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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?yàn)闇厥夜┠苡玫恼託獍l(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(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 ?/p>
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，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
物進(jìn)行接種，混合，得到發(fā)酵原料，接種物的加入量為啟動(dòng)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(jìn)行發(fā)酵，水的加入量為至少高于啟動(dòng)原料平面10cm，發(fā)酵溫度控制在20～40℃；
（5）經(jīng)過(guò)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(dòng)；
�。�6）按照步驟(1)～(2)的方法隨時(shí)收集處理溫室生產(chǎn)的有機(jī)廢棄物，及時(shí)投入已經(jīng)啟動(dòng)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(gè)生物酸化積肥裝置投滿，重新啟用另一個(gè)生物酸化積肥裝置，重復(fù)操作步驟(1)～(6)；
第二、進(jìn)行高效沼氣發(fā)生裝置啟動(dòng)，調(diào)控裝置運(yùn)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(dòng)：投入接種物進(jìn)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(jī)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(lái)水調(diào)節(jié)，控制有機(jī)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(fù)荷，連續(xù)進(jìn)料直到實(shí)現(xiàn)水力負(fù)荷為5kgCOD/(m3·d)～10kgCOD/(m3·d)，即完成沼氣發(fā)生裝置的啟動(dòng)，整個(gè)啟動(dòng)大約需50～80d。啟動(dòng)期間，溫度控制為25～35℃。負(fù)荷調(diào)整的原則為，每次水力負(fù)荷調(diào)整運(yùn)行穩(wěn)定后，才開(kāi)始進(jìn)行下一階段負(fù)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(bǔ)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(shí)際預(yù)算沼氣需求的時(shí)間和數(shù)量，按1kgCOD產(chǎn)0.4～0.5m3沼氣折算有機(jī)酸液的需求數(shù)量和時(shí)間，并按時(shí)按量從生物酸化積肥裝置中抽機(jī)酸液進(jìn)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(fù)荷的流量，采用間歇或連續(xù)方式向已經(jīng)啟動(dòng)好的沼氣發(fā)生裝置中進(jìn)料進(jìn)行沼氣生產(chǎn)，產(chǎn)生的沼氣進(jìn)入沼氣緩存裝置備用；進(jìn)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(shí)，采用大流量連續(xù)進(jìn)料，反之，使用小流量間歇進(jìn)料；當(dāng)一個(gè)生物酸化積肥裝置中的抽出物小于800～1000mg/L時(shí)，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(duì)于啟動(dòng)好而溫室不需要使用沼氣，或者一個(gè)沼氣使用周期結(jié)束，溫室很久不使用沼氣時(shí)，停止向高效沼氣發(fā)生裝置中繼續(xù)進(jìn)料，裝置進(jìn)入休停狀態(tài)。休停期間，保持每10～30d補(bǔ)加一次發(fā)酵料，保證系統(tǒng)內(nèi)微生物的營(yíng)養(yǎng)需求。補(bǔ)加發(fā)酵料的調(diào)節(jié)方法同步驟（1）所述；補(bǔ)加發(fā)酵料的量為反應(yīng)器體積1～3倍，補(bǔ)加速度為2～5kgCOD/(m3·d)。
（4）沼氣生產(chǎn)休停后的再啟動(dòng)：對(duì)于步驟(3)中已經(jīng)處于休停狀態(tài)的高效沼氣裝置，再進(jìn)入新的用氣周期前必須進(jìn)行再啟動(dòng)；再啟動(dòng)的方法是在新用氣周期開(kāi)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(fù)荷向高效沼氣裝置進(jìn)行適應(yīng)性進(jìn)料。
（5）應(yīng)急措施
如果溫室自身產(chǎn)生的有機(jī)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(shí)，可以通過(guò)其他來(lái)源獲取有機(jī)固體廢棄物，如干糞便、干秸稈或青草等中的任一種進(jìn)行補(bǔ)充；如果短期溫室用能過(guò)大，生物酸化積肥裝置中產(chǎn)生的酸液不能及時(shí)提供沼氣生產(chǎn)所需求的發(fā)酵料，可以臨時(shí)向其中一個(gè)生物酸化積肥裝置中持續(xù)補(bǔ)充劣質(zhì)淀粉原料，進(jìn)行快速產(chǎn)酸，滿足緊急供能的生產(chǎn)需求。
在實(shí)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(gè)，總體積為溫室一年有機(jī)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(guò)多個(gè)處于不通反應(yīng)階段的生物酸化積肥裝置中同時(shí)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(gè)周期：12月初到來(lái)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(dāng)年的9月開(kāi)始啟動(dòng)，啟動(dòng)完成就進(jìn)入冬季供能階段，進(jìn)入12月，沼氣裝置啟動(dòng)完成，即進(jìn)入當(dāng)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(jìn)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(jìn)料，高效沼氣發(fā)生裝置進(jìn)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(fù)荷補(bǔ)加相當(dāng)于反應(yīng)器體積1.5倍體積的發(fā)酵料，補(bǔ)充裝置營(yíng)養(yǎng)。進(jìn)入6月光照增強(qiáng)，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(fù)荷進(jìn)行適應(yīng)性進(jìn)料，第7天完成重啟動(dòng)后進(jìn)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(shí)間短，沒(méi)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(gè)周期：11月中旬到來(lái)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(dāng)年的3月開(kāi)始啟動(dòng)，啟動(dòng)完成就進(jìn)入夏季供能階段，進(jìn)入6月，沼氣裝置啟動(dòng)完成，即進(jìn)入當(dāng)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(jìn)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(jìn)料，高效沼
氣發(fā)生裝置進(jìn)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(fù)荷向補(bǔ)加相當(dāng)于反應(yīng)器體積2倍體積的發(fā)酵料，補(bǔ)充裝置營(yíng)養(yǎng)。進(jìn)入11月中旬，氣溫降低，為了保證溫室內(nèi)種植物正常生長(zhǎng)，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(fù)荷進(jìn)行適應(yīng)性進(jìn)料，第11天完成重啟動(dòng)后進(jìn)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(duì)較低，加溫耗能較大，溫室自身產(chǎn)生的有機(jī)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(gòu)進(jìn)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(dāng)?shù)丶Z食儲(chǔ)存部門購(gòu)進(jìn)200kg陳化小麥經(jīng)粗磨后連續(xù)投入一個(gè)生物酸化儲(chǔ)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(guò)酸化轉(zhuǎn)化復(fù)雜性溫室有機(jī)廢棄物為可溶性有機(jī)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(jìn)行酸化轉(zhuǎn)化成可溶性有機(jī)質(zhì)，當(dāng)酸化達(dá)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(shí)池內(nèi)已經(jīng)有大量酸液可溶性有機(jī)質(zhì)存在。這些可溶性有機(jī)質(zhì)在溫室需要供能時(shí)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(jì)，保證系統(tǒng)運(yùn)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(guò)多單元酸化積肥池之間按比例抽取酸液進(jìn)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(shí)際需求調(diào)節(jié)。
�。�3）原料酸化儲(chǔ)存轉(zhuǎn)化滿足了分散原料收集，濕式儲(chǔ)存和施肥的需要，降低了肥料儲(chǔ)存難度和成本，減少肥料儲(chǔ)存的環(huán)境影響。
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