱穩(wěn)定性好和應(yīng)用范圍廣的特點[22-23]。

2.1.3氧化還原電位 氧化還原電位(oxidation-reduction potentiometer，ORP)用于表征厭氧發(fā)酵系統(tǒng)所處的厭氧狀態(tài)。氧化還原電位的高低對產(chǎn)甲烷菌的影響極其明顯[24]。在厭氧發(fā)酵過程中，發(fā)酵料液應(yīng)具有較低的氧化還原電位并保持在一定濃度范圍內(nèi)。厭氧消化初期，中溫體系ORP值為-500 mV以下，隨著負荷量的增大，ORP值逐漸升高，ORP值越大，說明發(fā)酵系統(tǒng)的氧化水平越高，會影響發(fā)酵過程的正常進行[25]。ORP通常用鉑電極直接測定，它同時受發(fā)酵溫度、pH等因素的影響。

2.1.4液位 對于發(fā)酵控制系統(tǒng)來說，液位監(jiān)測主要用于沉降池、調(diào)節(jié)池、發(fā)酵罐等多種裝備，是為了保證沼氣發(fā)酵生產(chǎn)的平穩(wěn)運行，防止溢流問題[26]。發(fā)酵物料特性、高度、罐體大小等都會對液位產(chǎn)生影響，沼氣工程上常用的液位傳感器可分為浮子式、磁致伸縮式、電容式、壓力式、超聲波式以及雷達式幾大類[27]。通常厭氧發(fā)酵的物料濃度在5%左右，最高可達30%，干物質(zhì)會在一定程度上干擾液位傳感器，一般應(yīng)選取靈敏度較高的紅外線液位傳感器，它無機械運動部件，可以實現(xiàn)±0.5 mm高精度液位控制，可靠性更高。

2.1.5揮發(fā)性脂肪酸 揮發(fā)性脂肪酸(volatile fatty acid，VFA)是厭氧發(fā)酵過程的重要中間產(chǎn)物，能反映出甲烷菌的不活躍狀態(tài)或反應(yīng)器操作條件的惡化，較高的VFA濃度對產(chǎn)甲烷菌有抑制作用[28]。因此，長期以來，系統(tǒng)中VFA濃度都是準確控制厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的重要參數(shù)之一。有研究表明，當厭氧發(fā)酵運行狀態(tài)不好時，丙酸和丁酸的濃度會上升，比pH變化反應(yīng)更快[29]。VFA指標的時效性非常重要，采樣后應(yīng)立即測定，并根據(jù)測定結(jié)果采取相應(yīng)措施。因此，在線監(jiān)測獲得實時數(shù)據(jù)十分必要，但目前沼氣工程中VFA的監(jiān)測還是以人工取樣離線檢測為主，未能實現(xiàn)在線監(jiān)測。

2.1.6氨氮濃度 適宜的氨氮濃度可以保證厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，高氨氮濃度是厭氧發(fā)酵中常遇到的難題，氨氮濃度過高會對發(fā)酵系統(tǒng)中的微生物菌落結(jié)構(gòu)和活性產(chǎn)生影響，從而破壞整個發(fā)酵系統(tǒng)的平衡[30]。由于產(chǎn)甲烷菌比水解產(chǎn)酸菌對氨氮濃度更加敏感，因此高氨氮濃度對產(chǎn)甲烷菌的影響更為顯著[31]。氨氮濃度在線監(jiān)測的方法主要有納氏試劑分光光度法、水楊酸分光光度法和氨氣敏電極法3種[32]，多用于水質(zhì)監(jiān)測，其監(jiān)測量程較小，沼氣工程中氨氮濃度的在線監(jiān)測還未得到很好解決。

2.2 氣相參數(shù)監(jiān)測

2.2.1CH4和CO2厭氧發(fā)酵所產(chǎn)沼氣的主要組成成分是CH4和CO2，CH4和CO2二者的比值也常常作為診斷發(fā)酵罐內(nèi)穩(wěn)定性的方式之一[16]。相對于沼氣產(chǎn)量而言，沼氣的組成成分更能解釋和反映系統(tǒng)內(nèi)發(fā)酵狀態(tài)，因為它更能反映厭氧發(fā)酵過程中產(chǎn)甲烷菌的活性大小。正常厭氧發(fā)酵過程中，CH4和CO2的比值常常在 2∶1～3∶1之間，系統(tǒng)失穩(wěn)后，反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)酸菌大量繁殖，同時也伴隨著大量有毒有害及VFA副產(chǎn)物的積累，產(chǎn)甲烷菌受到明顯抑制，發(fā)酵系統(tǒng)內(nèi)的CH4含量會低至50%以下[24,33]。

CH4氣體的檢測方法有很多，包括催化燃燒、熱傳導、光干涉、紅外吸收等方法，每種方法因其檢測機制不同有著各自的優(yōu)缺點與應(yīng)用范圍。目前應(yīng)用最多的在線監(jiān)測方法是紅外吸收法，但是由于光纖傳感技術(shù)特別適合于在易燃、易爆等惡劣環(huán)境下使用，受到了越來越多研究者的關(guān)注[34]。

目前較成熟的CO2濃度測量方法是非分散性紅外吸收光譜法(non-dispersive infrared，NDIR)。NDIR是利用不同氣體吸收不同波長的紅外光譜的特性，通過分析被吸收的紅外光譜的波長和吸收程度來確定被測氣體的組分和濃度。NDIR具有技術(shù)成熟、造價低、體積小和譜線干擾大等特點[35]。

2.2.2H2S和O2對于H2S和O2的測量，通常采用電化學方法。電化學傳感器由傳感電極和反電極組成，通過選擇適當?shù)碾妷骸㈦娊庖汉碗姌O材料，被檢測的氣體在測量電極上會發(fā)生化學反應(yīng)并產(chǎn)生微電流，此電流與檢測氣體濃度成正比。傳感器輸出的電流經(jīng)過放大、溫度補償和參數(shù)修正就能得到特定氣體的濃度[36]。電化學傳感器耗電量低，但卻表現(xiàn)出極佳的線性和重復(fù)性，且使用壽命長。通常測量H2S和O2的量程分別為：H2S：0～1%，O2：0～25%，測量精度可以達到2%。

3 厭氧發(fā)酵在線監(jiān)測控制系統(tǒng)

德國、瑞典等發(fā)達國家在沼氣工程的自動控制和智能化上都走在世界前沿，并將各類現(xiàn)代化的工業(yè)控制方法應(yīng)用其中。例如，PID(proportion-integral-derivative)控制系統(tǒng)和模糊控制系統(tǒng)，以此實現(xiàn)沼氣工程的精確控制和智能監(jiān)控。我國沼氣工程的智能化、自動化還處于發(fā)展時期，在線監(jiān)測技術(shù)大部分采用上位機與下位機相結(jié)合的方式，上位機負責分析數(shù)據(jù)和發(fā)出指令，下位機負責數(shù)據(jù)采集和執(zhí)行指令[37]。

3.1 上位機系統(tǒng)

上位機可以對沼氣工程運行現(xiàn)場的狀況進行實時監(jiān)控和顯示，一般采用工控機或者觸摸屏來顯示結(jié)果界面[38-39]。基于LabVIEW的上位機監(jiān)控系統(tǒng)是一種利用傳感器技術(shù)、儀器技術(shù)和計算機技術(shù)相結(jié)合的虛擬儀器技術(shù)，系統(tǒng)硬件組成[40]如圖2所示。通過LabVIEW及數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計完成的沼氣監(jiān)控系統(tǒng)平臺，能夠?qū)崟r顯示系統(tǒng)各工況，且具有很好的可擴性[41]，該系統(tǒng)可精確地監(jiān)測沼氣發(fā)酵各參數(shù)，基本實現(xiàn)自動化控制。但由于LabVIEW的價格過高，在沼氣工程中并未得到廣泛應(yīng)用。

圖2 基于LabVIEW的上位機監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[40]Fig.2 Structure of upper computer monitoring system based on LabVIEW[40]

3.2 下位機系統(tǒng)

下位機監(jiān)控技術(shù)主要有基于PLC(programmable logic controller)和基于單片機2種監(jiān)控系統(tǒng)。

3.2.1基于PLC的厭氧發(fā)酵監(jiān)控系統(tǒng) PLC是一種適用于工業(yè)生產(chǎn)過程控制的工業(yè)控制器，具有性價比高、編程簡單等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于沼氣工程監(jiān)控[42-43]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。PLC將計算機技術(shù)和通信工程技術(shù)相結(jié)合，并集二者優(yōu)點于一身，使用更加方便、環(huán)境適應(yīng)性好、易于編程且功能更強[44]。在厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中，通常用PLC采集和調(diào)控模擬信號，在下位機中處理各種數(shù)據(jù)，并保持與上位機的信號傳輸。

圖3 基于 PLC 的沼氣監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of methane monitoring system based on PLC

3.2.2基于單片機的厭氧發(fā)酵監(jiān)控系統(tǒng) 基于單片機的厭氧發(fā)酵監(jiān)控系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、轉(zhuǎn)換模塊、處理模塊和執(zhí)行模塊組成，具有開發(fā)周期短、開發(fā)效率高、可靠性高等優(yōu)點[45-46]。數(shù)據(jù)采集模塊由溫度、pH、壓力及液位等各類傳感器組成，并將檢測到的信息傳遞給數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊；轉(zhuǎn)換模塊將采集來的物理量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息，并將結(jié)果傳遞給數(shù)據(jù)處理模塊；處理模塊對數(shù)據(jù)進行處理，并將處理結(jié)果傳遞給執(zhí)行模塊，最后由執(zhí)行模塊進行相應(yīng)的操作，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 基于單片機的沼氣監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[47]Fig.4 Structure of methane monitoring system based on single-chip[47]

3.3 系統(tǒng)應(yīng)用

厭氧發(fā)酵過程參數(shù)控制相對于一般化學反應(yīng)過程更為復(fù)雜，同時由于受傳感器準確性、靈敏性、使用環(huán)境條件等因素的影響，在線監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用效果有所差異。對沼氣工程進行自動控制，首先需要針對厭氧發(fā)酵特性及運行需求，利用數(shù)模轉(zhuǎn)換器、傳感器、電磁閥、繼電器等實現(xiàn)對參數(shù)的監(jiān)控，將發(fā)酵過程中的溫度、pH、流量、氣體成分等指標和閥門、電機的運行狀態(tài)輸入下位機，下位機通過編程預(yù)先設(shè)定控制算法，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的實時控制。由于沼氣發(fā)酵具有高濕、高腐蝕性的特點，易對傳感器和其他電子元件造成損傷或產(chǎn)生短路等影響，應(yīng)選擇外表面進行防腐處理，抗腐蝕性能好且密閉性好的元器件，確保設(shè)備在惡劣環(huán)境下可靠、穩(wěn)定地運行。同時，沼氣易燃、易爆，必須選用防爆傳感器，不僅要考慮其密閉性，還要考慮其防爆強度，確保安全使用。

4 現(xiàn)存問題及發(fā)展建議

4.1 現(xiàn)存問題

沼氣是一種重要的可再生能源，既可替代秸稈、薪柴等生物質(zhì)能源，也可替代煤炭等商品能源。近年來，對于沼氣工程運行管理的監(jiān)控已經(jīng)成為沼氣行業(yè)中一個重要問題。在線監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用，既能及時準確地掌握沼氣工程運行狀態(tài)，又能為沼氣工程故障的處理提供可靠數(shù)據(jù)依據(jù)，促進我國沼氣行業(yè)向國際領(lǐng)先水平發(fā)展[48]。目前相關(guān)技術(shù)研究很多，但實際應(yīng)用較少，主要原因如下。

①厭氧發(fā)酵過程穩(wěn)定控制技術(shù)有待提升。厭氧發(fā)酵過程極易失穩(wěn)，規(guī)?；膮捬醢l(fā)酵通常在低負荷下運行，影響厭氧發(fā)酵穩(wěn)定性的關(guān)鍵指標及其抑制作用尚不明確。何清明[16]建立了餐廚垃圾厭氧消化過程穩(wěn)定性檢測體系，提出了穩(wěn)定化指數(shù)及其閾值；李蕾[49]研究了厭氧發(fā)酵過程失穩(wěn)的動力學特征和微生物機理，提出了潛在的與厭氧發(fā)酵過程穩(wěn)定性相關(guān)的微生物預(yù)警因子。這些研究成果為開發(fā)厭氧發(fā)酵穩(wěn)定性調(diào)控技術(shù)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，但具體調(diào)控方法、微生物預(yù)警因子的普適性，以及相應(yīng)的生物傳感器的開發(fā)都需要進一步深入研究。

②可在線監(jiān)測的指標不完善。除了溫度、壓力、pH、氣體成分等基礎(chǔ)指標外，其他一些關(guān)鍵指標，尤其是乙酸、丙酸等中間代謝產(chǎn)物指標，以及化學需氧量、堿度等仍然需要人工取樣檢測，無法實時記錄和統(tǒng)計，時效性差。Morel等[50]采用多波長熒光法在線監(jiān)測厭氧發(fā)酵過程并建立含量預(yù)測模型，該系統(tǒng)能夠準確地預(yù)測揮發(fā)性脂肪酸含量和化學需氧量，適用于實驗室發(fā)酵監(jiān)測；Molina等[51]研發(fā)了在線滴定傳感器用于污水厭氧發(fā)酵過程中堿度測定。但由于厭氧發(fā)酵環(huán)境復(fù)雜，傳感器易受環(huán)境影響，預(yù)測偏差大，該方法尚未應(yīng)用到實際工程中。

③在線監(jiān)測傳感器穩(wěn)定性、耐用性差，使用壽命短。數(shù)據(jù)采集作為厭氧發(fā)酵工藝在線監(jiān)控系統(tǒng)的前端輸入量，在整個控制系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。不同的檢測原理和材質(zhì)對傳感器的穩(wěn)定性和耐用性都有一定影響。以沼氣成分監(jiān)測為例，監(jiān)測可燃性氣體甲烷時，采用催化燃燒原理傳感器可以使用2年左右，而紅外傳感器可以使用5年；監(jiān)測有毒有害氣體如硫化氫時，傳感器的使用壽命只有2年左右，在使用過程中，還需要定期對傳感器進行校準，否則會影響整個控制系統(tǒng)的控制精度。目前大部分沼氣工程都重建設(shè)、輕管理，維護保養(yǎng)不及時，傳感器的穩(wěn)定性和使用壽命大打折扣。

④沼氣工程的預(yù)警手段不健全。目前對于厭氧發(fā)酵失穩(wěn)預(yù)警指標的研究主要有中間代謝產(chǎn)物、關(guān)鍵代謝調(diào)控物以及厭氧系統(tǒng)內(nèi)生物體的變化3方面[29]，但還沒有一種公認的厭氧消化系統(tǒng)失穩(wěn)預(yù)警指標。由于沼氣發(fā)酵原料的多樣性、發(fā)酵工藝的差別，影響發(fā)酵過程的關(guān)鍵參數(shù)和失穩(wěn)閾值也有所不同?，F(xiàn)有的監(jiān)控技術(shù)無法在系統(tǒng)出現(xiàn)酸化趨勢、系統(tǒng)內(nèi)部穩(wěn)定性被破壞的初始階段提供有效的預(yù)警指示，指示性相對遲緩，導致發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)失穩(wěn)時已難以快速恢復(fù)正常。

