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為溫室供能用沼氣發(fā)酵方法及發(fā)酵系統
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)酵系統的專(zhuān)利技術(shù)。發(fā)酵系統具體由生物酸化積肥裝置、緩沖調節池、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存，高效沼氣發(fā)生裝置的啟動(dòng)、沼氣生產(chǎn)供應、休停和再啟動(dòng)等。該技術(shù)與傳統沼氣技術(shù)相比，具有一定的優(yōu)勢能夠根據溫室生產(chǎn)實(shí)際，及時(shí)把分散在全年產(chǎn)生的種植業(yè)有機廢棄物投加到產(chǎn)酸積肥池中，然后根據溫室供能需求，隨時(shí)通過(guò)發(fā)酵系統生產(chǎn)沼氣。發(fā)酵殘渣根據生產(chǎn)需要分批取出用于溫室有機肥。該技術(shù)實(shí)現了可以根據溫室需求對沼氣發(fā)酵靈活調節的要求。關(guān)鍵詞：沼氣；溫室；供能；可調控性
1．引言
溫室是現代農業(yè)工程中重要的技術(shù)主題，溫室的發(fā)展使傳統露天農業(yè)轉化為保護條件下的可控制農業(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(guò)溫室環(huán)境的控制，滿(mǎn)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(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 )的能源供給負擔，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(huì )造成溫室管理的失敗。
在溫室管理中，每年會(huì )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(guò)程中產(chǎn)生的有機廢棄物來(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)養物質(zhì)又可以循環(huán)利用，減少廢棄物排放，改善農業(yè)環(huán)境。但是，迄今為止沒(méi)有沼氣在溫室供能領(lǐng)域應用的成功案例。
2．傳統沼氣技術(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(lèi)技術(shù)應用于溫室沼氣供應都存在諸多技術(shù)難點(diǎn)。具體分析如下：
傳統的沼氣發(fā)酵技術(shù)，利用復雜性有機質(zhì)發(fā)酵沼氣，沼氣產(chǎn)生具有非常大的周期性，往往開(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)酵規律的內在約束，很難調節。而溫室用能表現在取暖、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，往往是要氣時(shí)沒(méi)有氣，不要氣時(shí)產(chǎn)氣，如果滿(mǎn)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。如果根據長(cháng)期天氣預報進(jìn)行計劃式投料，在理論上可行，但在實(shí)踐上是難操作的。一方面，長(cháng)期天氣預報目前的準確性較差，另一方面，關(guān)于復雜有機質(zhì)的產(chǎn)氣規律不可能準確預測。同時(shí)，溫室產(chǎn)生有機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，很難儲存。因此傳統的沼氣技術(shù)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(shù)，利用可溶解的簡(jiǎn)單微生物進(jìn)行沼氣發(fā)酵，采用高效反應器可以實(shí)現較高的效率[7,8]。一是可溶性有機質(zhì)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，基本決定于短期內的進(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(cháng)期不進(jìn)料的情況下，反應器內的微生物能夠長(cháng)期耐受，而且再啟動(dòng)時(shí)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(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(kāi)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(shù)也不適合溫室供能需求。
3．技術(shù)內容
本文提供一種可以根據溫室生產(chǎn)實(shí)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)酵系統中，然后根據溫室供能需求，隨時(shí)通過(guò)發(fā)酵系統生產(chǎn)沼氣，能夠為溫室提供可用的沼氣發(fā)酵系統及發(fā)酵方法。其中，發(fā)酵系統由生物酸化積肥裝置、 緩沖調節池、 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(guò)水的重力自流完成連接， 出水暫存池同時(shí)與緩沖調節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(mǎn)足溫室供能需求，以上發(fā)酵系統按如下步驟管理
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(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(dòng)原料，對啟動(dòng)原料進(jìn)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(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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