本文發(fā)表于《Journal of Agricultural Engineering》，探究電子鼻在沼氣廠運(yùn)行效率監(jiān)測與厭氧消化過程調(diào)控中的應(yīng)用可行性。

研究背景

1、可再生能源發(fā)展推動農(nóng)業(yè)沼氣廠普及，厭氧消化是利用生物質(zhì)廢棄物產(chǎn)沼氣的核心工藝；
2、現(xiàn)有監(jiān)測指標(biāo)（產(chǎn)氣量、pH、堿度、揮發(fā)性脂肪酸 VFA、氫氣等）雖常用，但存在滯后性，僅靠閾值判斷無法提前預(yù)判、及時(shí)解決工藝失穩(wěn)與有機(jī)過載問題；
3、傳統(tǒng) VFA 檢測依賴熒光光譜、近紅外光譜、滴定、氣相色譜等方法，且沼氣發(fā)酵參數(shù)關(guān)聯(lián)復(fù)雜，亟需新型在線監(jiān)測技術(shù)；
4、電子鼻是仿生非特異性氣體傳感器陣列系統(tǒng)，可形成氣體特征指紋圖譜，已有研究將其初步用于厭氧消化監(jiān)測，具備在線預(yù)警潛力。

研究目的

確立電子鼻用于判別厭氧消化運(yùn)行狀態(tài)的檢測方法；探究其作為簡易、靈敏、可靠的新型工具，實(shí)現(xiàn)小型農(nóng)業(yè)沼氣廠過程優(yōu)化、提升產(chǎn)氣率與穩(wěn)定管控的應(yīng)用價(jià)值。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備

采用AIRSENSE電子鼻，搭載 10 個(gè)金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）傳感器，可檢測芳香類、硫化物、氨氣、氫氣、甲烷、烷烴、醇類等物質(zhì)，配套數(shù)據(jù)存儲與多元統(tǒng)計(jì)分析軟件。

實(shí)驗(yàn)方法

01

實(shí)驗(yàn)流程

第一步：配置乙酸、丙酸、丁酸純品及水溶液共約 108 種組合，建立 VFA 氣味指紋參考數(shù)據(jù)庫，作為厭氧消化特征氣味樣本庫；
第二步：分別檢測原始糞便與消化后糞便釋放氣體，驗(yàn)證電子鼻氣味區(qū)分能力。

02

檢測參數(shù)

頂空生成時(shí)間 1800s、采樣 80s、沖洗 160s，單次總檢測時(shí)長 240s，以活性炭過濾環(huán)境空氣為載氣。

03

數(shù)據(jù)分析

采集傳感器信號穩(wěn)定后 5s 的數(shù)據(jù)，采用主成分分析（PCA）+ 線性判別分析（LDA） 進(jìn)行多元統(tǒng)計(jì)分類。

研究結(jié)果

1、丙酸在沼氣廠有機(jī)過載、氫分壓升高時(shí)穩(wěn)定性弱于乙酸和丁酸，是表征消化工藝失穩(wěn)的關(guān)鍵 VFA 指標(biāo)；

2、PCA 分析結(jié)果顯示，AIRSENSE電子鼻可清晰區(qū)分原始糞便與厭氧消化后糞便的揮發(fā)性氣味特征，兩類樣本在得分圖中可明顯聚類分離；

3、傳感器陣列能將糞便中揮發(fā)性化合物轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定電信號，通過 G/G0 電導(dǎo)比值形成專屬氣味指紋圖譜。

結(jié)論與意義

1、AIRSENSE電子鼻可有效區(qū)分糞便原料與厭氧消化產(chǎn)物的氣體氣味，具備監(jiān)測生物質(zhì)甲烷化過程、識別沼氣廠有機(jī)過載工況的潛力；
2、該技術(shù)可作為沼氣系統(tǒng)反饋控制的基礎(chǔ)，后續(xù)可進(jìn)一步優(yōu)化方法，實(shí)現(xiàn)沼氣工藝在線預(yù)警、穩(wěn)定運(yùn)行與產(chǎn)氣效率提升；
3、相比傳統(tǒng)監(jiān)測手段，AIRSENSE電子鼻操作簡便、靈敏度高，適合小型農(nóng)業(yè)沼氣廠的常態(tài)化監(jiān)測應(yīng)用。