摘要：沼氣發酵又稱為厭氧消化、厭氧發酵，是指有機物質(如人畜家禽糞便、秸稈、雜草等)在一定的水分、溫度和厭氧條件下，通過各類微生物的分解代謝，最終形成甲烷和二氧化碳等可燃性混合氣體(沼氣)的過程。本文介紹了一種能夠為溫室供能用的沼氣發酵方法及發酵系統的專利技術。文章發表在《河北農業科學》上，是農業工程師論文發表范文，供同行參考。

　　關鍵詞：沼氣;溫室;供能;可調控性

　　聲明：本文所述技術已經申報中華人民共和國發明專利，專利名稱：可時間調控溫室用沼氣發酵方法及發酵系統;專利申請號：200610147417.6

　　1.引言

　　溫室是現代農業工程中重要的技術主題，溫室的發展使傳統露天農業轉化為保護條件下的可控制農業[1]。目前國際上，溫室已經廣泛應用于花卉、蔬菜栽培[2]。溫室栽培的最大優勢是通過溫室環境的控制，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品的生產成本。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，每年會產生大量的種植業有機廢棄物。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原料。如果能用溫室生產管理過程中產生的有機廢棄物來生產沼氣，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物質又可以循環利用，減少廢棄物排放，改善農業環境。但是，迄今為止沒有沼氣在溫室供能領域應用的成功案例。

　　發酵系統具體由生物酸化積肥裝置、緩沖調節池、高效沼氣發生裝置、出水沉淀池、出水暫存池和沼氣緩存裝置等依次經管道和閥門連接組成。發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，高效沼氣發生裝置的啟動、沼氣生產供應、休停和再啟動等。該技術與傳統沼氣技術相比，具有一定的優勢能夠根據溫室生產實際，及時把分散在全年產生的種植業有機廢棄物投加到產酸積肥池中，然后根據溫室供能需求，隨時通過發酵系統生產沼氣。發酵殘渣根據生產需要分批取出用于溫室有機肥。該技術實現了可以根據溫室需求對沼氣發酵靈活調節的要求。

　　2.傳統沼氣技術與溫室供能需求的背離

　　沼氣發酵技術可以分為兩類，即傳統沼氣發酵技術和水溶性有機物高效沼氣發酵技術[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：

　　傳統的沼氣發酵技術，利用復雜性有機質發酵沼氣，沼氣產生具有非常大的周期性，往往開始投料時產氣慢，中間產氣旺盛，而且一旦沼氣發酵系統啟動，是否產沼氣和產生多少沼氣，要受原料特性和發酵規律的內在約束，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，而天氣又變化無常。因此，往往是要氣時沒有氣，不要氣時產氣，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氣規律不可能準確預測。同時，溫室產生有機廢棄物是分散在全年的各個時段，所產生的廢棄物大多易腐爛，很難儲存。因此傳統的沼氣技術基本不能適應溫室供能需求。

　　然界中綠色植物經光合作用合成碳水化合物，主要形成糖、淀粉、纖維素等。纖維素合成的數量最大，貯量也最多，是地球上很難被微生物分解的物質。在好氧條件下，纖維素可被少數微生物氧化分解，最終產生CO2和H2O。目前所知綠色木霉是分解纖維素最強的微生物。

　　(C6H10O5)n+6nO2→6nCO2+5nH2O

　　在厭氧條件下，纖維素經厭氧微生物發酵作用最終產生CH4。

　　在自然界形成甲烷的地方主要有沼澤地、水稻田、井地、河湖淤泥及反芻動物瘤胃。反芻動物瘤胃具有產甲烷的良好條件，所以瘤胃被稱為產甲烷的天然高效能的連續發酵罐。

　　3.技術內容

　　本文提供一種可以根據溫室生產實際，把分散在全年產生的種植業有機廢棄物投加到發酵系統中，然后根據溫室供能需求，隨時通過發酵系統生產沼氣，能夠為溫室提供可用的沼氣發酵系統及發酵方法。其中，發酵系統由生物酸化積肥裝置、 緩沖調節池、 高效沼氣發生裝置、出水沉淀池、出水暫存池和沼氣緩存裝置依次經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生裝置之間設置泵， 高效沼氣發生裝置、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，高效沼氣發生裝置聯接沼氣緩存裝置。

　　為了保證沼氣發酵能夠滿足溫室供能需求，以上發酵系統按如下步驟管理

　　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生量的2.5～3.5倍質量收集溫室種植業有機廢棄物或其他種植業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，加入接種物進行接種，混合，得到發酵原料，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酵，水的加入量為至少高于啟動原料平面10cm，發酵溫度控制在20～40℃;

　　(5)經過4～5天發酵后，發酵液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的有機廢棄物，及時投入已經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，重復操作步驟(1)～(6) ;

