蒂欣468
为温室供能用沼气发酵方法及发酵系统摘要：介绍了一种能够为温室供能用的沼气发酵方法及发酵系统的专利技术。发酵系统具体由生物酸化积肥装置、缓冲调节池、高效沼气发生装置、出水沉淀池、出水暂存池和沼气缓存装置等依次经管道和阀门连接组成。发酵方法具体步骤包括生物酸化积肥装置的启动和原料的生物酸化储存，高效沼气发生装置的启动、沼气生产供应、休停和再启动等。该技术与传统沼气技术相比，具有一定的优势能够根据温室生产实际，及时把分散在全年产生的种植业有机废弃物投加到产酸积肥池中，然后根据温室供能需求，随时通过发酵系统生产沼气。发酵残渣根据生产需要分批取出用于温室有机肥。该技术实现了可以根据温室需求对沼气发酵灵活调节的要求。 关键词：沼气；温室；供能；可调控性 1．引言 温室是现代农业工程中重要的技术主题，温室的发展使传统露天农业转化为保护条件下的可控制农业[1]。目前国际上，温室已经广泛应用于花卉、蔬菜栽培[2]。温室栽培的最大优势是通过温室环境的控制，满足作物的最佳生活条件，抵抗自然灾害等，从而获取最大的生产效益。在温室管理中，温室冬季加温、补光和二氧化碳施肥是重要的环境调控措施[3]。这些调控过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、电力[4]为主。这些能源的大量消耗一方面加重了全社会的能源供给负担，另一方面也大幅度提高产品的生产成本。受能源价格影响，许多温室不得不放弃温室的冬季加温、补光和二氧化碳施肥，这样不仅不能充分发挥温室的应有功能，甚至会造成温室管理的失败。 在温室管理中，每年会产生大量的种植业有机废弃物。目前，这些被随意堆放的废弃物，造成了严重的农业面源污染[3，4]。然而，这些有机废弃物本身富含大量有机质，是非常好的沼气生产原料。如果能用温室生产管理过程中产生的有机废弃物来生产沼气，从而替代煤、石油、电力等不可再生能源用于温室供能，不仅可以降低温室供能成本，同时废弃物中的营养物质又可以循环利用，减少废弃物排放，改善农业环境。但是，迄今为止没有沼气在温室供能领域应用的成功案例。 2．传统沼气技术与温室供能需求的背离 沼气发酵技术可以分为两类，即传统沼气发酵技术和水溶性有机物高效沼气发酵技术[5， 6]。这两类技术应用于温室沼气供应都存在诸多技术难点。具体分析如下： 传统的沼气发酵技术，利用复杂性有机质发酵沼气，沼气产生具有非常大的周期性，往往开始投料时产气慢，中间产气旺盛，而且一旦沼气发酵系统启动，是否产沼气和产生多少沼气，要受原料特性和发酵规律的内在约束，很难调节。而温室用能表现在取暖、二氧化碳施肥等方面，这些能源需求往往受天气的控制，而天气又变化无常。因此，往往是要气时没有气，不要气时产气，如果满足需求将要建立庞大的储气装置，这在投资和占地上是不允许的。如果根据长期天气预报进行计划式投料，在理论上可行，但在实践上是难操作的。一方面，长期天气预报目前的准确性较差，另一方面，关于复杂有机质的产气规律不可能准确预测。同时，温室产生有机废弃物是分散在全年的各个时段，所产生的废弃物大多易腐烂，很难储存。因此传统的沼气技术基本不能适应温室供能需求。 水溶性有机物高效沼气发酵技术，利用可溶解的简单微生物进行沼气发酵，采用高效反应器可以实现较高的效率[7，8]。一是可溶性有机质非常容易反应，沼气的产生量在反应器负荷允许的范围内，基本决定于短期内的进料量，即进料多产气量大，进料少产气量小，停止进料短期即停止产气。