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沼氣發(fā)酵方法及發(fā)酵系統(tǒng)的論文
摘要：介紹了一種能夠為溫室供能用的沼氣發(fā)酵方法及發(fā)酵系統(tǒng)的專利技術(shù)。發(fā)酵系統(tǒng)具體由生物酸化積肥裝置、緩沖調(diào)節(jié)池、高效沼氣發(fā)生裝置、出水沉淀池、出水暫存池和沼氣緩存裝置等依次經(jīng)管道和閥門連接組成。發(fā)酵方法具體步驟包括生物酸化積肥裝置的啟動和原料的生物酸化儲存，高效沼氣發(fā)生裝置的啟動、沼氣生產(chǎn)供應(yīng)、休停和再啟動等。該技術(shù)與傳統(tǒng)沼氣技術(shù)相比，具有一定的優(yōu)勢能夠根據(jù)溫室生產(chǎn)實際，及時把分散在全年產(chǎn)生的種植業(yè)有機廢棄物投加到產(chǎn)酸積肥池中，然后根據(jù)溫室供能需求，隨時通過發(fā)酵系統(tǒng)生產(chǎn)沼氣。發(fā)酵殘渣根據(jù)生產(chǎn)需要分批取出用于溫室有機肥。該技術(shù)實現(xiàn)了可以根據(jù)溫室需求對沼氣發(fā)酵靈活調(diào)節(jié)的要求。
關(guān)鍵詞：沼氣；溫室；供能；可調(diào)控性
1．引言
溫室是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程中重要的技術(shù)主題，溫室的發(fā)展使傳統(tǒng)露天農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)化為保護條件下的可控制農(nóng)業(yè)[1]。目前國際上，溫室已經(jīng)廣泛應(yīng)用于花卉、蔬菜栽培[2]。溫室栽培的最大優(yōu)勢是通過溫室環(huán)境的控制，滿足作物的最佳生活條件，抵抗自然災(zāi)害等，從而獲取最大的生產(chǎn)效益。在溫室管理中，溫室冬季加溫、補光和二氧化碳施肥是重要的環(huán)境調(diào)控措施[3]。這些調(diào)控過程都需要能源的消耗，目前的能源消耗以一次化石能源煤和二次能源柴油、電力[4]為主。這些能源的大量消耗一方面加重了全社會的能源供給負擔，另一方面也大幅度提高產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。受能源價格影響，許多溫室不得不放棄溫室的冬季加溫、補光和二氧化碳施肥，這樣不僅不能充分發(fā)揮溫室的應(yīng)有功能，甚至?xí)斐蓽厥夜芾淼氖 ?/p>
在溫室管理中，每年會產(chǎn)生大量的種植業(yè)有機廢棄物。目前，這些被隨意堆放的廢棄物，造成了嚴重的農(nóng)業(yè)面源污染[3，4]。然而，這些有機廢棄物本身富含大量有機質(zhì)，是非常好的沼氣生產(chǎn)原料。如果能用溫室生產(chǎn)管理過程中產(chǎn)生的有機廢棄物來生產(chǎn)沼氣，從而替代煤、石油、電力等不可再生能源用于溫室供能，不僅可以降低溫室供能成本，同時廢棄物中的營養(yǎng)物質(zhì)又可以循環(huán)利用，減少廢棄物排放，改善農(nóng)業(yè)環(huán)境。但是，迄今為止沒有沼氣在溫室供能領(lǐng)域應(yīng)用的成功案例。
2．傳統(tǒng)沼氣技術(shù)與溫室供能需求的背離
沼氣發(fā)酵技術(shù)可以分為兩類，即傳統(tǒng)沼氣發(fā)酵技術(shù)和水溶性有機物高效沼氣發(fā)酵技術(shù)[5,6]。這兩類技術(shù)應(yīng)用于溫室沼氣供應(yīng)都存在諸多技術(shù)難點。具體分析如下：
