劉軼鋆，黃 濤，彭道平

(1.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，成都 611756;2.斯圖加特大學(xué)衛(wèi)生工程、水質(zhì)與固廢管理研究所，德國 斯圖加特 70569)

引 言

德國是世界能源轉(zhuǎn)型開始最早、力度最大的國家之一[1]。2012年，新修訂的德國《可再生能源法》(Erneubare Energien Gesetz, EEG)規(guī)定到2050年可再生能源在德國電力總量中占比至少達(dá)到80%[2]。為了推動新能源的穩(wěn)定發(fā)展，德國政府提出建立“多元互補(bǔ)的能源供給體系”戰(zhàn)略目標(biāo)，以推動太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等多種形式綠色能源協(xié)同互補(bǔ)，共同供給電力需求[3-4]。新能源體系中，太陽能、風(fēng)能、水能等都嚴(yán)重依賴外在環(huán)境因素(例如天氣、氣候、地理?xiàng)l件等)；而生物質(zhì)能作為人為可控的能源，當(dāng)其他能源無法滿足電力需求時(shí)，通過一定的技術(shù)手段進(jìn)行合理控制，其可以實(shí)現(xiàn)按能源需求供氣和產(chǎn)電，以及人為調(diào)峰[5-6]。

目前實(shí)現(xiàn)沼氣按需供能的方法主要有兩個：調(diào)節(jié)沼氣儲氣容量和靈活產(chǎn)沼氣[7-8]。按需供能往往要求沼氣在需求高峰時(shí)段輸出數(shù)倍的量，因此可以通過擴(kuò)大儲存容量，制定合理的沼氣調(diào)度方案實(shí)現(xiàn)[9]。另一種方法則是靈活性沼氣生產(chǎn)，即通過對厭氧發(fā)酵反應(yīng)進(jìn)程控制實(shí)現(xiàn)按需產(chǎn)氣[10]。

1 靈活產(chǎn)沼氣的概念

Hahn等學(xué)者對靈活性沼氣生產(chǎn)(以下均稱“靈活產(chǎn)氣”)的概念歸納如下：靈活產(chǎn)氣是一種通過調(diào)節(jié)厭氧發(fā)酵反應(yīng)過程，在有能源需求時(shí)即時(shí)定量產(chǎn)沼氣的技術(shù)[8]。

相對于調(diào)節(jié)沼氣儲氣容量，靈活產(chǎn)氣技術(shù)可以將發(fā)酵罐產(chǎn)氣集中在高需求時(shí)段，從而不再需要很高的沼氣儲存容量，降低沼氣廠的投資、運(yùn)行和管理成本[11]。因此靈活產(chǎn)氣被視為一種具有前景的按需供氣方法[12]。

國內(nèi)外學(xué)者已就靈活產(chǎn)氣開展了一系列研究，但該技術(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)室和中試階段，目前尚未有投入商業(yè)運(yùn)行的實(shí)際工程案例[13]。本文將從靈活產(chǎn)氣的具體實(shí)現(xiàn)方法和核心環(huán)節(jié)——厭氧發(fā)酵反應(yīng)的過程控制與模擬方法對現(xiàn)有的理論成果進(jìn)行綜述，由此提出該領(lǐng)域未來的研究方向，以及對中國生物質(zhì)能利用的啟示。

2 靈活產(chǎn)沼氣的實(shí)現(xiàn)方法

2.1 改變投料基質(zhì)的投料方式

靈活產(chǎn)氣最簡單的實(shí)現(xiàn)方法是改變底物投料時(shí)間間隔、底物類型及其質(zhì)量流量(或體積流量)，以便在沼氣需求高峰時(shí)段提高沼氣產(chǎn)量[14]。

