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为温室供能用沼气发酵方法及发酵系统

　　摘要：介绍了一种能够为温室供能用的沼气发酵方法及发酵系统的专利技术。发酵系统具体由生物酸化积肥装置、缓冲调节池、高效沼气发生装置、出水沉淀池、出水暂存池和沼气缓存装置等依次经管道和阀门连接组成。发酵方法具体步骤包括生物酸化积肥装置的启动和原料的生物酸化储存，高效沼气发生装置的启动、沼气生产供应、休停和再启动等。该技术与传统沼气技术相比，具有一定的优势能够根据温室生产实际，及时把分散在全年产生的种植业有机废弃物投加到产酸积肥池中，然后根据温室供能需求，随时通过发酵系统生产沼气。发酵残渣根据生产需要分批取出用于温室有机肥。该技术实现了可以根据温室需求对沼气发酵灵活调节的要求。
　　关键词：沼气；温室；供能；可调控性
　　1．引言
　　温室是现代农业工程中重要的技术主题，温室的发展使传统露天农业转化为保护条件下的可控制农业[1]。目前国际上，温室已经广泛应用于花卉、蔬菜栽培。温室栽培的最大优势是通过温室环境的控制，满足作物的最佳生活条件，抵抗自然灾害等，从而获取最大的生产效益。在温室管理中，温室冬季加温、补光和二氧化碳施肥是重要的环境调控措施。这些调控过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、电力为主。这些能源的大量消耗一方面加重了全社会的能源供给负担，另一方面也大幅度提高产品的生产成本。受能源价格影响，许多温室不得不放弃温室的冬季加温、补光和二氧化碳施肥，这样不仅不能充分发挥温室的应有功能，甚至会造成温室管理的失败。
　　在温室管理中，每年会产生大量的种植业有机废弃物。目前，这些被随意堆放的废弃物，造成了严重的农业面源污染[3，4]。然而，这些有机废弃物本身富含大量有机质，是非常好的沼气生产原料。如果能用温室生产管理过程中产生的有机废弃物来生产沼气，从而替代煤、石油、电力等不可再生能源用于温室供能，不仅可以降低温室供能成本，同时废弃物中的营养物质又可以循环利用，减少废弃物排放，改善农业环境。但是，迄今为止没有沼气在温室供能领域应用的成功案例。
　　2．传统沼气技术与温室供能需求的背离
　　沼气发酵技术可以分为两类，即传统沼气发酵技术和水溶性有机物高效沼气发酵技术[5, 6]。这两类技术应用于温室沼气供应都存在诸多技术难点。具体分析
　　传统的沼气发酵技术，利用复杂性有机质发酵沼气，沼气产生具有非常大的周期性，往往开始投料时产气慢，中间产气旺盛，而且一旦沼气发酵系统启动，是否产沼气和产生多少沼气，要受原料特性和发酵规律的内在约束，很难调节。而温室用能表现在取暖、二氧化碳施肥等方面，这些能源需求往往受天气的控制，而天气又变化无常。因此，往往是要气时没有气，不要气时产气，如果满足需求将要建立庞大的储气装置，这在投资和占地上是不允许的。如果根据长期天气预报进行计划式投料，在理论上可行，但在实践上是难操作的。一方面，长期天气预报目前的准确性较差，另一方面，关于复杂有机质的产气规律不可能准确预测。同时，温室产生有机废弃物是分散在全年的各个时段，所产生的废弃物大多易腐烂，很难储存。因此传统的沼气技术基本不能适应温室供能需求。
　　水溶性有机物高效沼气发酵技术，利用可溶解的简单微生物进行沼气发酵，采用高效反应器可以实现较高的效率[7,8]。一是可溶性有机质非常容易反应，沼气的产生量在反应器负荷允许的范围内，基本决定于短期内的进料量，即进料多产气量大，进料少产气量小，停止进料短期即停止产气。二是成熟反应器中的沼气发酵厌氧微生物具有非常强的耐饥饿性，在长期不进料的情况下，反应器内的微生物能够长期耐受，而且再启动时可以迅速恢复正常高效产气。水溶性有机物高效沼气发酵技术的以上两点技术特征均符合温室需能波动性的要求。但是，如果单独为了温室供能需要而刻意外购水溶性有机物作为发酵原料生产沼气，不仅成本上与化石能源不具竞争优势，而且也达不到生物质废弃物资源就地利用、开展循环经济和环境建设的目的。因此，水溶性有机物高效沼气发酵技术也不适合温室供能需求。
　　3．技术内容
