專利名稱：可時間調控溫室用沼氣發(fā)酵方法及發(fā)酵系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于農(nóng)業(yè)工程和資源環(huán)境技術領域，具體涉及一種可時間調控的溫室用沼氣發(fā)酵方法及發(fā)酵系統(tǒng)。
背景技術：
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)。目前國際上，溫室已經(jīng)廣泛應用于花卉、蔬菜栽培。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。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。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。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。
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。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，不要氣在產(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；其次，溫室產(chǎn)生有機廢棄物是分散在全年的各個時段，所產(chǎn)生的廢棄物多易腐爛，很難儲存。因此傳統(tǒng)的沼氣技術基本不能適應于溫室供能需求。
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。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。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種可以根據(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)沼氣可時間調控溫室用沼氣發(fā)酵方法及發(fā)酵系統(tǒng)。
本發(fā)明提出的可時間調控的溫室用沼氣發(fā)酵方法，由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、休停和再啟動兩部分構成。
其具體步驟如下一、生物酸化積肥裝置啟動和原料生物酸化儲存(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，直接加水原料平面以上10cm以上；
(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)；二、高效沼氣發(fā)生裝置啟動、沼氣生產(chǎn)供應、休停和再啟動(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3-5天，接種物加入量為3-10kgVSS/m3高效沼氣發(fā)生裝置體積；從生物酸化積肥裝置抽出有機酸液泵入緩沖調節(jié)池中，用出水暫存池中的系統(tǒng)出水或外來水調節(jié)，控制有機酸液的化學耗氧量(COD)濃度為2000-5000mg/l，作為沼氣發(fā)酵料；按0.5kgCOD/(m3d)-2kgCOD/(m3d)的速率階段式調整水力負荷，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50-80天。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(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，部分用于緩沖調節(jié)池酸液的發(fā)酵料調節(jié)使用；(2)沼氣生產(chǎn)供應根據(jù)溫室生產(chǎn)實際預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節(jié)池，按步驟(1)中所述方法調節(jié)成沼氣發(fā)酵料；按5kgCOD/(m3·d)-30kgCOD/(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急于沼氣使用，或者一個沼氣使用周期結束，溫室要很久不要沼氣使用時，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10-30天補加一次發(fā)酵料，保證系統(tǒng)內(nèi)微生物的營養(yǎng)需求。補加發(fā)酵料的調節(jié)方法同步驟(1)所述；補加發(fā)酵料的量為高效沼氣發(fā)生裝置體積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3-10天，按照步驟(1)中所述方法調節(jié)發(fā)酵料，按1.8kg COD/(m3·d)-2.2kg COD/(m3·d)負荷向高效沼氣裝置進行適應性進料；(5)沉淀池內(nèi)的沉淀物按2-3天一個周期定期抽取，并投加到停止產(chǎn)酸的生物酸化積肥裝置，停止產(chǎn)酸生物酸化積肥裝置中的發(fā)酵殘渣和投進沉淀池的沉淀物作為溫室生產(chǎn)用肥料。
本發(fā)明中，由溫室自身產(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，步驟一(1)中所述產(chǎn)酸原料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；補充原料按照步驟一(6)中的方法投入生物酸化積肥裝置進行酸化儲存。
本發(fā)明中，由溫室自身產(chǎn)生的有機廢棄物總沼氣產(chǎn)生潛力可以滿足溫室總供能所需沼氣數(shù)量，但是由于短期溫室用能過大，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，臨時向其中一個生物酸化積肥裝置中持續(xù)補充劣質淀粉原料，進行快速產(chǎn)酸，滿足緊急供能的生產(chǎn)需求。
本發(fā)明中，所述含N元素物質為尿素、碳酸氫銨或畜禽糞便等中的一至多種。
本發(fā)明中，所述接種物為沼渣、沼液或厭氧消化污泥等中的任一種。
本發(fā)明中，高效沼氣發(fā)生裝置接種時，AF的接種物量一般為3-5kgVSS/m3反應器容積，UASB、EGSB一般為5-10kgVSS/m3反應器容積。
本發(fā)明中，高效沼氣發(fā)生裝置接種時，如果用水加生物酸化積肥裝置中抽出的酸液混合加滿高效沼氣發(fā)生裝置，混合液的COD濃度為1000-2000mg/l。
本發(fā)明中，所述的有機廢棄物的粉碎預處理可以采取以下常規(guī)方法通過人工或機械方法切成2～3cm的小段；或者通過秸稈搓揉粉碎機對其進行預處理等。
本發(fā)明中，酸化儲存過程中，定期監(jiān)測生物酸化積肥裝置中的pH值，用質量比1-5％濃度的稀鹽酸調節(jié)，保證pH在6以下。溫度控制在15℃以上即可，一般不進行專門增溫，但是對于寒冷地區(qū)生物酸化積肥裝置必須進行保溫處理。
本發(fā)明提出的可時間調控溫室用沼氣發(fā)酵系統(tǒng)，由生物酸化積肥裝置2、緩沖調節(jié)池3、高效沼氣發(fā)生裝置6、出水沉淀池7、出水暫存池8和沼氣緩存裝置9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2和緩沖池3之間設置主控制閥10，緩沖池3與高效沼氣發(fā)生裝置6之間設置泵4，高效沼氣發(fā)生裝置6、出水沉淀池7、出水暫存池8之間通過水的重力自流完成連接，出水暫存池8同時與緩沖調節(jié)池3和生物酸化積肥裝置2相連，中間依次設泵4和配水器5，高效沼氣發(fā)生裝置5聯(lián)接沼氣緩存裝置9。
本發(fā)明中，高效沼氣發(fā)生裝置5采用厭氧濾池反應器(AF)、上流式污泥床反應器(UASB)或膨脹顆粒污泥床反應器(EGSB)中的任一種，高效沼氣發(fā)生裝置5的體積為溫室一天所需最大沼氣體積的0.5-2倍。
本發(fā)明中，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(chǎn)生總體積的60％-80％，以保證系統(tǒng)的調節(jié)靈活性。
本發(fā)明中，在高效沼氣發(fā)生裝置生產(chǎn)沼氣周期中，為了保證發(fā)酵料濃度和數(shù)量調節(jié)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(tǒng)出水共同混合調節(jié)。
本發(fā)明中，生物酸化積肥裝置2、緩沖調節(jié)池3、出水沉淀池7、出水暫存池8和沼氣緩存裝置9均采用現(xiàn)有技術。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(1)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發(fā)酵提供發(fā)酵原料，實現(xiàn)了沼氣發(fā)酵可以根據(jù)溫室需求靈活調節(jié)的需要。因為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(nèi)已經(jīng)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(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節(jié)池的設計，保證系統(tǒng)運行的可靠性和可調節(jié)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(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節(jié)池，獲取適合的酸液濃度和數(shù)量，保證產(chǎn)沼氣能夠跟隨實際需求調節(jié)。(3)原料酸化儲存轉化實現(xiàn)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。


圖1本發(fā)明發(fā)酵系統(tǒng)的結構示意圖。

1為溫室，2為生物酸化積肥裝置，3為緩沖調節(jié)池，4為泵，5為高效沼氣發(fā)生裝置，6為配水器，7為出水沉淀池，8為出水暫存池，9為沼氣緩存裝置，10為主控制閥。
具體實施例方式
下面通過實施例進一步描述本發(fā)明。
實施例1某蔬菜公司用戶，地處上海地區(qū)，擁有10000平方米溫室本實施例1的溫室用沼氣發(fā)酵系統(tǒng)由生物酸化積肥裝置2、緩沖調節(jié)池3、高效沼氣發(fā)生裝置5、出水沉淀池7、出水暫存池8和沼氣緩存裝置9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2和緩沖池3設置主控制閥10，緩沖池3與高效沼氣發(fā)生裝置6之間設置泵4，高效沼氣發(fā)生裝置6、出水沉淀池7、出水暫存池8之間通過水的重力自流完成連接，出水暫存池8同時與緩沖調節(jié)池3和生物酸化積肥裝置2相連，中間依次設泵4和配水器5，高效沼氣發(fā)生裝置5聯(lián)接沼氣緩存裝置9。
根據(jù)全年氣候、溫室加溫和二氧化碳施肥要求等，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。
1.生物酸化積肥裝置啟動(1)按相當于溫室平均每天產(chǎn)生量3倍的數(shù)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25∶1；(3)將步驟(2)所得混合料投入到生物酸化積肥裝置中，加入接種物進行接種混合，接種物為城市污水處理廠消化污泥，得到發(fā)酵原料，接種物的加入量為啟動原料干重的3％；(4)向步驟(3)中的生物酸化積肥裝置中加水進行發(fā)酵，加入量為水面高于啟動原料上平面10cm，發(fā)酵溫度控制在25℃；(5)每天用精密pH試紙測定步驟(4)中液體pH值，經(jīng)過5天發(fā)酵后液體pH值降到5.53，原料的酸化轉化和儲存的啟動完成。
2.原料酸化轉化和儲存的管理和控制(1)每天及時收集溫室管理產(chǎn)生的種植業(yè)有機廢棄物，及時對收集的材料進行粉碎預處理；(2)向步驟(1)所得的預處理原料中添加含N元素物質，混合，控制混合料的碳氮比為25∶1；(3)將步驟(2)所得混合料及時投入到步驟1中已經(jīng)啟動的生物酸化積肥裝置中，并向生物酸化積肥裝置中加水進行發(fā)酵，加入量為水面高于原料上平面10cm；(4)每天的原料收集、預處理和投加重復步驟(1)-(3)直至一個生物酸化積肥裝置投滿；(5)酸化儲存過程中，定期監(jiān)測生物酸化積肥裝置中的pH值，用1％鹽酸調節(jié)保證pH在6以下。
(6)生物酸化積肥裝置一般設置6個，當一個生物酸化積肥裝置投滿，按照步驟1和步驟2的方法重新啟用另一個。
(7)原料的酸化轉化和儲存期間，原料的酸化發(fā)酵維持溫度在15℃以上，沒有增加保溫層，也沒有進行增溫。
3.高效沼氣發(fā)生裝置啟動高效沼氣發(fā)生裝置是AF結構，沼氣在當年的9月開始啟動，啟動完成就進入冬季供能階段，具體啟動步驟為(1)投入接種物到反應裝置，從生物酸化積肥裝置抽出有機酸液到緩沖調節(jié)池中，然后用清水調整酸液控制COD濃度為1000mg/l后加滿反應器，并靜止3天。
(2)從生物酸化積肥裝置抽出有機酸液到緩沖調節(jié)池中，先用清水調整酸液控制COD濃度為4000mg/l，用泵向發(fā)應器中持續(xù)輸送兩周，第一周控制反應器負荷為0.5kgCOD/(m3·d)，第二周控制為1kgCOD/(m3·d)。
(3)從第三周開始，每10天進行一次負荷的提高，每次提高0.5kg COD/(m3·d)，直至提高到5kg COD/(m3·d)開始維持，并保持30天。
(4)在步驟(3)的基礎上，每10天按每次幅度為2kg COD/(m3·d)進一步增加負荷，使負荷增加到10kg COD/(m3·d)時，維持一個月，完成裝置啟動。
(5)步驟(1)-(4)完成期間，反應器溫度控制在25℃。
(6)步驟(1)-(4)完成期間，反應器出水經(jīng)沉淀池沉淀后，流入出水暫存池，供生物酸化積肥裝置液體補加和緩沖調節(jié)池酸液調節(jié)使用。
4.高效沼氣發(fā)生裝置沼氣生產(chǎn)和溫室利用(1)進入12月，沼氣裝置啟動完成，即進入當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。
(2)根據(jù)步驟(1)確定的沼氣需求時間和數(shù)量，按1kg COD產(chǎn)0.4-0.5m3沼氣折算有機酸液的每天需求數(shù)量；(3)可以根據(jù)步驟(2)折算的有機酸量從生物酸化積肥裝置中抽取原酸液到換沖調節(jié)池，并用出水暫存池中的系統(tǒng)出水或清水調節(jié)到COD濃度為4000mg/l，投入到已經(jīng)啟動的高效沼氣發(fā)酵系統(tǒng)，進料方式為間歇進料，每個進料周期均按照負荷10kg COD/(m3·d)速度，產(chǎn)生的沼氣進入沼氣緩存裝置備用。每個進料持續(xù)和間歇周期由每天的沼氣需求決定。
(4)當一個生物酸化積肥裝置的抽出物的COD濃度低于800mg/l時，停止從中抽取酸液。
(5)沉淀池池中的沉淀物每2天抽取一次，投加到完成抽取的生物酸化積肥裝置中。
(6)產(chǎn)酸完畢的生物酸化積肥裝置中的殘渣和投入的沉淀池池沉淀物被儲存在池體中，管理者根據(jù)生產(chǎn)需要分批全部抽取供肥料使用。
5.高效沼氣發(fā)生裝置沼氣生產(chǎn)休停進入第2年2月中旬，氣溫升高，溫室不在需要加溫供能，管理者停止向反應器進料，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)的負荷向補加相當于反應器體積1.5倍體積的發(fā)酵料，補充裝置營養(yǎng)。
6.高效沼氣發(fā)生裝置重啟動進入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)負荷進行適應性進料，第7天完成重啟動后進入夏季沼氣供應期管理。
7.該實施例中沒有發(fā)生原料短缺和緊急供能不足的情況。
實施例2某蔬菜公司用戶，地處皖北地區(qū)，擁有30000平方米溫室本實施例2的溫室用沼氣發(fā)酵系統(tǒng)由生物酸化積肥裝置2、緩沖調節(jié)池3、高效沼氣發(fā)生裝置5、出水沉淀池7、出水暫存池8和沼氣緩存裝置9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2和緩沖池3設置主控制閥10，緩沖池3與高效沼氣發(fā)生裝置6之間設置泵4，高效沼氣發(fā)生裝置6、出水沉淀池7、出水暫存池8之間通過水的重力自流完成連接，出水暫存池8同時與緩沖調節(jié)池3和生物酸化積肥裝置2相連，中間依次設泵4和配水器5，高效沼氣發(fā)生裝置5聯(lián)接沼氣緩存裝置9。
根據(jù)全年氣候規(guī)律、溫室加溫和二氧化碳施肥要求等，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。
1.生物酸化積肥裝置啟動(1)按相當于溫室平均每天產(chǎn)生量3.5倍的數(shù)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30∶1；(3)將步驟(2)所得混合料投入到生物酸化積肥裝置中，加入接種物進行接種混合，接種物為沼渣，得到發(fā)酵原料，接種物的加入量為啟動原料干重的5％；(4)向步驟(3)中的生物酸化積肥裝置中加水進行發(fā)酵，加入量為水面高于啟動原料上平面15cm，發(fā)酵溫度控制在35℃；(5)每天用精密pH試紙測定步驟(4)中液體pH值，經(jīng)過3天發(fā)酵后液體pH值降到5.2，原料的酸化轉化和儲存的啟動完成。
2.原料酸化轉化和儲存的管理和控制
(1)每天及時收集溫室管理產(chǎn)生的種植業(yè)有機廢棄物，及時對收集的材料進行粉碎預處理；(2)向步驟(1)所得的預處理原料中添加含N元素物質，混合，控制混合料的碳氮比為30∶1；(3)將步驟(2)所得混合料及時投入到步驟1中已經(jīng)啟動的生物酸化積肥裝置中，并向生物酸化積肥裝置中加水進行發(fā)酵，加入量為水面高于原料上平面15cm；(4)每天的原料收集、預處理和投加重復步驟(1)-(3)直至一個生物酸化積肥裝置投滿；(5)酸化儲存過程中，定期監(jiān)測生物酸化積肥裝置中的pH值，用2％鹽酸調節(jié)保證pH在6以下。
(6)生物酸化積肥裝置一般設置12個，當一個生物酸化積肥裝置投滿，按照步驟1和步驟2的方法重新啟用另一個。
(7)原料的酸化轉化和儲存期間，原料的酸化發(fā)酵維持溫度在15℃以上，沒有進行增溫，但是增加了保溫層。
3.高效沼氣發(fā)生裝置啟動高效沼氣發(fā)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，具體啟動步驟為(1)投入接種物到反應裝置，從生物酸化積肥裝置抽出有機酸液到緩沖調節(jié)池中，然后用清水調整酸液控制COD濃度為2000mg/l后加滿反應器，并靜止3天。
(2)從生物酸化積肥裝置抽出有機酸液到緩沖調節(jié)池中，先用清水調整酸液控制COD濃度為5000mg/l，用泵向發(fā)應器中持續(xù)輸送兩周，第一周控制反應器負荷為0.6kgCOD/(m3·d)，第二周控制為1kgCOD/(m3·d)。
(3)從第三周開始，每10天進行一次負荷的提高，每次提高0.5kgCOD/(m3·d)，直至提高到5kg COD/(m3·d)開始維持，并保持30天。
(4)在步驟(3)的基礎上，每10天按每次幅度為2kg COD/(m3·d)進一步增加負荷，使負荷增加到10kg COD/(m3·d)時，維持一個月，完成裝置啟動。
(5)步驟(1)-(4)完成期間，反應器溫度控制在35℃。
(6)步驟(1)-(4)完成期間，反應器出水經(jīng)沉淀池沉淀后，流入出水暫存池，供生物酸化積肥裝置液體補加和緩沖調節(jié)池酸液調節(jié)使用。
4.高效沼氣發(fā)生裝置沼氣生產(chǎn)和溫室利用(1)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(chǎn)期，具體每天的沼氣需求量根據(jù)天氣具體變化決定。
(2)根據(jù)步驟(1)確定的沼氣需求時間和數(shù)量，按1kg COD產(chǎn)0.4-0.5m3沼氣折算有機酸液的每天需求數(shù)量；(3)可以根據(jù)步驟(2)折算的有機酸量從生物酸化積肥裝置中抽取原酸液到換沖調節(jié)池，并用出水暫存池中的系統(tǒng)出水或清水調節(jié)到COD濃度為5000mg/l，投入到已經(jīng)啟動的高效沼氣發(fā)酵系統(tǒng)，進料方式為間歇進料，每個進料周期均按照負荷15kg COD/(m3·d)速度，產(chǎn)生的沼氣進入沼氣緩存裝置備用。每個進料持續(xù)和間歇周期由每天的沼氣需求決定。
(4)當一個生物酸化積肥裝置的抽出物的COD濃度低于1000mg/l時，停止從中抽取酸液。
(5)沉淀池池中的沉淀物每3天抽取一次，投加到完成抽取的生物酸化積肥裝置中。
(6)產(chǎn)酸完畢的生物酸化積肥裝置中的殘渣和投入的沉淀池池沉淀物被儲存在池體中，管理者根據(jù)生產(chǎn)需要分批全部抽取供肥料使用。
5.高效沼氣發(fā)生裝置沼氣生產(chǎn)休停進入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)的負荷向補加相當于反應器體積2倍體積的發(fā)酵料，補充裝置營養(yǎng)。
6.高效沼氣發(fā)生裝置的重啟動進入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)負荷進行適應性進料，第11天完成重啟動后進入冬季沼氣供應期管理。
7.本實施例中，由于冬季加溫耗能較大，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)總的沼氣需求，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。
8.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?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。
權利要求
1.一種可時間調控溫室用沼氣發(fā)酵方法，其特征在于由生物酸化積肥裝置啟動和原料生物酸化儲存，高效沼氣發(fā)生裝置啟動、沼氣生產(chǎn)供應、休停和再啟動兩部分構成，其具體步驟如下一、生物酸化積肥裝置啟動和原料生物酸化儲存(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啟動；(6)按照步驟(1)-(2)隨時收集處理溫室生產(chǎn)的有機廢棄物，及時投入記經(jīng)啟動的生物酸化積肥裝置中，直接加水高出原料平面10cm以上；(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)。二、高效沼氣發(fā)生裝置啟動、沼氣生產(chǎn)供應、休停和再啟動(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3-5天，接種物加入量為3-10kgVSS/m3高效沼氣發(fā)生裝置體積；從生物酸化積肥裝置抽出有機酸液泵入緩沖調節(jié)池中，用出水暫存池中的系統(tǒng)出水或外來水調節(jié)，控制有機酸液的化學耗氧量COD濃度為2000-5000mg/l，作為沼氣發(fā)酵料；按0.5kgCOD/(m3d)-2kgCOD/(m3d)的速率階段式調整水力負荷，連續(xù)進料直到實現(xiàn)水力負荷為5kgCOD/(m3·d)-10kg COD/(m3·d)，即完成沼氣發(fā)生裝置的啟動，整個啟動50-80天；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(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，部分用于緩沖調節(jié)池酸液的發(fā)酵料調節(jié)使用；(2)沼氣生產(chǎn)供應根據(jù)溫室生產(chǎn)實際預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節(jié)池，按步驟(1)中所述方法調節(jié)成沼氣發(fā)酵料；按5kgCOD/(m3·d)--30kgCOD/(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；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(chǎn)酸，停止從該裝置繼續(xù)抽取發(fā)酵液；(3)沼氣生產(chǎn)體停溫室停止沼氣需求時，停止向高效沼氣發(fā)生裝置進料，裝置進入休停狀態(tài)；休停期間，保持每10-30天補加一次發(fā)酵料，保證系統(tǒng)內(nèi)微生物的營養(yǎng)需求；補加發(fā)酵料的調節(jié)方法同步驟(1)所述；補加發(fā)酵料的量為高效沼氣發(fā)生裝置體積的1-3倍，補加速度為2-5kgCOD/(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3-10天，按1.8kgCOD/(m3·d)-2.2kgCOD/(m3·d)負荷向高效沼氣裝置進發(fā)酵料；(5)沉淀池內(nèi)的沉淀物按2-3天一個周期定期抽取，并投加到停止產(chǎn)酸的生物酸化積肥裝置，停止產(chǎn)酸生物酸化積肥裝置中的發(fā)酵殘渣和投進沉淀池的沉淀物作為溫室生產(chǎn)用肥料。
2.根據(jù)權利要求1所述的可時間調控溫室用沼氣發(fā)酵方法，其特征在于步驟一(1)中所述產(chǎn)酸原料的其他獲取來源是有機固體廢棄物中干糞便、干秸稈或青草中的任一種。
3.根據(jù)權利要求1所述的可時間調控溫室用沼氣發(fā)酵方法，其特征在于所述含N元素物質為尿素、碳酸氫銨或畜禽糞便中的一至多種。
4.根據(jù)權利要求1所述的可時間調控溫室用沼氣發(fā)酵方法，其特征在于所述接種物為沼渣、沼液或厭氧消化污泥中的任一種。
5.根據(jù)權利要求1所述的可時間調控溫室用沼氣發(fā)酵方法，其特征在于高效沼氣發(fā)生裝置接種時，采用水加生物酸化積肥裝置中抽出的酸液混合加滿高效沼氣發(fā)生裝置，混合液的COD濃度為1000-2000mg/l。
6.根據(jù)權利要求1所述的可時間調控溫室用沼氣發(fā)酵方法，其特征在于所述的有機廢棄物的粉碎預處理采取通過人工或機械方法切成2～3cm的小段；或者通過秸稈搓揉粉碎機對其進行預處理。
7.一種可時間調控溫室用沼氣發(fā)酵系統(tǒng)，其特征在于由生物酸化積肥裝置(2)、緩沖調節(jié)池(3)、高效沼氣發(fā)生裝置(6)、出水沉淀池(7)、出水暫存池(8)和沼氣緩存裝置(9)依次經(jīng)管道和閥門連接組成，其中，生物酸化積肥裝置(2)和緩沖池(3)之間設置主控制閥10，緩沖池(3)與高效沼氣發(fā)生裝置(6)之間設置泵(4)，高效沼氣發(fā)生裝置(6)、出水沉淀池(7)、出水暫存池(8)之間通過水的重力自流完成連接，出水暫存池(8)同時與緩沖調節(jié)池(3)和生物酸化積肥裝置(2)相連，中間依次設泵(4)和配水器(5)，高效沼氣發(fā)生裝置(5)聯(lián)接沼氣緩存裝置(9)。
8.根據(jù)權利要求7所述的可時間調控溫室用沼氣發(fā)酵系統(tǒng)，其特征在于高效沼氣發(fā)生裝置(5)采用厭氧濾池反應器AF、上流式污泥床反應器UASB或膨脹顆粒污泥床反應器EGSB中的任一種，高效沼氣發(fā)生裝置(5)的體積為溫室一天所需最大沼氣體積的0.5-2倍。
9.根據(jù)權利要求8所述的可時間調控溫室用沼氣發(fā)酵系統(tǒng)，其特征在于生物酸化積肥裝置(2)為6-12個，總體積為溫室一年有機垃圾產(chǎn)生總體積的60％-80％。
全文摘要
本發(fā)明屬于農(nóng)業(yè)工程和資源環(huán)境技術領域，具體涉及一種可時間調控溫室用沼氣發(fā)酵方法及發(fā)酵系統(tǒng)。發(fā)酵方法具體步驟由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、休停和再啟動兩部分構成。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依次經(jīng)管道和閥門連接組成。本發(fā)明根據(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。本發(fā)明實現(xiàn)了沼氣發(fā)酵可以根據(jù)溫室需求進行靈活調節(jié)。
文檔編號C12M1/107GK1986819SQ20061014741
公開日2007年6月27日 申請日期2006年12月18日 優(yōu)先權日2006年12月18日
發(fā)明者朱洪光, 徐立鴻, 吳啟迪, 陳小華, 王彪, 朱鵬 申請人:同濟大學