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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。發(fā)酵系統(tǒng)具體由生物酸化積肥裝置、緩沖調節(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、休停和再啟動等。該技術與傳統(tǒng)沼氣技術相比，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。該技術實現(xiàn)了可以根據(jù)溫室需求對沼氣發(fā)酵靈活調節(jié)的要求。關鍵詞：沼氣；溫室；供能；可調控性
1．引言
溫室是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程中重要的技術主題，溫室的發(fā)展使傳統(tǒng)露天農(nóng)業(yè)轉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)境調控措施[3]。這些調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)揮溫室的應有功能，甚至會造成溫室管理的失敗。
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，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域應用的成功案例。
2．傳統(tǒng)沼氣技術與溫室供能需求的背離
沼氣發(fā)酵技術可以分為兩類，即傳統(tǒng)沼氣發(fā)酵技術和水溶性有機物高效沼氣發(fā)酵技術[5, 6]。這兩類技術應用于溫室沼氣供應都存在諸多技術難點。具體分析如下：
傳統(tǒng)的沼氣發(fā)酵技術，利用復雜性有機質發(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，長期天氣預報目前的準確性較差，另一方面，關于復雜有機質的產(chǎn)氣規(guī)律不可能準確預測。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)的沼氣技術基本不能適應溫室供能需求。
水溶性有機物高效沼氣發(fā)酵技術，利用可溶解的簡單微生物進行沼氣發(fā)酵，采用高效反應器可以實現(xiàn)較高的效率[7,8]。一是可溶性有機質非常容易反應，沼氣的產(chǎn)生量在反應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正常高效產(chǎn)氣。水溶性有機物高效沼氣發(fā)酵技術的以上兩點技術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廢棄物資源就地利用、開展循環(huán)經(jīng)濟和環(huán)境建設的目的。因此，水溶性有機物高效沼氣發(fā)酵技術也不適合溫室供能需求。
3．技術內(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。其結構如圖1所示。其中，生物酸化積肥裝置和緩沖池設置主控制閥，緩沖池與高效沼氣發(fā)生裝置之間設置泵， 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節(jié)池和生物酸化積肥裝置相連， 中間依次設泵和配水器，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處理；
（2）向步驟(1)所得預處理原料中添加含N元素物質，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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