其中，改變投料的時(shí)間間隔是根據(jù)用電高峰和低谷出現(xiàn)時(shí)刻，靈活調(diào)整投料的時(shí)刻和時(shí)間間隔，使實(shí)際產(chǎn)氣曲線和用電需求曲線盡量貼合[14]。現(xiàn)階段厭氧發(fā)酵工藝以連續(xù)式投料為主，當(dāng)改變投料方式時(shí)，工藝將轉(zhuǎn)換為半連續(xù)式投料，其脈沖式投料會增加當(dāng)次投料的有機(jī)負(fù)荷，從而增大發(fā)酵罐酸化的風(fēng)險(xiǎn)[13]。對此，張念瑞等采取室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，對餐廚垃圾和剩余污泥按系統(tǒng)負(fù)荷11.36 g COD L-1day-1進(jìn)行投料時(shí)，不同進(jìn)料頻率下產(chǎn)氣量、氣體組分和揮發(fā)性脂肪酸的變化進(jìn)行了分析，結(jié)果表明進(jìn)料頻率越高，系統(tǒng)的穩(wěn)定性越高，而當(dāng)進(jìn)料為每天一次時(shí)，系統(tǒng)出現(xiàn)了丙酸的累積[15]。由此可見，通過改變投料時(shí)間間隔實(shí)現(xiàn)靈活產(chǎn)氣時(shí)，有機(jī)負(fù)荷和投料頻率的選擇是關(guān)鍵性因素?；诖耍琈ulat和Saracevic分別研究了有機(jī)負(fù)荷4 kgVS m-3day-1和1.40 kgVS m-3day-1情景下，由低頻逐漸增加至高頻進(jìn)料時(shí)沼氣產(chǎn)量和微生物活性，結(jié)果均表明，產(chǎn)甲烷菌群落在所有投料方式下都保持穩(wěn)定[14,16]。

改變投料底物及投料方式是目前最常用的靈活產(chǎn)氣手段[8]。實(shí)際操作中，通常根據(jù)各投料基質(zhì)的性質(zhì)特征和產(chǎn)氣潛勢，選取降解速率快的作為實(shí)現(xiàn)即時(shí)產(chǎn)氣的調(diào)節(jié)基質(zhì)[17]?，F(xiàn)有研究選取頻率最高的的投料基質(zhì)為作物秸稈(例如玉米青貯、甜菜青貯和牧草青貯)和畜禽糞便等，它們的相關(guān)性質(zhì)以及沼氣產(chǎn)氣潛勢等見表1。相關(guān)研究通過改變底物投料方式實(shí)現(xiàn)靈活產(chǎn)氣的具體方法見表2。從研究結(jié)果來看，富含水溶性碳水化合物的一類易降解基質(zhì)(例如甜菜青貯等)，在投料之后易于取得較高的甲烷產(chǎn)氣速率，適合作為靈活產(chǎn)氣的調(diào)節(jié)型基質(zhì)。

表1 靈活產(chǎn)氣常用投料基質(zhì)的性質(zhì)Tab.1 Characteristics of the common used substrates for flexible biogas production

表2 靈活產(chǎn)沼氣的實(shí)現(xiàn)途徑Tab.2 Pathways for realizing the flexible biogas production

續(xù)表2

投料基質(zhì)文獻(xiàn)來源靈活產(chǎn)氣的途徑牛糞和玉米青貯[20]每次基質(zhì)的投料量依據(jù)預(yù)先設(shè)定好的沼氣利用方案,根據(jù)ADM1模型計(jì)算出相應(yīng)的投料量。玉米青貯動態(tài)投料實(shí)現(xiàn)靈活產(chǎn)氣,牛糞每次按固定量投料,投料時(shí)間間隔2h。牧草青貯和甜菜青貯[21]使用甜菜青貯作為易降解物質(zhì),對產(chǎn)氣進(jìn)行即時(shí)性調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)分別設(shè)置了兩組有機(jī)負(fù)荷———1.5 kgVS m-3 day-1和2.5 kgVS m-3 day-1。每組牧草與甜菜青貯分別按進(jìn)料比(基于揮發(fā)性固體) 1∶0,3∶1和1∶3間歇進(jìn)料,每8h進(jìn)料一次。胡蘿卜、玉米青貯和甘油[22]三種基質(zhì)分別作為增加負(fù)荷調(diào)節(jié)產(chǎn)氣的基質(zhì),使有機(jī)負(fù)荷提高至基準(zhǔn)投料負(fù)荷的2～4倍。污水廠污泥和粗甘油[23]將粗甘油間歇式注入污水污泥中實(shí)現(xiàn)靈活產(chǎn)氣。粗甘油每小時(shí)以離散注射的方式添加,設(shè)置高負(fù)荷和低負(fù)荷兩個情景,分別以6h內(nèi)甘油基準(zhǔn)負(fù)荷的0.63% 和 3%進(jìn)行添加。牛糞、玉米青貯和壓實(shí)牧草[24]牛糞作為維持基底負(fù)荷的投料基質(zhì)按2.60 kgVS m-3 day-1進(jìn)行投料,分別使用玉米青貯和壓實(shí)牧草進(jìn)行脈沖式投料使有機(jī)負(fù)荷倍增至5.2 kgVS m-3 day-1實(shí)現(xiàn)靈活產(chǎn)氣。