二是成熟反应器中的沼气发酵厌氧微生物具有非常强的耐饥饿性，在长期不进料的情况下，反应器内的微生物能够长期耐受，而且再启动时可以迅速恢复正常高效产气。水溶性有机物高效沼气发酵技术的以上两点技术特征均符合温室需能波动性的要求。但是，如果单独为了温室供能需要而刻意外购水溶性有机物作为发酵原料生产沼气，不仅成本上与化石能源不具竞争优势，而且也达不到生物质废弃物资源就地利用、开展循环经济和环境建设的目的。因此，水溶性有机物高效沼气发酵技术也不适合温室供能需求。 3．技术内容 本文提供一种可以根据温室生产实际，把分散在全年产生的种植业有机废弃物投加到发酵系统中，然后根据温室供能需求，随时通过发酵系统生产沼气，能够为温室提供可用的沼气发酵系统及发酵方法。其中，发酵系统由生物酸化积肥装置、 缓冲调节池、 高效沼气发生装置、出水沉淀池、出水暂存池和沼气缓存装置依次经管道和阀门连接组成。其结构如图1所示。其中，生物酸化积肥装置和缓冲池设置主控制阀，缓冲池与高效沼气发生装置之间设置泵， 高效沼气发生装置、出水沉淀池出水暂存池之间通过水的重力自流完成连接， 出水暂存池同时与缓冲调节池和生物酸化积肥装置相连， 中间依次设泵和配水器，高效沼气发生装置联接沼气缓存装置。 为了保证沼气发酵能够满足温室供能需求，以上发酵系统按如下步骤管理 第一、进行生物酸化积肥装置的启动和原料生物酸化储存，具体方法如下 （1）按相当于温室平均每天产生量的5～5倍质量收集温室种植业有机废弃物或其他种植业有机废弃物作为启动原料，对启动原料进行粉碎预处理； （2）向步骤(1)所得预处理原料中添加含N元素物质，混合，控制混合料碳氮比为(20：1)～(30：1)； （3）将步骤(2)所得混合料投入到初次使用的生物酸化积肥装置中，加入接种物进行接种，混合，得到发酵原料，接种物的加入量为启动原料干重的3%～5%； （4）向步骤(3)中生物酸化积肥装置中加水进行发酵，水的加入量为至少高于启动原料平面10cm，发酵温度控制在20～40℃； （5）经过4～5天发酵后，发酵液pH值降到6以下，即完成酸化积肥装置的启动； （6）按照步骤(1)～(2)的方法随时收集处理温室生产的有机废弃物，及时投入已经启动的生物酸化积肥装置中，不需接种，直接加水至原料平面以上10cm； （7）重复步骤(6)直至一个生物酸化积肥装置投满，重新启用另一个生物酸化积肥装置，重复操作步骤(1)～(6) ； 第二、进行高效沼气发生装置启动，调控装置运行满足温室用能与沼气生产的协调，具体方法如下： （1）高效沼气发生装置启动：投入接种物进入高效沼气发生装置，用水或水与生物酸化积肥装置中抽出的酸液混合物加满沼气发生装置，静止3～5d，接种物加入量为3～10kgVSS/m3；从生物酸化积肥装置抽出有机酸液泵入缓冲调节池中，用出水暂存池中的系统出水或外来水调节，控制有机酸液的化学耗氧量（COD）浓度为2000～5000mg/L，作为沼气发酵料；按5kg COD/( m3·d)～2kg COD/( m3·d)的速率阶段式调整水力负荷，连续进料直到实现水力负荷为5kg COD/( m3·d)～10kg COD/( m3·d)，即完成沼气发生装置的启动，整个启动大约需50～80d。启动期间，温度控制为25～35℃。