為溫室供能用沼氣發(fā)酵方法及發(fā)酵系統(tǒng)
摘要：介紹了一種能夠?yàn)闇厥夜┠苡玫恼託獍l(fā)酵方法及發(fā)酵系統(tǒng)的專(zhuān)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(mén)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(dòng)和原料的生物酸化儲(chǔ)存，高效沼氣發(fā)生裝置的啟動(dòng)、沼氣生產(chǎn)供應(yīng)、休停和再啟動(dòng)等。該技術(shù)與傳統(tǒng)沼氣技術(shù)相比，具有一定的優(yōu)勢(shì)能夠根據(jù)溫室生產(chǎn)實(shí)際，及時(shí)把分散在全年產(chǎn)生的種植業(yè)有機(jī)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(shí)通過(guò)發(fā)酵系統(tǒng)生產(chǎn)沼氣。發(fā)酵殘?jiān)鶕?jù)生產(chǎn)需要分批取出用于溫室有機(jī)肥。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了可以根據(jù)溫室需求對(duì)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(hù)條件下的可控制農(nóng)業(yè)[1]。目前國(guó)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(shì)是通過(guò)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(bǔ)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(guò)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(huì)的能源供給負(fù)擔(dān)，另一方面也大幅度提高產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。受能源價(jià)格影響，許多溫室不得不放棄溫室的冬季加溫、補(bǔ)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 ?
在溫室管理中，每年會(huì)產(chǎn)生大量的種植業(yè)有機(jī)廢棄物。目前，這些被隨意堆放的廢棄物，造成了嚴(yán)重的農(nóng)業(yè)面源污染[3，4]。然而，這些有機(jī)廢棄物本身富含大量有機(jī)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(guò)程中產(chǎn)生的有機(jī)廢棄物來(lái)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(shí)廢棄物中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)又可以循環(huán)利用，減少?gòu)U棄物排放，改善農(nóng)業(yè)環(huán)境。但是，迄今為止沒(méi)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(lèi)，即傳統(tǒng)沼氣發(fā)酵技術(shù)和水溶性有機(jī)物高效沼氣發(fā)酵技術(shù)[5, 6]。這兩類(lèi)技術(shù)應(yīng)用于溫室沼氣供應(yīng)都存在諸多技術(shù)難點(diǎn)。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(jī)質(zhì)發(fā)酵沼氣，沼氣產(chǎn)生具有非常大的周期性，往往開(kāi)始投料時(shí)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(dòng)，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(wú)常。因此，往往是要?dú)鈺r(shí)沒(méi)有氣，不要?dú)鈺r(shí)產(chǎn)氣，如果滿足需求將要建立龐大的儲(chǔ)氣裝置，這在投資和占地上是不允許的。如果根據(jù)長(zhǎng)期天氣預(yù)報(bào)進(jìn)行計(jì)劃式投料，在理論上可行，但在實(shí)踐上是難操作的。一方面，長(zhǎng)期天氣預(yù)報(bào)目前的準(zhǔn)確性較差，另一方面，關(guān)于復(fù)雜有機(jī)質(zhì)的產(chǎn)氣規(guī)律不可能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。同時(shí)，溫室產(chǎn)生有機(jī)廢棄物是分散在全年的各個(gè)時(shí)段，所產(chǎn)生的廢棄物大多易腐爛，很難儲(chǔ)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(jī)物高效沼氣發(fā)酵技術(shù)，利用可溶解的簡(jiǎn)單微生物進(jìn)行沼氣發(fā)酵，采用高效反應(yīng)器可以實(shí)現(xiàn)較高的效率[7,8]。一是可溶性有機(jī)質(zhì)非常容易反應(yīng)，沼氣的產(chǎn)生量在反應(yīng)器負(fù)荷允許的范圍內(nèi)，基本決定于短期內(nèi)的進(jìn)料量，即進(jìn)料多產(chǎn)氣量大，進(jìn)料少產(chǎn)氣量小，停止進(jìn)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(qiáng)的耐饑餓性，在長(zhǎng)期不進(jìn)料的情況下，反應(yīng)器內(nèi)的微生物能夠長(zhǎng)期耐受，而且再啟動(dòng)時(shí)可以迅速恢復(fù)正常高效產(chǎn)氣。水溶性有機(jī)物高效沼氣發(fā)酵技術(shù)的以上兩點(diǎn)技術(shù)特征均符合溫室需能波動(dòng)性的要求。但是，如果單獨(dú)為了溫室供能需要而刻意外購(gòu)水溶性有機(jī)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(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，而且也達(dá)不到生物質(zhì)廢棄物資源就地利用、開(kāi)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境建設(shè)的目的。因此，水溶性有機(jī)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(shí)際，把分散在全年產(chǎn)生的種植業(yè)有機(jī)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(shí)通過(guò)發(fā)酵系統(tǒng)生產(chǎn)沼氣，能夠?yàn)闇厥姨峁┛捎玫恼託獍l(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(mén)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(guò)水的重力自流完成連接， 出水暫存池同時(shí)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(jìn)行生物酸化積肥裝置的啟動(dòng)和原料生物酸化儲(chǔ)存，具體方法如下
（1）按相當(dāng)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(jī)廢棄物或其他種植業(yè)有機(jī)廢棄物作為啟動(dòng)原料，對(duì)啟動(dòng)原料進(jìn)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
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