摘要：介紹了壹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。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、出水沈澱池、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，具有壹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，然後根據溫室供能需求，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於溫室有機肥。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。
關鍵詞：沼氣；溫室；供能；可調控性
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，溫室已經廣泛應用於花卉、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，目前的能源消耗以壹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壹方面加重了全社會的能源供給負擔，另壹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汙染[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於溫室供能，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。
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]。這兩類技術應用於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，而且壹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。壹方面，長期天氣預報目前的準確性較差，另壹方面，關於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。
水溶性有機物高效沼氣發酵技術，利用可溶解的簡單微生物進行沼氣發酵，采用高效反應器可以實現較高的效率[7,8]。壹是可溶性有機質非常容易反應，沼氣的產生量在反應器負荷允許的範圍內，基本決定於短期內的進料量，即進料多產氣量大，進料少產氣量小，停止進料短期即停止產氣。二是成熟反應器中的沼氣發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氣。水溶性有機物高效沼氣發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酵原料生產沼氣，不僅成本上與化石能源不具競爭優勢，而且也達不到生物質廢棄物資源就地利用、開展循環經濟和環境建設的目的。因此，水溶性有機物高效沼氣發酵技術也不適合溫室供能需求。
3．技術內容
本文提供壹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，然後根據溫室供能需求，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、出水沈澱池、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、出水沈澱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
第壹、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）按相當於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幹重的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於啟動原料平面10cm，發酵溫度控制在20～40℃；
（5）經過4～5天發酵後，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)直至壹個生物酸化積肥裝置投滿，重新啟用另壹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後，才開始進行下壹階段負荷的增加；沼氣發生裝置的出水經沈澱池沈澱後，流入出水暫存池，部分作為生物酸化積肥裝置液體補加，部分用於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，並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於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；當壹個生物酸化積肥裝置中的抽出物小於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：對於啟動好而溫室不需要使用沼氣，或者壹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補加壹次發酵料，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）沼氣生產休停後的再啟動：對於步驟(3)中已經處於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。