随着沼气池厌氧技术在工业废水处理城市污泥消化、农业废弃物处理和垃圾处理等领域的广泛应用,我国大中型沼气工程的建设取得了长足发展,沼气行业在沼气产量和已建大中型沼气工程数量方面均已居世界第一=31。近10年的发展中,沼气由早先的环保功能发展成为替代化石天然气的一种商业化生产的优质清洁能源4,沼气工程也已经由土木工程型转变为设备型,工程中设备和施工技术含量及投资的比例不断提高。无论是能源环保型、能源生态型或是热、电、肥联产型沼气工程6,沼气池厌氧消化工艺决定着整个工程的运行效果和效益,而其过程的动态性和复杂性又时刻考验着运行决策。随着能源

结构调整和环保压力的增加,分布式能源以及沼气  与其他能源季节性互补的动态需求向运行管理的专  业性提出了更高的要求8,规模化沼气工程在面临转型升级过程中从管理和运行层面破解效率低、稳定性差的难题,也日益成为关注的焦点,碳排放交易体系的发展又为提升沼气工程效益,促进发展提供了新的机遇。笔者在分析当前我国沼气池厌氧沼气工程运行与管理的方式难以满足沼气池厌氧发酵过程的动态性特点的问题基础上,提出了基于SaaS的前馈一开回路控制模式,通过云计算将工程运行产生的在线数据和离线数据进行综合分析,为工程运行管理者提供预测预警,辅助运行决策。

1沼气池厌氧发酵的复合动态过程

1.1发酵物料的变化

发酵物料的变化直接影响沼气池厌氧工艺过程,如秸杆燃气工程需要按季节需求进行物料量和配比的动态调整,这是因为物料的动态变化具有季节性特点-2),工业废水也有水质水量变化大的情况进料指标的变化会导致系统负荷的变动14)。有文献提出对发酵底物进行全面描述可以保证沼气池厌氧发酵过程更稳定的运行,一旦底物发生变化,就可以改变相应的工艺对参数进行调整。而动态改变有机负荷率的风险很大,尤其在没有专业有效的技术手段支持的情况下,依靠的是运行人员的经验和技术水平,错误的决策造成的大的负荷扰动有可能造成产甲烷微生物活性受抑制或洗出而导致工程系统瘫

1.2沼气池厌氧反应器的变化

泥、砂、鸟粪石等导致的管道水泵等磨损、堵塞致使反应器内流体状态产生差异2-1;保

板材的损坏,保温效果变差导致发酵温度波

结垢、循环水泵效率降低导致的混合条件变化,甚至季节性温度变化导致反应器温度变化从而引起的微  生物活性变化22),这些都是可能导致沼气池厌氧反应器从时间和空间的动态变化的复杂原因。显然,上述因素随着服役时间的增加,即使采用完全相同的设计方案和运行管理方式,同一工程中反应器之间的效率和稳定性也可能产生差异

1.3运行操作因素

笔者在2014年底至2015年中针对轻工行业酒精、白酒、造纸等的14家工业企业废水沼气池厌氧处理工艺日常运行的封闭式问卷调查结果显示

(1)对沼气池厌氧反应器的运行决策主要靠技术人员分析各反应器取样检测数据并进行内部交流讨论或者由班长或技术人员做出。这种决策过程的准确性受分析工具、分析手段和技术人员的专业水平和工程经验影响,决定性的因素是技术人员本身,其经验就是在解决各类运行问题中不断积累的,并且在这些经验中,应对运行异常、故障或失败的经验至关重要。

(2)所有企业都认为离线检测分析数据对工艺运行帮助最大,认为在线监测的状态数据如pH值温度等参数对运行帮助大的占57%,这主要是由于

不同指标对运行决策的影响权重不同,比如,pH  的滞后性;另外,部分工程因为换热器设备故障维  修成本高或者热源不稳定,干预沼气池厌氧反应器温度语

整的机会少。

2沼气池厌氧运行过程控制与管理方式

沼气池厌氧消化过程是一个非常复杂的涉及微生物纸  胞内部大量的、多步骤的微观生物化学反应过程和  沼气池厌氧反应器内固液气三相间宏观质量传递、热  量  传递和能量传递的问题,发酵过程包含复杂的过程  参数,且各参数之间高度耦合、相互影响。对发醇过  程进行监测控制,有利于促进发酵效率并提高沼气池厌氧  发酵过程的稳定性1。发酵过程控制和预测预警  方式方法有很多分类,无论采取何种方式,其目的都是通过将发酵过程的某些状态变量控制在期望的水平或时间曲线上,使得某一发酵性能指标达到最

优。综合相关研究、文献及工程实际,笔者将应用于沼气池厌氧消化过程控制的方式分为以下几类

2.1基于经脸和数据分析的人工管理

这类运行管理方式常见于各类沼气池厌氧工程中,较  粗放,包括部分大中型沼气工程因为工艺运行不稳  定导致自控系统被废弃。在依赖人工经验运行的过  程中容易出现误判,而为了避免误判,只能在较低  负荷状态下运行

2.2基于工艺特点以开关型组态为主的逻辑控制  由于发酵过程中对于特定变量的控制精度要求  不高,为了提升工程自控水平,降低管理成本,根据  工程工艺设计数据设定自动运行参数,在运行过程  中,管理人员根据数据分析结果动态调整相关参数  如在不同反应器之间动态分配物料,调整搅拌频率2.3基于计算机技术和沼气池厌氧机理的模型控制  基于传统动力学或系统动力学模型31、沼气池厌氧消  化1号模型23(ADM1)及其扩展模型、基于神经  网络3-的计算机技术相结合的控制方式,用来精  准模拟预测沼气池厌氧过程。虽然在沼气池厌氧结构化数学模型  和工艺模拟方面取得了大量进展,但诸多生化反应  动力学参数的获取、参数识别和矫正以及误差分新  的有效方法还很欠缺,大量研究成果多为实验室  或中试规模,实际应用在工程运行上的还有很多算  法、执行机构、传感器等方面的障碍。  2.4开放式的测算和开回路前馈控制方式  由于受传感器、控制系统及其算法、设备故障率

等几大主要因素的限制,闭回路一反馈控制的全自动运行方式目前还较难应用于规模化沼气工程,有研究提出了开放式的测算方法,并为运行的关键参  数提出了基于实验数据的阈值,划定了报警范围,并

在实验规模和工程规模取得了应用进展(见图1)16。笔者认为这是当前条件下,为提高数据分析能力,降低人工误判概率的应用可行性最高的控制方式。

3SaS服务模式的应用

综合前述分析,对沼气池厌氧消化过程的模拟、诊断和控制,本质上是采用科学的建模方法以及合理的分析手段对运行过程中产生的数据进行加工、分析并提取信息或者规则,再由执行机构采取相应的操作。决策越准确,所需要数据的数量、类型越多,数据的时效性要求也越高。目前,一方面,基于工艺特点的以开关型组态为主的逻辑控制程序,在参数调整的灵活性上不足以应对发酵过程的动态变化;另一方面,用于沼气池厌氧工艺预警的灵敏度高、时效性强的参数如VFA氢分压等传感器技术存在灵敏度、成本等问题3,传感器、控制系统和执行机构很难形成完整稳定的闭回路反馈的控制方式,这使得基于动力学或沼气池厌氧机理模型的精准先进控制算法应用受限,传统的基于滴定计和色谱的VFA.和BOD等指标的测定对过程控制仍具有重要意义3。

笔者从2014年开始联合部分企业开展了SaS模式的技术服务,开发了云计算软件,通过实时采集工程运行中的在线数据和基于web交互的离线数  据,并对这些数据进行分析加工,为工程管理者和技  术工人提供了具有较强时效性、专业性的技术服务,  在应对沼气池厌氧过程动态变化及关键指标的预测预警方  面取得了显著成效,也为沼气工程的动态运行管理  提供了新的思路。  3.1SanS模式及其特点  sua8是 Software-as-a-service(软件即服务)的简  称,是一种基于互联网通过浏览器或weh2.0程序连

接的形式为企业用户或个人用户提供软件服务的应  用模式,是软件和信息服务的重要发展方向。在  SaS模式下,用户不再像传统模式下那样花费大量  投资用于信息化建设,而只需支出一定的租赁费用  并可以享有使用权和升级、维护服务,是网络应用最具效益的营运模式,也是采用先进技术实施信息化建设的更具潜力和优势的途径。相比传统软件,Sas用户不再强调对软件本身的占有,而是突出对软件承载的业务的使用效果以及个性化定制3。如图2所示,笔者将SasS软件部署于云端,通过用户数据隔离技术实现多用户并行使用软件所提供的  云计算服务,一对多的服务模式能够提高专业技术服务专业领域的效率降低软件使用、开发和维护成本。用户通过浏览器访问可以突破地域和操作平台限制,避免了安装客户端带来的使用不便奶。

3.2saS的数据处理流程

沼气池厌氧消化系统SaS软件的数据分析流程如图3所示。

(1)软件的数据来源为3部分:一是安装于沼气池厌氧反应器上的传感器产生的在线数据,通过网络上传至云;二是工人取样分析化验的离线数据通过软件  web客户端页面交互输入;三是沼气池厌氧工程本身的工艺数据,如反应器类型、有效容积、发酵温度等,通过软件后台设置并参与工艺计算。

(2)在线数据和离线数据作为元数据,先经过数据预处理,去除噪点数据,补齐空值后,对关键工艺参数如COD去除率(%),容积负荷( glOD·m3d-1),

容积产气率(m3·m3d-1)等进行工艺计算并即时  曲线可视化展示和查询。

(3)基于工艺计算,对运行参数的历史数据进  行二次计算和深度挖掘,对不同反应器间进行横向、  对单体反应器按历史时段进行纵向评估运行的稳定  性和效率,并对评估结果进行可视化展示;通过常范

围的自适应分析,识别各反应器的运行模式。

(4)以神经网络为主方法,以历史运行数据为训练集和测试集,对各反应器进行建模,预测下一周  期各反应器的挥发性脂肪酸(VFA)和pH值,并以  这两项指标作为预警参数,当预测值超出常范围或  安全阈值时,软件启动预警推送

3.3SaS模式为沼气池厌氧过程管理提供的服务

(1)基于浏览器随时随地访问,提供数据及信息的人机交互界面。

(2)运行过程中工艺指标、状态指标、效益指标  的可视化和统计分析,从企业管理流程上降低检测  部门、管理者和操作人员的沟通成本,并可与企业OA系统接合,提高管理效率。

(3)以各反应器COD去除率、有机负荷率、容  积产气率等指标为基础,动态评估反应器效率和稳

定性,给出关键工艺指标的阙值,比如OLR和VFA,替代人工模糊经验对运行调整做出决策。

(4)不同指标参数对关键绩效指标影响程度评估,并作预警。以温度为例,气温对沼气池厌氧发酵效率的影响随季节变化呈现出不同的权重。在冬季低温及季节交替温差大的时候,为保持运行的稳定性提前做出预警。

(5)对影响沼气池厌氧效率和稳定性的状态指标和工艺指标进行分类预警。

4需要解决的问题

sasS模式在平台的适用性、扩展性、人机交互便利性上显示出较强的优势,由于采取了结构化和模块化设计,针对不同行业,物料、反应器,可以开发  专用算法供用户自主选择使用,通过测试并与直接用户沟通互动,SaS模式在轴助用户数据分析和运行决策方面已初见成效,但仍有如下几个方面需要进一步提升

(1)用户友好。简洁易用的人机交互界面;直观的数据可视化,实用且有针对性的功能,能够触用户的使用渴望并形成习惯,从而提高用户对软件使用的粘性

(2)充分利用现有可用数据,指标简单易获得不为用户造成太大使用成本,如昂贵的传感器、增加设备以增加检测指标等。

(3)数据交互的便利性、容错性强,不能让用户  在非直接功能上耗费太多精力和时间

(4)算法及数学模型的普遍适用性、可靠性和科学性,基于统计学的数据处理手段

(5)数据安全及用户隐私

(6)SaS服务模式的定价策略,一般提供用户免费使用的期限或采用免费使用加收费服务的模式

5展望

当前大量的规模化沼气工程处于低效率低负荷的运行状态,专业化的技术服务由于成本高和时效性差而与实际需求脱节,沼气池厌氧及与沼气池厌氧消化过程相关的配套装备(尤其是传感器)以及算法模型等的限制,要实现自适应沼气池厌氧过程动态变化的闭路自动控制工程化还有很长一段路要走。SasS模式的探  索是专业技术(人员)服务工程运行的一种高效便捷低成本的技术手段,它为工程管理人员提供了种基于实际运行数据的辅助运行决策的工具,在市  场需求与工业界良好的合作开展下,随着算法模型传感器自控设备的发展和融合,必将大大推动规模沼气工程的转型升级。

摘自《中国沼气》2018第一期

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