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(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0.5kg COD/( m3·d)～2kg COD/( 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5kg COD/( m3·d)～10kg COD/( 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1kg COD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)～30kg COD/(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(dāng)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2～5kg COD/(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1.8kg COD/(m3·d)～2.2 kg COD/(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10000 m2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(dāng)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(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2kg COD/(m3·d)的負荷補加相當(dāng)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2kg COD/(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(dāng)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(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5kg COD/( m3·d)的負荷向補加相當(dāng)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3kg COD/(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(dāng)?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(dāng)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。

 

　　聲明

 

　　本文所述技術(shù)已經(jīng)申報中華人民共和國發(fā)明專利，專利名稱：可時間調(diào)控溫室用沼氣發(fā)酵方法及發(fā)酵系統(tǒng)；專利申請?zhí)枺?00610147417.6

 

　　參考文獻

 

　　[1] 周長吉. 現(xiàn)代溫室工程[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006

 

　　[2] 桑景拴. 溫室花卉藥害的癥狀及補救[J]. 農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，2006, (9): 52

 

　　[3] 王學(xué)忠. CO2氣肥棒技術(shù)在溫室蔬菜上的應(yīng)用[J]. 天津農(nóng)林科技，2006, 190(4): 45

 

　　[4] 唐遵峰，高峰. 燃油熱風(fēng)爐的改進設(shè)計[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2001,31(3): 122-123

 

　　[5] 張全國.沼氣技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005

 

　　[6] 賀延齡.廢水的生物處理[M].北京：中國輕工業(yè)出版社，1998

 

　　[7] 周孟津，張榕林，藺金印.沼氣適用技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004

 

　　[8] 鄭元景，沈永明，沈光范.污水生物處理[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1988