负荷调整的原则为，每次水力负荷调整运行稳定后，才开始进行下一阶段负荷的增加；沼气发生装置的出水经沉淀池沉淀后，流入出水暂存池，部分作为生物酸化积肥装置液体补加，部分用于缓冲调节池酸液的发酵料调节使用（2）沼气生产供应：根据温室生产实际预算沼气需求的时间和数量，按1kg COD产 4～5m3沼气折算有机酸液的需求数量和时间，并按时按量从生物酸化积肥装置中抽机酸液进入缓冲调节池，按步骤（1）中所述方法调节成沼气发酵料；按5kgCOD/( m3·d)～30kg COD/(m3·d)水力负荷的流量，采用间歇或连续方式向已经启动好的沼气发生装置中进料进行沼气生产，产生的沼气进入沼气缓存装置备用；进料的流速控制、间歇或连续方式取决于每次沼气的需求量和沼气缓存装置的体积。沼气需求大、沼气缓存装置体积小时，采用大流量连续进料，反之，使用小流量间歇进料；当一个生物酸化积肥装置中的抽出物小于800～1000mg/L时，即该生物酸化积肥装置停止产酸，停止从该装置继续抽取发酵液。 （3）沼气生产休停：对于启动好而温室不需要使用沼气，或者一个沼气使用周期结束，温室很久不使用沼气时，停止向高效沼气发生装置中继续进料，装置进入休停状态。休停期间，保持每10～30d补加一次发酵料，保证系统内微生物的营养需求。补加发酵料的调节方法同步骤（1）所述；补加发酵料的量为反应器体积1～3倍，补加速度为2～5kg COD/(m3·d)。 （4）沼气生产休停后的再启动：对于步骤(3)中已经处于休停状态的高效沼气装置，再进入新的用气周期前必须进行再启动；再启动的方法是在新用气周期开始前3～10d，按照步骤(1)中所述方法调节发酵料，按8kg COD/(m3·d)～2 kg COD/(m3·d)负荷向高效沼气装置进行适应性进料。 
中国淀粉协会顾问赵继湘教授说，进入21世纪，随着国民经济的进一步发展和人民生活的不断提高，特别是“十五”计划开始启动，面临西部大开发和加入世贸组织后的机遇和挑战，在未来5～10年内淀粉深加工产品必将有一个更健康、快速、持续发展的好前景。 赵继湘介绍说，国内淀粉和淀粉深加工的发展形势比国外更好，一是由于我国国民经济发展速度较快，各个产业间的联动发展促使淀粉工业有较快的发展速度；二是人民生活水平总体上进入小康水平，市场需求的扩大拉动了淀粉工业的发展；三是由于加入世贸组织的影响，我国玉米等淀粉原料价将与国际接轨，总体价格下降，有利于淀粉工业的发展。特别是我国淀粉工业的基数较低，有较大的发展空间，如美国年人均消费80多公斤，日本年人均消费30多公斤，欧洲年人均消费25公斤，印尼年人均消费6．6公斤，泰国年人均占有淀粉37公斤，中国台湾1999年人均消费21．14公斤，而国内尽管这几年淀粉工业发展较快，但人均消费还只有3．7公斤。由于发展潜力较大，所以这几年的发展速度都超过了国民经济的发展速度，达到年均递增15．9%。 赵继湘分析说，今后淀粉及深加工产品的发展主要表现在六个方面： 首先是淀粉质原料降价会给淀粉工业发展创造有利条件。我国淀粉工业的主要原料－－玉米的价格一直高于国际价格，最高时达1500元／吨，1998年开始价格回落，到2000年降到最低水平，主产区的价格到800元／吨以下，淀粉价格在1400元／吨。由于玉米阶段性过剩，各地减少了播种面积，再加上遇上了旱灾，2000年玉米减产。2001年初价格有所回升，主产区回升至1000元／吨，淀粉价格在1800元／吨。但在正常年景情况下，今后我国玉米质量将有所提高（国家已颁布淀粉、发酵工业用玉米淀粉、发酵工业用玉米的质量标准，GB／1351－1999原定2000年4月执行，现延缓一年），价格由于加入世贸组织的影响将与国际接轨，已经不可能回到1998年以前的高价位上。据专家估计，今后5年内，国内玉米价会维持在1000元／吨上下。其他淀粉质原料如木薯占第二位，1999年木薯淀粉产量占总量7．