　　第二、進行高效沼氣發生裝置啟動，調控裝置運行滿足溫室用能與沼氣生產的協調，具體方法如下：

　　(1)高效沼氣發生裝置啟動：投入接種物進入高效沼氣發生裝置，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節池中，用出水暫存池中的系統出水或外來水調節，控制有機酸液的化學耗氧量(COD)濃度為2000～5000mg/L，作為沼氣發酵料;按0.5kg COD/( m3·d)～2kg COD/( m3·d)的速率階段式調整水力負荷，連續進料直到實現水力負荷為5kg COD/( m3·d)～10kg COD/( m3·d)，即完成沼氣發生裝置的啟動，整個啟動大約需50～80d。啟動期間，溫度控制為25～35℃。負荷調整的原則為，每次水力負荷調整運行穩定后，才開始進行下一階段負荷的增加;沼氣發生裝置的出水經沉淀池沉淀后，流入出水暫存池，部分作為生物酸化積肥裝置液體補加，部分用于緩沖調節池酸液的發酵料調節使用。

　　(2)沼氣生產供應：根據溫室生產實際預算沼氣需求的時間和數量，按1kg COD產 0.4～0.5m3沼氣折算有機酸液的需求數量和時間，并按時按量從生物酸化積肥裝置中抽機酸液進入緩沖調節池，按步驟(1)中所述方法調節成沼氣發酵料;按5kgCOD/( m3·d)～30kg COD/(m3·d)水力負荷的流量，采用間歇或連續方式向已經啟動好的沼氣發生裝置中進料進行沼氣生產，產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，采用大流量連續進料，反之，使用小流量間歇進料;當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酸，停止從該裝置繼續抽取發酵液。

　　(3)沼氣生產休停：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束，溫室很久不使用沼氣時，停止向高效沼氣發生裝置中繼續進料，裝置進入休停狀態。休停期間，保持每10～30d補加一次發酵料，保證系統內微生物的營養需求。補加發酵料的調節方法同步驟(1)所述;補加發酵料的量為反應器體積1～3倍，補加速度為2～5kg COD/(m3·d)。

　　(4)沼氣生產休停后的再啟動：對于步驟(3)中已經處于休停狀態的高效沼氣裝置，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)中所述方法調節發酵料，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性進料。

　　(5)應急措施

　　如果溫室自身產生的有機廢棄物的總沼氣產生潛力與溫室總供能所需沼氣數量存在較大缺口時，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生的酸液不能及時提供沼氣生產所需求的發酵料，可以臨時向其中一個生物酸化積肥裝置中持續補充劣質淀粉原料，進行快速產酸，滿足緊急供能的生產需求。

　　在實際應用中，為保證系統的調節靈活性，生物酸化積肥裝置2一般設置6～12個，總體積為溫室一年有機垃圾產生總體積的60%～80%。為了保證發酵料濃度和數量調節的可靠性和靈活性，通過多個處于不通反應階段的生物酸化積肥裝置中同時抽取酸液，連同系統出水共同混合調節。

　　4.應用案例

　　淮北某蔬菜公司用戶

　　該地區地處皖北，擁有30000m2溫室。根據全年氣候規律，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天氣具體變化決定。高效沼氣發生裝置是UASB結構，沼氣在當年的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，即進入當年的二氧化碳施肥沼氣生產期，具體每天的沼氣需求量根據天氣具體變化決定。進入9月中旬，光照指數降低，溫室二氧化碳施肥效益下降，管理者停止向發酵器進料，高效沼氣發生裝置進入休停期。休停期間管理者每20天用COD濃度為5000mg/L的混合發酵液，按5kg COD/( m3·d)的負荷向補加相當于反應器體積2倍體積的發酵料，補充裝置營養。進入11月中旬，氣溫降低，為了保證溫室內種植物正常生長，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)負荷進行適應性進料，第11天完成重啟動后進入冬季沼氣供應期管理。由于皖北地區冬季和春季溫度相對較低，加溫耗能較大，溫室自身產生的有機肥廢棄物總產沼氣潛力不能滿足溫室生產的沼氣需求，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需求，管理者從當地糧食儲存部門購進200kg陳化小麥經粗磨后連續投入一個生物酸化儲存池，快速產酸原料的投入滿足了短缺的能源需求。

　　5.結論

　　根據以上技術內容和案例應用，可以看出該技術完全能夠實現溫室供能的沼氣化，具體如下：

　　(1)原料酸化儲存轉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，減少肥料儲存的環境影響。

　　(2)通過酸化轉化復雜性溫室有機廢棄物為可溶性有機質高效沼氣，滿足了沼氣發酵可以根據溫室需求靈活調節的需要。原料投入酸化積肥池后，在其中進行酸化轉化成可溶性有機質，當酸化達到一定水平，酸化轉化停止。原料在高酸度條件下得到保存，但是此時池內已經有大量酸液可溶性有機質存在。這些可溶性有機質在溫室需要供能時可以馬上提供發酵原料，產生所需沼氣。

　　(3)多單元酸化積肥池以及緩沖調節池的設計，保證系統運行的可靠性和可調節性。原料在高酸度條件下得到保存，酸性條件使結構得到改善。在酸液適度抽取條件下，多單元酸化積肥池內的原料能夠規律產酸。通過多單元酸化積肥池之間按比例抽取酸液進入緩沖調節池，獲取適合的酸液濃度和數量，保證產沼氣能夠根據實際需求調節。

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　　農業工程師期刊發表投稿須知：《河北農業科學》創刊于1992年，是河北省農林科學院主辦的綜合性學術期刊。雙月刊，國內外公開發行。全國統一刊號：CN13-1197/S，中國標準連續出版物號：ISSN1008-1631。