Enhanced process control of trickle-bed reactors for biomethanation by vertical profiling directed by hydrogen microsensor monitoring  

基于氫氣微電極垂直分布監測的滴濾床生物甲烷化反應器過程控制強化  

來源：Bioresource Technology, Volume 384, 2023, Article 129242  

《生物資源技術》，第384卷，2023年，文章編號129242  

 

摘要內容  

摘要指出，生物甲烷化是將CO?轉化為生物甲烷的關鍵Power-to-X技術，滴濾床反應器（TBR）因其高氣液傳質效率和低能耗成為理想反應器。本研究創新性地在TBR垂直軸向安裝多個氫氣（H?）微電極，實時監測反應器內部H?濃度分布。通過135天中試實驗（集成于全規模沼氣廠），發現TBR存在明顯區域分層：底部區域（近進氣口）局部甲烷產率高達54.8 L L?1 d?1，而整體甲烷產率為12.6 L L?1 d?1。微電極監測提前4天預警酸化事件（早于產物氣檢測），并揭示酸化源于乙酸積累。研究證實垂直微電極監測是實現工藝穩定性與優化的有效手段。  

 

研究目的  

解決傳統TBR"黑箱"操作模式（僅監控進出氣）的局限，通過實時監測反應器內部H?濃度分布，揭示區域分層特性，優化生物甲烷化過程控制并提升產能。  

 

研究思路  

反應器設計與傳感器部署：構建10L滴濾床反應器，在底部（0-12.5 cm）、中部（12.5-51.5 cm）和頂部（51.5-91.5 cm）安裝抗H?S干擾的Unisense H?微電極（圖1）。  

 

 

分階段運行：  

 

階段I（1-51天）：低負荷運行（H?:14.48 L L?1 d?1，沼氣:7.73 L L?1 d?1），監測微生物增殖動態。  

 

停機期（52-79天）：無底物供給。  

 

階段II（80-87天）：恢復低負荷運行。  

 

階段III（88-135天）：高負荷運行（H?:52.58 L L?1 d?1，沼氣:27.80 L L?1 d?1）。  

數據采集：微電極每分鐘記錄H?濃度（圖2）；定期GC分析氣體組分；VFA、pH監測；末期生物膜DNA測序（圖4）。  

 

 

性能評估：基于H?分布計算局部甲烷產率（圖3），分析酸化事件預警機制（圖5）。  

 

 

測量數據及其研究意義  

H?濃度分布（圖2）  

 

數據：階段I初期底部H?濃度從100%降至20%（7天內），20天后底部H?<2%。  

 

意義：證實TBR底部微生物快速增殖，初期受微生物動力學限制，后期受H?傳質限制。  

局部甲烷產率（圖3）  

 

數據：階段III底部（Section 1）局部產率達54.8 L L?1 d?1，頂部（Section 3）僅5.9 L L?1 d?1；整體產率12.6 L L?1 d?1。  

 

意義：揭示TBR顯著垂直分區——底部高H?濃度驅動強傳質，產能占主導；頂部產能利用率低。  

VFA與酸化事件（表2）  

 

 

數據：階段III第101天頂部VFA達2403.8 mg L?1（乙酸占74.9%），pH降至6.3；底部VFA僅582.7 mg L?1。  

 

意義：高負荷導致頂部酸化（乙酸積累），抑制甲烷化；增加噴淋頻率可緩解（日噴淋后VFA降低）。  

微生物群落（圖4）  

 

數據：底部富集氫營養型甲烷菌（Methanothermobacter），頂部存在產乙酸菌（Acetomicrobium）和潛在同型產乙酸菌（Moorella）。  

 

意義：群落分區與功能一致，底部主導甲烷化，頂部易積累乙酸。  

早期預警（圖5）  

 

數據：第88天微電極檢測到底部/中部H?消耗下降（濃度上升），第92天產物氣H?升至1.6%（突破閾值）。  

 

意義：微電極提前4天預警酸化，為干預提供緩沖時間（如提前噴淋）。  

 

丹麥Unisense微電極數據的意義  

Unisense微電極（抗H?S干擾設計）實現：  

高時空分辨率監測：每分鐘記錄H?濃度（傳統GC僅點式檢測），首次繪制TBR內部動態分布（圖2）。  

 

區域產能量化：基于H?消耗梯度計算局部甲烷產率（圖3），揭示底部產能是頂部6.6倍，證明TBR設計可優化。  

 

早期預警機制：底部H?消耗下降（第88天）早于產物氣惡化（第92天），提供4天干預窗口（圖5）。  

 

傳質限制解析：證實H?氣液傳質是限制因素——底部高H?分壓驅動強傳質（(Cl*-Cl)差值大），產能達54.8 L L?1 d?1。  

 

結論  

TBR存在顯著垂直分區：底部近進氣口區域（0-12.5 cm）局部甲烷產率最高（54.8 L L?1 d?1），頂部產能利用率低（5.9 L L?1 d?1），整體產率12.6 L L?1 d?1。  

 

微電極監測實現早期預警：提前4天檢測到底部H?消耗下降（酸化前兆），優于傳統出口氣監測。  

 

酸化主因：高負荷下頂部乙酸積累（產乙酸菌活動），通過日噴淋策略可緩解。  

 

工業價值：微電極監測提升TBR產能利用率（底部局部產率比整體高4.3倍），指導反應器小型化設計（產能12.6 L L?1 d?1時，TBR體積可縮減至厭氧消化池的11.9%）。