5％，由于邻国泰国是世界木薯和木薯淀粉均占第一位的国家，我国每年还进口一定量的木薯淀粉，如1999年就进口8万吨。因此木薯和木薯淀粉价格受泰国的影响，国内价格不会有太大的波动。 其次，人民生活水平提高对淀粉深加工产品的需求增加。有关部门提出的“十五”发展设想，是到2005年味精发展到85万吨，比1999年提高30％；变性淀粉70万吨，是1999年的1．8倍；淀粉糖浆200万吨，是1999年的1．8倍；山梨醇20万吨，是1999年提高1．8倍；食用发酵酒精250万吨，比1999年提高38％；淀粉产量1999年超额17％完成2000年规划指标，因此业内人士预测中国淀粉工业协会原规划2010年产量700万吨，将在2005年完成，这样年平均递增6．8％是一个稳妥的增长速度。
现代科学技术的不断创新，发酵工程在环境生态保护中的应用也日益引起了广泛的关注。随着经济大幅度发展的背景下，大力推动发酵工程在环境保护中的应用也显得日益广泛。通过提高对微生物发酵的研究， 微生物发酵的过程中可以产生各种各样的中间产物， 利用生物发酵的产物来改善传统的环境保护的方法及措施，促使环境保护工作性能得到显著的提高。 1、纸浆废液的乙醇发酵纸浆废液的乙醇发酵作为一种有效的处理手段在现代环境保护中的应用十分广泛。亚硫酸盐纸浆废液中糖类物质占着较高的比例，另外由于其废液自身固有的特点将会导致在发酵的过程中也会出现一定量的乙醇。将纸浆废液应用于环境生态工程领域中可以达到净化空气的目的。但是在应用过程中， 要先经过适当的预处理，才能够达到预期的效果。2、 酵母循环发酵系统酵母循环发酵系统的应用能够提高废水处理的效率。首先，酵母循环发酵系统可以解决出水中活性污泥物法彻底降解的问题。其次， 酵母循环发酵系统与其他处理系统相比处理效果更加明显， 在保证废水处理质量时， 也可以缩短废水处理过程中所需要的时间。最后， 由于酵母循环发酵系统在废水处理过程中不再需要投加其他药剂， 因此大大降低了处理成本。3、 有机固体废物堆肥生活垃圾、工业建筑废料、剩余污泥等大量的有机固体废物成为了污染环境的罪魁祸首。现在最常见的处理手段就是填埋和焚烧。但是这些固体废弃物中还存在着大量可以被利用的有机物质，利用现代发酵工程技术手段， 不仅可以减少对环境压力， 大大提高生态环境质量。 还能够变废为宝缓解对资源需求的压力。创新型的有机固体废物的快速堆肥降解有机物，将糖类、淀粉类、纤维素类物质转化为含有大量甲烷的可燃气体，可以减少对煤类、燃气的使用，提高了经济效益。
它是一级学科“轻工技术与工程”中的一个重要分支和重点发展的二级学科，在生物技术产业化过程中起着关键作用。1）“发酵”有“微生物生理学严格定义的发酵”和“工业发酵”，词条“发酵工程”中的“发酵”应该是“工业发酵”。（2）工业生产上通过“工业发酵”来加工或制作产品，其对应的加工或制作工艺被称为“发酵工艺”。为实现工业化生产，就必须解决实现这些工艺（发酵工艺）的工业生产环境、设备和过程控制的工程学的问题，因此，就有了“发酵工程”。（3）发酵工程是用来解决按发酵工艺进行工业化生产的工程学问题的学科。发酵工程从工程学的角度把实现发酵工艺的发酵工业过程分为菌种、发酵和提炼（包括废水处理）等三个阶段，这三个阶段都有各自的工程学问题，一般分别把它们称为发酵工程的上游、中游和下游工程。（4）微生物是发酵工程的灵魂。近年来，对于发酵工程的生物学属性的认识愈益明朗化，发酵工程正在走近科学。（5）发酵工程最基本的原理是发酵工程的生物学原理。