傳統(tǒng)的沼氣發(fā)酵技術(shù)，利用復(fù)雜性有機質(zhì)發(fā)酵沼氣，沼氣產(chǎn)生具有非常大的周期性，往往開始投料時產(chǎn)氣慢，中間產(chǎn)氣旺盛，而且一旦沼氣發(fā)酵系統(tǒng)啟動，是否產(chǎn)沼氣和產(chǎn)生多少沼氣，要受原料特性和發(fā)酵規(guī)律的內(nèi)在約束，很難調(diào)節(jié)。而溫室用能表現(xiàn)在取暖、二氧化碳施肥等方面，這些能源需求往往受天氣的控制，而天氣又變化無常。因此，往往是要氣時沒有氣，不要氣時產(chǎn)氣，如果滿足需求將要建立龐大的儲氣裝置，這在投資和占地上是不允許的。如果根據(jù)長期天氣預(yù)報進行計劃式投料，在理論上可行，但在實踐上是難操作的。一方面，長期天氣預(yù)報目前的準確性較差，另一方面，關(guān)于復(fù)雜有機質(zhì)的產(chǎn)氣規(guī)律不可能準確預(yù)測。同時，溫室產(chǎn)生有機廢棄物是分散在全年的各個時段，所產(chǎn)生的廢棄物大多易腐爛，很難儲存。因此傳統(tǒng)的沼氣技術(shù)基本不能適應(yīng)溫室供能需求。
水溶性有機物高效沼氣發(fā)酵技術(shù)，利用可溶解的簡單微生物進行沼氣發(fā)酵，采用高效反應(yīng)器可以實現(xiàn)較高的效率[7,8]。一是可溶性有機質(zhì)非常容易反應(yīng)，沼氣的產(chǎn)生量在反應(yīng)器負荷允許的范圍內(nèi)，基本決定于短期內(nèi)的進料量，即進料多產(chǎn)氣量大，進料少產(chǎn)氣量小，停止進料短期即停止產(chǎn)氣。二是成熟反應(yīng)器中的沼氣發(fā)酵厭氧微生物具有非常強的耐饑餓性，在長期不進料的情況下，反應(yīng)器內(nèi)的微生物能夠長期耐受，而且再啟動時可以迅速恢復(fù)正常高效產(chǎn)氣。水溶性有機物高效沼氣發(fā)酵技術(shù)的以上兩點技術(shù)特征均符合溫室需能波動性的要求。但是，如果單獨為了溫室供能需要而刻意外購水溶性有機物作為發(fā)酵原料生產(chǎn)沼氣，不僅成本上與化石能源不具競爭優(yōu)勢，而且也達不到生物質(zhì)廢棄物資源就地利用、開展循環(huán)經(jīng)濟和環(huán)境建設(shè)的目的。因此，水溶性有機物高效沼氣發(fā)酵技術(shù)也不適合溫室供能需求。
3．技術(shù)內(nèi)容
本文提供一種可以根據(jù)溫室生產(chǎn)實際，把分散在全年產(chǎn)生的種植業(yè)有機廢棄物投加到發(fā)酵系統(tǒng)中，然后根據(jù)溫室供能需求，隨時通過發(fā)酵系統(tǒng)生產(chǎn)沼氣，能夠為溫室提供可用的沼氣發(fā)酵系統(tǒng)及發(fā)酵方法。其中，發(fā)酵系統(tǒng)由生物酸化積肥裝置、緩沖調(diào)節(jié)池、高效沼氣發(fā)生裝置、出水沉淀池、出水暫存池和沼氣緩存裝置依次經(jīng)管道和閥門連接組成。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，生物酸化積肥裝置和緩沖池設(shè)置主控制閥，緩沖池與高效沼氣發(fā)生裝置之間設(shè)置泵，高效沼氣發(fā)生裝置、出水沉淀池出水暫存池之間通過水的重力自流完成連接，出水暫存池同時與緩沖調(diào)節(jié)池和生物酸化積肥裝置相連，中間依次設(shè)泵和配水器，高效沼氣發(fā)生裝置聯(lián)接沼氣緩存裝置。