2.2 改變發(fā)酵系統(tǒng)的設(shè)備和配置

改變厭氧發(fā)酵工藝亦可實(shí)現(xiàn)靈活產(chǎn)氣，例如采用兩相厭氧發(fā)酵，產(chǎn)生一種易消化的液態(tài)基質(zhì)，向固定床消化反應(yīng)器中動態(tài)投料實(shí)現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)迅速增加沼氣產(chǎn)量[8]。

該方法最典型的例子是可調(diào)式沼氣廠(德語譯作“Regelbare Biogasanlage”，簡稱ReBi沼氣生產(chǎn)工藝)，工藝流程見圖1。厭氧發(fā)酵反應(yīng)第一步輸出的水解反應(yīng)產(chǎn)物，通過螺旋壓力機(jī)分離成液體和固體部分，固體部分投料至連續(xù)攪拌槽反應(yīng)器(CSTR)中，以連續(xù)產(chǎn)氣方式輸出沼氣；而富含易消化有機(jī)質(zhì)的液態(tài)部分則被輸送到儲罐，在有沼氣需求時(shí)，即時(shí)向固定床反應(yīng)器進(jìn)行投料；反之則減少投料[11]。ReBi沼氣生產(chǎn)工藝?yán)霉潭ù卜磻?yīng)器，使用填料將微生物停留在反應(yīng)器中，因此可以承受較大的有機(jī)負(fù)荷。

圖1 ReBi沼氣廠工藝流程圖[8]Fig.1 Process flow diagram of ReBi biogas plant[8]

類似的厭氧反應(yīng)配置改進(jìn)還有兩相浸出床/固定床反應(yīng)器(見圖2)，使水解和酸化反應(yīng)發(fā)生在浸出床反應(yīng)器中，在固定床反應(yīng)器中發(fā)生產(chǎn)甲烷反應(yīng)產(chǎn)沼氣[25]。浸出床反應(yīng)器以序批式投料，浸出液通過回流循環(huán)使基質(zhì)和微生物充分混合[26]。最終在浸出床底部富含高有機(jī)質(zhì)成分的水解酸化浸出液，向固定床反應(yīng)器即時(shí)投料以實(shí)現(xiàn)靈活產(chǎn)氣[27]。

圖2 兩相浸出床/固定床反應(yīng)器工藝流程圖[8]Fig.2 Process flow diagram of double stage leach bed/fixed bed biogas plant[8]

對于改變厭氧反應(yīng)設(shè)備配置實(shí)現(xiàn)靈活產(chǎn)氣，Linke等人使用玉米青貯為投料基質(zhì)，利用連接厭氧濾床的兩相浸出床反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)靈活產(chǎn)氣，結(jié)果表明與傳統(tǒng)的連續(xù)式進(jìn)料相比，該工藝可使每天甲烷產(chǎn)量增加50%～60%[28]。同樣采用厭氧濾床的兩相浸出床反應(yīng)器，Lemmer等人實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明1h內(nèi)沼氣產(chǎn)量相對提高了300%～400%，有機(jī)負(fù)荷驟增至20 g COD L-1day-1時(shí)系統(tǒng)依然具有穩(wěn)定性[29]。

3 靈活產(chǎn)沼氣的控制與過程模擬方法

靈活產(chǎn)氣技術(shù)的核心是對厭氧發(fā)酵的反應(yīng)進(jìn)程的控制[30]?，F(xiàn)有研究利用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、PID控制、模糊控制以及其他控制手段保證靈活產(chǎn)氣過程消化系統(tǒng)的穩(wěn)定性，例如Holubar等利用前向多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)厭氧消化器中的甲烷產(chǎn)量控制進(jìn)料，通過開發(fā)分級系統(tǒng)嵌入決策支持系統(tǒng)中，以提前確定下一個進(jìn)料時(shí)刻的最佳進(jìn)料量等[31]。Haugen等結(jié)合修正Hill模型，通過構(gòu)建開關(guān)控制器和PI控制器，基于目標(biāo)甲烷產(chǎn)量和實(shí)際甲烷產(chǎn)量之差對基質(zhì)投料量進(jìn)行反饋控制[32]。類似的，L?ffler的研究也使用PID控制器，并基于ADM1模型建立了按需產(chǎn)甲烷的自動控制模型[33]。Carla構(gòu)建了非線性自適應(yīng)控制算法用于控制基質(zhì)投料，在提高甲烷產(chǎn)量的同時(shí)，監(jiān)控厭氧消化罐內(nèi)的VFA濃度[34]。Mauky基于MATLAB/Simulink平臺，采用模型預(yù)測控制(MPC)程序，設(shè)計(jì)了一套可以確定按需產(chǎn)氣情景下沼氣利用和投料的時(shí)間表[30]。