4.2 發(fā)展建議

隨著人工智能技術(shù)的提升和規(guī)模化生產(chǎn)的需要，厭氧發(fā)酵在線監(jiān)控技術(shù)顯得越來越重要，大中型沼氣工程中在線監(jiān)測技術(shù)的配套應(yīng)用也越來越多，為了促進沼氣工程向智能化、精準化、標準化方向發(fā)展，建議重點開展以下研究。

①厭氧發(fā)酵關(guān)鍵參數(shù)在線監(jiān)測傳感器研發(fā)。揮發(fā)性脂肪酸、堿度等相比于pH、氧化還原電位等常規(guī)參數(shù)可以更快地對厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的穩(wěn)定性做出反應(yīng)，但由于受厭氧發(fā)酵系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境條件限制、傳感器靈敏度、量程和使用條件等因素限制，這些關(guān)鍵性調(diào)控參數(shù)往往需要離線人工測定，其中部分指標檢測時間往往需要數(shù)天，造成一定的延滯性，不能及時地對發(fā)酵系統(tǒng)進行預(yù)警調(diào)控。因此，需要結(jié)合我國沼氣工程高水分、高H2S的使用環(huán)境特點，從檢測方法入手，結(jié)合現(xiàn)代生物技術(shù)、電子技術(shù)和集成技術(shù)，開發(fā)高精度、高穩(wěn)定性的在線監(jiān)測傳感器，以便及時獲取發(fā)酵動態(tài)參數(shù)并進行分析預(yù)判。除此之外，滴定法、生物傳感器法等一些新檢測方法的開發(fā)，以及利用容易獲取的變量建立模型實現(xiàn)被測變量估計的間接測量的思路[22]，都會有效推動在線監(jiān)控技術(shù)在我國沼氣工程上的普及應(yīng)用。

②基于厭氧發(fā)酵關(guān)鍵參數(shù)交互作用的失穩(wěn)預(yù)警系統(tǒng)研發(fā)。厭氧發(fā)酵是一個復(fù)雜的微生物生化過程，各種因素交互作用。目前的在線監(jiān)控技術(shù)只是針對某一個參數(shù)的獨立監(jiān)測，如pH、CH4、CO2等，這些指標無法及時反映出系統(tǒng)波動，有一定的滯后性[52-53]。但CH4/CO2、VFA/ BA(儲備碳酸氫鹽堿度)、BA/TA(總堿度)等可以較好地反映厭氧發(fā)酵系統(tǒng)承受酸化的能力，比pH至少提早5 d出現(xiàn)預(yù)警[24]，因此要真正實現(xiàn)厭氧發(fā)酵的精準可控及失穩(wěn)預(yù)警，需要深入分析各關(guān)鍵參數(shù)的交互作用以及基于耦合指標變化的失穩(wěn)預(yù)警系統(tǒng)，才能真正達到失穩(wěn)預(yù)判的目的。

③物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在沼氣工程中的應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)是一種新興的信息技術(shù)，可以基于傳感技術(shù)、傳感網(wǎng)絡(luò)實時獲取運行現(xiàn)場的各類數(shù)據(jù)，在沼氣工程運行監(jiān)控中可以發(fā)揮重要的作用。然而，近年來的研究和實踐中，用于實際運行的沼氣工程物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控技術(shù)仍是少數(shù)，由于缺乏有效的信息化監(jiān)控手段，沼氣工程運行中許多問題都無法及時發(fā)現(xiàn)和干預(yù)，造成沼氣工程管理不到位、運行效率不高、經(jīng)濟效益差等難題?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)和云平臺的智能化沼氣工程監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)將是今后重要的研究方向[54]，結(jié)合專家系統(tǒng)構(gòu)建，通過數(shù)據(jù)分析研判，實現(xiàn)沼氣工程智能化管理、遠程故障診斷及調(diào)控，將大大節(jié)省運行成本和人力資源成本、提高運行效率，從而提高我國沼氣工程自動化監(jiān)控水平，推動信息化和工業(yè)化深度融合。