　　本文提供一种可以根据温室生产实际，把分散在全年产生的种植业有机废弃物投加到发酵系统中，然后根据温室供能需求，随时通过发酵系统生产沼气，能够为温室提供可用的沼气发酵系统及发酵方法。其中，发酵系统由生物酸化积肥装置 缓冲调节池、 高效沼气发生装置、出水沉淀池、出水暂存池和沼气缓存装置依次经管道和阀门连接组成。其结构如图1所示。其中，生物酸化积肥装置和缓冲池设置主控制阀，缓冲池与高效沼气发生装置之间设置泵， 高效沼气发生装置、出水沉淀池出水暂存池之间通过水的重力自流完成连接， 出水暂存池同时与缓冲调节池和生物酸化积肥装置相连， 中间依次设泵和配水器，高效沼气发生装置联接沼气缓存装置。
　　为了保证沼气发酵能够满足温室供能需求，以上发酵系统按如下步骤管理
　　第一、进行生物酸化积肥装置的启动和原料生物酸化储存，具体方法如下
　　按相当于温室平均每天产生量的～倍质量收集温室种植业有机废弃物或其他种植业有机废弃物作为启动原料，对启动原料进行粉碎预处理；
　　向步骤(1)所得预处理原料中添加含N元素物质，混合，控制混合料碳氮比为(20：1)～(30：1)；
　　将步骤(2)所得混合料投入到初次使用的生物酸化积肥装置中，加入接种物进行接种，混合，得到发酵原料，接种物的加入量为启动原料干重的3%～5%；
　　向步骤(3)中生物酸化积肥装置中加水进行发酵，水的加入量为至少高于启动原料平面10cm，发酵温度控制在20～40℃；
　　经过4～5天发酵后，发酵液pH值降到6以下，即完成酸化积肥装置的启动；
　　按照步骤(1)～(2)的方法随时收集处理温室生产的有机废弃物，及时投入已经启动的生物酸化积肥装置中，不需接种，直接加水至原料平面以上10cm；
　　重复步骤(6)直至一个生物酸化积肥装置投满，重新启用另一个生物酸化积肥装置，重复操作步骤(1)～(6) ；
　　第二、进行高效沼气发生装置启动，调控装置运行满足温室用能与沼气生产的协调，具体方法
　　高效沼气发生装置启动：投入接种物进入高效沼气发生装置，用水或水与生物酸化积肥装置中抽出的酸液混合物加满沼气发生装置，静止3～5d，接种物加入量为3～10kgVSS/m3；从生物酸化积肥装置抽出有机酸液泵入缓冲调节池中，用出水暂存池中的系统出水或外来水调节，控制有机酸液的化学耗氧量浓度为2000～5000mg/L，作为沼气发酵料；按 COD/( m3·d)～2kg COD/( m3·d)的速率阶段式调整水力负荷，连续进料直到实现水力负荷为5kg COD/( m3·d)～10kg COD/( m3·d)，即完成沼气发生装置的启动，整个启动大约需50～80d。启动期间，温度控制为25～35℃。负荷调整的原则为，每次水力负荷调整运行稳定后，才开始进行下一阶段负荷的增加；沼气发生装置的出水经沉淀池沉淀后，流入出水暂存池，部分作为生物酸化积肥装置液体补加，部分用于缓冲调节池酸液的发酵料调节使用。

　　沼气生产供应：根据温室生产实际预算沼气需求的时间和数量，按1kg COD产 ～沼气折算有机酸液的需求数量和时间，并按时按量从生物酸化积肥装置中抽机酸液进入缓冲调节池，按步骤中所述方法调节成沼气发酵料；按5kgCOD/( m3·d)～30kg COD/(m3·d)水力负荷的流量，采用间歇或连续方式向已经启动好的沼气发生装置中进料进行沼气生产，产生的沼气进入沼气缓存装置备用；进料的流速控制、间歇或连续方式取决于每次沼气的需求量和沼气缓存装置的体积。沼气需求大、沼气缓存装置体积小时，采用大流量连续进料，反之，使用小流量间歇进料；当一个生物酸化积肥装置中的抽出物小于800～1000mg/L时，即该生物酸化积肥装置停止产酸，停止从该装置继续抽取发酵液。
　　沼气生产休停：对于启动好而温室不需要使用沼气，或者一个沼气使用周期结束，温室很久不使用沼气时，停止向高效沼气发生装置中继续进料，装置进入休停状态。休停期间，保持每10～30d补加一次发酵料，保证系统内微生物的营养需求。补加发酵料的调节方法同步骤所述；补加发酵料的量为反应器体积1～3倍，补加速度为2～5kg COD/(m3·d)。
　　沼气生产休停后的再启动：对于步骤(3)中已经处于休停状态的高效沼气装置，再进入新的用气周期前必须进行再启动；再启动的方法是在新用气周期开始前3～10d，按照步骤(1)中所述方法调节发酵料，按 COD/(m3·d)～ kg COD/(m3·d)负荷向高效沼气装置进行适应性进料。
　　应急措施
　　如果温室自身产生的有机废弃物的总沼气产生潜力与温室总供能所需沼气数量存在较大缺口时，可以通过其他来源获取有机固体废弃物，如干粪便、干秸秆或青草等中的任一种进行补充；如果短期温室用能过大，生物酸化积肥装置中产生的酸液不能及时提供沼气生产所需求的发酵料，可以临时向其中一个生物酸化积肥装置中持续补充劣质淀粉原料，进行快速产酸，满足紧急供能的生产需求。