靈活產(chǎn)氣控制一般需要基于厭氧發(fā)酵理論模型確定機(jī)制投料和沼氣產(chǎn)量之間的定量關(guān)系[35]。ADM1模型是目前最常用的厭氧發(fā)酵理論模型，但是其涉及大量速率方程和中間參數(shù)，在現(xiàn)實(shí)工程中很難測定，因此限制了其應(yīng)用[36]。目前國內(nèi)外部分學(xué)者專門針對靈活產(chǎn)氣過程中沼氣的預(yù)測模型進(jìn)行了研究，例如Ahmed利用Gaussian方程構(gòu)建了基質(zhì)添加后沼氣產(chǎn)生量與甜菜青貯秸稈投料之間的響應(yīng)關(guān)系[21]；Rieke通過拉普拉斯域中的傳遞函數(shù)構(gòu)建了預(yù)測模型，并實(shí)現(xiàn)了靈活產(chǎn)氣過程中的實(shí)時(shí)參數(shù)優(yōu)化[37]；Hien設(shè)計(jì)了基于R語言的BioTool，利用經(jīng)過預(yù)訓(xùn)練的人工網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了沼氣產(chǎn)量的靈活性預(yù)測[38]。

4 靈活產(chǎn)氣未來的研究方向

4.1 完善可供選擇的投料基質(zhì)體系

靈活產(chǎn)氣領(lǐng)域目前研究的投料基質(zhì)種類尚不多，主要為農(nóng)業(yè)底物等，例如畜禽糞便、能源作物秸稈等[10]。未來研究應(yīng)進(jìn)一步選取更多可能的投料底物，特別是富含有機(jī)質(zhì)的城市固體廢棄物，如餐廚垃圾、城市園林垃圾等，探索它們單獨(dú)以及可能的共發(fā)酵情景下甲烷產(chǎn)氣潛力、對于甲烷產(chǎn)氣率提升的貢獻(xiàn)程度等重要參數(shù)?；诖?，建立適用于靈活產(chǎn)氣的投料基質(zhì)性質(zhì)體系和數(shù)據(jù)庫。

4.2 規(guī)范化的投料模式

未來研究應(yīng)引入更多厭氧發(fā)酵的理論模型，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況驗(yàn)證它們的有效性，最終歸納出具有普適性且易于實(shí)際工程操作的投料模式(例如不同類型基質(zhì)的混合比、投料時(shí)間等)制定機(jī)制。

4.3 厭氧反應(yīng)過程控制技術(shù)及參數(shù)在線監(jiān)測手段

目前，靈活產(chǎn)氣機(jī)制下反應(yīng)過程控制方面的研究仍然較少，且現(xiàn)階段研究多基于諸多簡化和假設(shè)，控制變量的設(shè)置與控制手段較為單一，與實(shí)際工況之間存在誤差。

因此，現(xiàn)階段研究應(yīng)探索更多可行的控制手段在靈活產(chǎn)氣中的應(yīng)用，設(shè)計(jì)具有魯棒性的控制模型。其次，應(yīng)進(jìn)一步完善在線監(jiān)測系統(tǒng)，能對更多厭氧反應(yīng)中間產(chǎn)物及參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和在線數(shù)據(jù)采集。

4.4 靈活產(chǎn)氣的綜合評價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

靈活產(chǎn)氣模式可能造成的沼氣中甲烷含量下降，以及更多的設(shè)備投資、過程監(jiān)控成本導(dǎo)致其是否能夠提高系統(tǒng)的存在不確定性[39]。在此方面，Hahn，Lauer，Grim，Skovsgaard等基于各自國家情況，從成本收益的角度對各種按需供氣的方法進(jìn)行了比較分析，都證明了靈活產(chǎn)氣相較于其他方法的經(jīng)濟(jì)性[40～43]。在此基礎(chǔ)上，Hahn，Lauer，Ertem又從生命周期的角度，進(jìn)一步分析比較了其碳減排及環(huán)境效益[44～46]。未來研究應(yīng)引入更多靈活產(chǎn)氣情景，分析其投料基質(zhì)的獲取與收集便利性、建設(shè)與投資成本、產(chǎn)電效率、污染物與廢氣排放、風(fēng)險(xiǎn)與安全等，構(gòu)建綜合評價(jià)指標(biāo)體系并實(shí)現(xiàn)各指標(biāo)的定量化，以綜合評價(jià)靈活產(chǎn)氣系統(tǒng)的可持續(xù)性。