為了保證沼氣發(fā)酵能夠滿足溫室供能需求，以上發(fā)酵系統(tǒng)按如下步驟管理
第一、進行生物酸化積肥裝置的啟動和原料生物酸化儲存，具體方法如下
�。�1）按相當于溫室平均每天產(chǎn)生量的2.5～3.5倍質(zhì)量收集溫室種植業(yè)有機廢棄物或其他種植業(yè)有機廢棄物作為啟動原料，對啟動原料進行粉碎預(yù)處理；
�。�2）向步驟(1)所得預(yù)處理原料中添加含N元素物質(zhì)，混合，控制混合料碳氮比為(20：1)～(30：1)；
�。�3）將步驟(2)所得混合料投入到初次使用的生物酸化積肥裝置中，加入接種
物進行接種，混合，得到發(fā)酵原料，接種物的加入量為啟動原料干重的3%～5%；
�。�4）向步驟(3)中生物酸化積肥裝置中加水進行發(fā)酵，水的加入量為至少高于啟動原料平面10cm，發(fā)酵溫度控制在20～40℃；
（5）經(jīng)過4～5天發(fā)酵后，發(fā)酵液pH值降到6以下，即完成酸化積肥裝置的啟動；
�。�6）按照步驟(1)～(2)的方法隨時收集處理溫室生產(chǎn)的有機廢棄物，及時投入已經(jīng)啟動的生物酸化積肥裝置中，不需接種，直接加水至原料平面以上10cm；
�。�7）重復(fù)步驟(6)直至一個生物酸化積肥裝置投滿，重新啟用另一個生物酸化積肥裝置，重復(fù)操作步驟(1)～(6)；
第二、進行高效沼氣發(fā)生裝置啟動，調(diào)控裝置運行滿足溫室用能與沼氣生產(chǎn)的協(xié)調(diào)，具體方法如下：
�。�1）高效沼氣發(fā)生裝置啟動：投入接種物進入高效沼氣發(fā)生裝置，用水或水與生物酸化積肥裝置中抽出的酸液混合物加滿沼氣發(fā)生裝置，靜止3～5d，接種物加入量為3～10kgVSS/m3；從生物酸化積肥裝置抽出有機酸液泵入緩沖調(diào)節(jié)池中，用出水暫存池中的系統(tǒng)出水或外來水調(diào)節(jié)，控制有機酸液的化學(xué)耗氧量（COD）濃度為2000～5000mg/L，作為沼氣發(fā)酵料；按0.5kgCOD/(m3·d)～2kgCOD/(m3·d)的速率階段式調(diào)整水力負荷，連續(xù)進料直到實現(xiàn)水力負荷為5kgCOD/(m3·d)～10kgCOD/(m3·d)，即完成沼氣發(fā)生裝置的啟動，整個啟動大約需50～80d。啟動期間，溫度控制為25～35℃。負荷調(diào)整的原則為，每次水力負荷調(diào)整運行穩(wěn)定后，才開始進行下一階段負荷的增加；沼氣發(fā)生裝置的出水經(jīng)沉淀池沉淀后，流入出水暫存池，部分作為生物酸化積肥裝置液體補加，部分用于緩沖調(diào)節(jié)池酸液的發(fā)酵料調(diào)節(jié)使用。（2）沼氣生產(chǎn)供應(yīng)：根據(jù)溫室生產(chǎn)實際預(yù)算沼氣需求的時間和數(shù)量，按1kgCOD產(chǎn)0.4～0.5m3沼氣折算有機酸液的需求數(shù)量和時間，并按時按量從生物酸化積肥裝置中抽機酸液進入緩沖調(diào)節(jié)池，按步驟（1）中所述方法調(diào)節(jié)成沼氣發(fā)酵料；按5kgCOD/(m3·d)～30kgCOD/(m3·d)水力負荷的流量，采用間歇或連續(xù)方式向已經(jīng)啟動好的沼氣發(fā)生裝置中進料進行沼氣生產(chǎn)，產(chǎn)生的沼氣進入沼氣緩存裝置備用；進料的流速控制、間歇或連續(xù)方式取決于每次沼氣的需求量和沼氣緩存裝置的體積。沼氣需求大、沼氣緩存裝置體積小時，采用大流量連續(xù)進料，反之，使用小流量間歇進料；當一個生物酸化積肥裝置中的抽出物小于800～1000mg/L時，即該生物酸化積肥裝置停止產(chǎn)酸，停止從該裝置繼續(xù)抽取發(fā)酵液。
�。�3）沼氣生產(chǎn)休停：對于啟動好而溫室不需要使用沼氣，或者一個沼氣使用周期結(jié)束，溫室很久不使用沼氣時，停止向高效沼氣發(fā)生裝置中繼續(xù)進料，裝置進入休停狀態(tài)。休停期間，保持每10～30d補加一次發(fā)酵料，保證系統(tǒng)內(nèi)微生物的營養(yǎng)需求。補加發(fā)酵料的調(diào)節(jié)方法同步驟（1）所述；補加發(fā)酵料的量為反應(yīng)器體積1～3倍，補加速度為2～5kgCOD/(m3·d)。
�。�4）沼氣生產(chǎn)休停后的再啟動：對于步驟(3)中已經(jīng)處于休停狀態(tài)的高效沼氣裝置，再進入新的用氣周期前必須進行再啟動；再啟動的方法是在新用氣周期開始前3～10d，按照步驟(1)中所述方法調(diào)節(jié)發(fā)酵料，按1.8kgCOD/(m3·d)～2.2kgCOD/(m3·d)負荷向高效沼氣裝置進行適應(yīng)性進料。
�。�5）應(yīng)急措施
如果溫室自身產(chǎn)生的有機廢棄物的總沼氣產(chǎn)生潛力與溫室總供能所需沼氣數(shù)量存在較大缺口時，可以通過其他來源獲取有機固體廢棄物，如干糞便、干秸稈或青草等中的任一種進行補充；如果短期溫室用能過大，生物酸化積肥裝置中產(chǎn)生的酸液不能及時提供沼氣生產(chǎn)所需求的發(fā)酵料，可以臨時向其中一個生物酸化積肥裝置中持續(xù)補充劣質(zhì)淀粉原料，進行快速產(chǎn)酸，滿足緊急供能的生產(chǎn)需求。
在實際應(yīng)用中，為保證系統(tǒng)的調(diào)節(jié)靈活性，生物酸化積肥裝置2一般設(shè)置6～12個，總體積為溫室一年有機垃圾產(chǎn)生總體積的60%～80%。為了保證發(fā)酵料濃度和數(shù)量調(diào)節(jié)的可靠性和靈活性，通過多個處于不通反應(yīng)階段的生物酸化積肥裝置中同時抽取酸液，連同系統(tǒng)出水共同混合調(diào)節(jié)。
4．應(yīng)用案例
案例1：上海某花卉公司的溫室
某花卉公司用戶，地處上海地區(qū)，擁有10000m2溫室。根據(jù)全年氣候，管理者確定溫室全年需求集中在兩個周期：12月初到來年的2月中旬為冬季加溫供能期，6初到9月底的二氧化碳施肥用能期。高效沼氣發(fā)生裝置是AF結(jié)構(gòu)，沼氣在當年的9月開始啟動，啟動完成就進入冬季供能階段，進入12月，沼氣裝置啟動完成，即進入當年的加溫供能沼氣生產(chǎn)期，具體每天的沼氣需求量根據(jù)天氣具體變化決定。進入第2年2月中旬，氣溫升高，溫室不再需要加溫供能，管理者停止向反應(yīng)器進料，高效沼氣發(fā)生裝置進入休停期。休停期間管理者每15天用COD濃度為4000mg/L的混合發(fā)酵液，按2kgCOD/(m3·d)的負荷補加相當于反應(yīng)器體積1.5倍體積的發(fā)酵料，補充裝置營養(yǎng)。進入6月光照增強，為了增加溫室效益，管理者采用了二氧化碳施肥管理。管理者在6月初比沼氣需求提前7天按2kgCOD/(m3·d)負荷進行適應(yīng)性進料，第7天完成重啟動后進入夏季沼氣供應(yīng)期管理。由于上海地處暖溫帶，一年中的能源供給時間短，沒有發(fā)生原料短缺和緊急供能不足的情況。
案例2：淮北某蔬菜公司用戶
該地區(qū)地處皖北，擁有30000m2溫室。根據(jù)全年氣候規(guī)律，管理者確定溫室全年需求集中在兩個周期：11月中旬到來年的3月中旬為冬季加溫供能期，6初到9月底的二氧化碳施肥供能期，具體每天的沼氣需求量根據(jù)天氣具體變化決定。高效沼氣發(fā)生裝置是UASB結(jié)構(gòu)，沼氣在當年的3月開始啟動，啟動完成就進入夏季供能階段，進入6月，沼氣裝置啟動完成，即進入當年的二氧化碳施肥沼氣生產(chǎn)期，具體每天的沼氣需求量根據(jù)天氣具體變化決定。進入9月中旬，光照指數(shù)降低，溫室二氧化碳施肥效益下降，管理者停止向發(fā)酵器進料，高效沼
氣發(fā)生裝置進入休停期。休停期間管理者每20天用COD濃度為5000mg/L的混合發(fā)酵液，按5kgCOD/(m3·d)的負荷向補加相當于反應(yīng)器體積2倍體積的發(fā)酵料，補充裝置營養(yǎng)。進入11月中旬，氣溫降低，為了保證溫室內(nèi)種植物正常生長，管理者采用了加溫管理。管理者在11月初比沼氣需求提前10天按3kgCOD/(m3·d)負荷進行適應(yīng)性進料，第11天完成重啟動后進入冬季沼氣供應(yīng)期管理。由于皖北地區(qū)冬季和春季溫度相對較低，加溫耗能較大，溫室自身產(chǎn)生的有機肥廢棄物總產(chǎn)沼氣潛力不能滿足溫室生產(chǎn)的沼氣需求，管理者另外購進2000kg干麥草，于9月下旬按照與步驟2相同的方法投入生物酸化積肥池備用。特別是第2年元月中旬，連續(xù)5天低溫，溫室加溫用沼氣消耗量急劇上升，生物酸化積肥池中抽出的酸液不能正常滿足沼氣生產(chǎn)需求，管理者從當?shù)丶Z食儲存部門購進200kg陳化小麥經(jīng)粗磨后連續(xù)投入一個生物酸化儲存池，快速產(chǎn)酸原料的投入滿足了短缺的能源需求。
5．結(jié)論
根據(jù)以上技術(shù)內(nèi)容和案例應(yīng)用，可以看出該技術(shù)完全能夠?qū)崿F(xiàn)溫室供能的沼氣化，具體如下：
（1）通過酸化轉(zhuǎn)化復(fù)雜性溫室有機廢棄物為可溶性有機質(zhì)高效沼氣，滿足了沼氣發(fā)酵可以根據(jù)溫室需求靈活調(diào)節(jié)的需要。原料投入酸化積肥池后，在其中進行酸化轉(zhuǎn)化成可溶性有機質(zhì)，當酸化達到一定水平，酸化轉(zhuǎn)化停止。原料在高酸度條件下得到保存，但是此時池內(nèi)已經(jīng)有大量酸液可溶性有機質(zhì)存在。這些可溶性有機質(zhì)在溫室需要供能時可以馬上提供發(fā)酵原料，產(chǎn)生所需沼氣。
（2）多單元酸化積肥池以及緩沖調(diào)節(jié)池的設(shè)計，保證系統(tǒng)運行的可靠性和可調(diào)節(jié)性。原料在高酸度條件下得到保存，酸性條件使結(jié)構(gòu)得到改善。在酸液適度抽取條件下，多單元酸化積肥池內(nèi)的原料能夠規(guī)律產(chǎn)酸。通過多單元酸化積肥池之間按比例抽取酸液進入緩沖調(diào)節(jié)池，獲取適合的酸液濃度和數(shù)量，保證產(chǎn)沼氣能夠根據(jù)實際需求調(diào)節(jié)。
�。�3）原料酸化儲存轉(zhuǎn)化滿足了分散原料收集，濕式儲存和施肥的需要，降低了肥料儲存難度和成本，減少肥料儲存的環(huán)境影響。
參考文獻
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