　　在实际应用中，为保证系统的调节灵活性，生物酸化积肥装置2一般设置6～12个，总体积为温室一年有机垃圾产生总体积的60%～80%。为了保证发酵料浓度和数量调节的可靠性和灵活性，通过多个处于不通反应阶段的生物酸化积肥装置中同时抽取酸液，连同系统出水共同混合调节。
　　4．应用案例
　　案例1：上海某花卉公司的温室
　　某花卉公司用户，地处上海地区，拥有10000 m2温室。根据全年气候，管理者确定温室全年需求集中在两个周期：12月初到来年的2月中旬为冬季加温供能期，6初到9月底的二氧化碳施肥用能期。高效沼气发生装置是AF结构，沼气在当年的9月开始启动，启动完成就进入冬季供能阶段，进入12月，沼气装置启动完成，即进入当年的加温供能沼气生产期，具体每天的沼气需求量根据天气具体变化决定。进入第2年2月中旬，气温升高，温室不再需要加温供能，管理者停止向反应器进料，高效沼气发生装置进入休停期。休停期间管理者每15天用COD浓度为4000mg/L的混合发酵液，按2kg COD/(m3·d)的负荷补加相当于反应器体积倍体积的发酵料，补充装置营养。进入6月光照增强，为了增加温室效益，管理者采用了二氧化碳施肥管理。管理者在6月初比沼气需求提前7天按2kg COD/(m3·d)负荷进行适应性进料，第7天完成重启动后进入夏季沼气供应期管理。由于上海地处暖温带，一年中的能源供给时间短，没有发生原料短缺和紧急供能不足的情况。
　　案例2：淮北某蔬菜公司用户
　　该地区地处皖北，拥有30000m2温室。根据全年气候规律，管理者确定温室全年需求集中在两个周期：11月中旬到来年的3月中旬为冬季加温供能期，6初到9月底的二氧化碳施肥供能期，具体每天的沼气需求量根据天气具体变化决定。高效沼气发生装置是UASB结构，沼气在当年的3月开始启动，启动完成就进入夏季供能阶段，进入6月，沼气装置启动完成，即进入当年的二氧化碳施肥沼气生产期，具体每天的沼气需求量根据天气具体变化决定。进入9月中旬，光照指数降低，温室二氧化碳施肥效益下降，管理者停止向发酵器进料，高效沼气发生装置进入休停期。休停期间管理者每20天用COD浓度为5000mg/L的混合发酵液，按5kg COD/( m3·d)的负荷向补加相当于反应器体积2倍体积的发酵料，补充装置营养。进入11月中旬，气温降低，为了保证温室内种植物正常生长，管理者采用了加温管理。管理者在11月初比沼气需求提前10天按3kg COD/(m3·d)负荷进行适应性进料，第11天完成重启动后进入冬季沼气供应期管理。由于皖北地区冬季和春季温度相对较低，加温耗能较大，温室自身产生的有机肥废弃物总产沼气潜力不能满足温室生产的沼气需求，管理者另外购进2000kg干麦草，于9月下旬按照与步骤2相同的方法投入生物酸化积肥池备用。特别是第2年元月中旬，连续5天低温，温室加温用沼气消耗量急剧上升，生物酸化积肥池中抽出的酸液不能正常满足沼气生产需求，管理者从当地粮食储存部门购进200kg陈化小麦经粗磨后连续投入一个生物酸化储存池，快速产酸原料的投入满足了短缺的能源需求。
　　5．结论
　　根据以上技术内容和案例应用，可以看出该技术完全能够实现温室供能的沼气化，具体
　　通过酸化转化复杂性温室有机废弃物为可溶性有机质高效沼气，满足了沼气发酵可以根据温室需求灵活调节的需要。原料投入酸化积肥池后，在其中进行酸化转化成可溶性有机质，当酸化达到一定水平，酸化转化停止。原料在高酸度条件下得到保存，但是此时池内已经有大量酸液可溶性有机质存在。这些可溶性有机质在温室需要供能时可以马上提供发酵原料，产生所需沼气。
　　多单元酸化积肥池以及缓冲调节池的设计，保证系统运行的可靠性和可调节性。原料在高酸度条件下得到保存，酸性条件使结构得到改善。在酸液适度抽取条件下，多单元酸化积肥池内的原料能够规律产酸。通过多单元酸化积肥池之间按比例抽取酸液进入缓冲调节池，获取适合的酸液浓度和数量，保证产沼气能够根据实际需求调节。
　　原料酸化储存转化满足了分散原料收集，湿式储存和施肥的需要，降低了肥料储存难度和成本，减少肥料储存的环境影响。
　　声明
　　本文所述技术已经申报中华人民共和国发明专利，专利名称：可时间调控温室用沼气发酵方法及发酵系统；专利申请号：
　　参考文献
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