5 對中國生物質(zhì)能利用的啟示

靈活產(chǎn)氣工藝的提出，最初是為了輔助德國政府提出的互補(bǔ)型新能源系統(tǒng)[4]?，F(xiàn)階段的中國，能源結(jié)構(gòu)中化石能源仍然占據(jù)主要地位，新能源體系更是仍在建設(shè)與發(fā)展之中，因此目前我國仍然缺乏推廣靈活產(chǎn)氣技術(shù)的動力[47-48]。但是隨著中國深化改革的深入和經(jīng)濟(jì)提質(zhì)增效的推進(jìn)，新能源的普及勢在必行[49]。在此背景之下，作為一項(xiàng)具有潛力的新技術(shù)，靈活產(chǎn)氣可以增強(qiáng)生物質(zhì)能在新能源體系中的優(yōu)勢，提升發(fā)電企業(yè)的能源利用效率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)廢棄物的資源化利用，因此有必要對靈活產(chǎn)氣技術(shù)未來在中國的推行進(jìn)行前瞻性規(guī)劃?；谥袊託鈴S的實(shí)際情況，擬提出以下靈活產(chǎn)氣技術(shù)未來在中國推行的相關(guān)建議。

5.1 完善靈活產(chǎn)氣的激勵機(jī)制

由于當(dāng)前新能源體系的不完備，以及現(xiàn)行的中國新能源電價(jià)的固定電價(jià)補(bǔ)貼制度，導(dǎo)致無法形成沼氣的高峰負(fù)荷需求[50]。但是隨著政府財(cái)政補(bǔ)貼缺口的擴(kuò)大，我國政府近年來正在逐步實(shí)施補(bǔ)貼退坡與新能源市場化改革，這給靈活產(chǎn)氣技術(shù)的推廣提供了一定的機(jī)遇[51]。未來推行時(shí)，政府應(yīng)完善生物質(zhì)能發(fā)電交易與上網(wǎng)競價(jià)規(guī)則，并且對于高峰負(fù)荷時(shí)刻沼氣廠額外輸出的電能給予一定的經(jīng)濟(jì)激勵措施，以引導(dǎo)沼氣廠進(jìn)行靈活產(chǎn)氣工藝改造。

5.2 針對不同沼氣廠情況制定最優(yōu)靈活產(chǎn)氣策略

對于已經(jīng)建成的沼氣站，建議實(shí)施靈活產(chǎn)氣技術(shù)時(shí)在現(xiàn)場測試的基礎(chǔ)上，通過改變基質(zhì)投料方式實(shí)現(xiàn)靈活產(chǎn)氣；而對于規(guī)劃中的新建沼氣站，在設(shè)計(jì)相關(guān)發(fā)酵設(shè)備時(shí)可以考慮引入兩相發(fā)酵工藝和固定床反應(yīng)器等。但是由于中國幅員遼闊，不同沼氣站由于所處地域的自然條件和經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況導(dǎo)致技術(shù)水平差異較大，實(shí)施靈活產(chǎn)氣時(shí)采取的具體手段應(yīng)根據(jù)各廠的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行計(jì)算及調(diào)整[52]。

5.3 供應(yīng)鏈角度的全過程優(yōu)化

厭氧發(fā)酵沼氣生產(chǎn)系統(tǒng)是一個涉及基質(zhì)原料收集、運(yùn)輸、發(fā)酵、發(fā)電和沼渣沼液處理的全過程系統(tǒng)，靈活產(chǎn)氣技術(shù)需要改變系統(tǒng)內(nèi)某幾個環(huán)節(jié)的運(yùn)行狀況，進(jìn)而影響各個環(huán)節(jié)直至整個系統(tǒng)[53]。因而在規(guī)劃設(shè)計(jì)靈活產(chǎn)氣系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)從整個供應(yīng)鏈的角度對系統(tǒng)進(jìn)行全局優(yōu)化，協(xié)調(diào)主體之間的利益分配，以使整體效益最優(yōu)。

5.4 靈活產(chǎn)氣控制技術(shù)研發(fā)和投入

靈活產(chǎn)氣系統(tǒng)的關(guān)鍵在于厭氧反應(yīng)過程的控制技術(shù)和過程參數(shù)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測[30]。我國應(yīng)加大該技術(shù)的研發(fā)投入，早日實(shí)現(xiàn)該技術(shù)在實(shí)際工程領(lǐng)域的應(yīng)用，并取得生物質(zhì)能應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢。