專利名稱：可時(shí)間調(diào)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(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于農(nóng)業(yè)工程和資源環(huán)境技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種可時(shí)間調(diào)控的溫室用沼氣發(fā)酵方法及發(fā)酵系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
溫室是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程中重要的技術(shù)主題，溫室的發(fā)展使傳統(tǒng)露天農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)化為保護(hù)條件下的可控制農(nóng)業(yè)。目前國際上，溫室已經(jīng)廣泛應(yīng)用于花卉、蔬菜栽培。溫室栽培的最大優(yōu)勢(shì)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(zāi)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(bǔ)光和二氧化碳施肥是重要的環(huán)境調(diào)控措施。這些調(diào)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(huì)的能源供給負(fù)擔(dān)，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(bǔ)光和二氧化碳施肥，這樣不僅不能充分發(fā)揮溫室的應(yīng)有功能，甚至?xí)斐蓽厥夜芾淼氖　?br> 在溫室管理中，每年會(huì)產(chǎn)生大量的種植業(yè)有機(jī)廢棄物。目前，這些被隨意堆放的廢棄物，造成了嚴(yán)重的農(nóng)業(yè)面源污染。然而，這些有機(jī)廢棄物本身富含大量有機(jī)質(zhì)，是非常好的沼氣生產(chǎn)原料。如果能用溫室生產(chǎn)管理過程中產(chǎn)生的有機(jī)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(shí)廢棄物中的營養(yǎng)物質(zhì)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(lǐng)域應(yīng)用的成功案例。
沼氣發(fā)酵技術(shù)可以分為兩類，即傳統(tǒng)沼氣發(fā)酵技術(shù)和水溶性有機(jī)物高效沼氣發(fā)酵技術(shù)。這兩類技術(shù)應(yīng)用于溫室沼氣供應(yīng)都存在諸多技術(shù)難點(diǎn)。具體分析如下傳統(tǒng)的沼氣發(fā)酵技術(shù)，利用復(fù)雜性有機(jī)質(zhì)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(shí)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(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(guī)律的內(nèi)在約束，很難調(diào)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?dú)鈺r(shí)沒有氣，不要?dú)庠诋a(chǎn)氣，如果滿足需求將要建立龐大的儲(chǔ)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(yù)報(bào)進(jìn)行計(jì)劃式投料，在理論上可行，但在實(shí)踐上是難操作的。一方面，長期天氣預(yù)報(bào)目前的準(zhǔn)確性較差，另一方面，關(guān)于復(fù)雜有機(jī)質(zhì)的產(chǎn)氣規(guī)律不可能準(zhǔn)確預(yù)測；其次，溫室產(chǎn)生有機(jī)廢棄物是分散在全年的各個(gè)時(shí)段，所產(chǎn)生的廢棄物多易腐爛，很難儲(chǔ)存。因此傳統(tǒng)的沼氣技術(shù)基本不能適應(yīng)于溫室供能需求。
水溶性有機(jī)物高效沼氣發(fā)酵技術(shù)利用可溶解的簡單微生物進(jìn)行沼氣發(fā)酵，采用高效反應(yīng)器可以實(shí)現(xiàn)較高的效率。一是可溶性有機(jī)質(zhì)非常容易反應(yīng)，沼氣的產(chǎn)生量在反應(yīng)器負(fù)荷允許的范圍內(nèi)，基本決定于短期內(nèi)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(yīng)器中的沼氣發(fā)酵厭氧微生物具有非常強(qiáng)的耐饑餓性，在長期不進(jìn)料的情況下，反應(yīng)器內(nèi)的微生物能夠長期耐受，而且再啟動(dòng)時(shí)可以迅速恢復(fù)正常高效產(chǎn)氣。水溶性有機(jī)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(dú)為了溫室供能需要而刻意外購水溶性有機(jī)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(shì)，而且也達(dá)不到生物質(zhì)廢棄物資源就地利用、開展循環(huán)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境建設(shè)的目的。因此，水溶性有機(jī)物高效沼氣發(fā)酵技術(shù)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(shí)際，及時(shí)把分散在全年產(chǎn)生的種植業(yè)有機(jī)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(shí)通過發(fā)酵系統(tǒng)生產(chǎn)沼氣可時(shí)間調(diào)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(shí)間調(diào)控的溫室用沼氣發(fā)酵方法，由生物酸化積肥裝置的啟動(dòng)和原料的生物酸化儲(chǔ)存，高效沼氣發(fā)生裝置的啟動(dòng)、沼氣生產(chǎn)供應(yīng)、休停和再啟動(dòng)兩部分構(gòu)成。
其具體步驟如下一、生物酸化積肥裝置啟動(dòng)和原料生物酸化儲(chǔ)存(1)按相當(dāng)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(jī)廢棄物或其他種植業(yè)有機(jī)廢棄物作為啟動(dòng)原料，對(duì)啟動(dòng)原料進(jìn)行粉碎預(yù)處理；(2)向步驟(1)所得預(yù)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，加入接種物進(jìn)行接種，混合，得到發(fā)酵原料，接種物的加入量為啟動(dòng)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(jìn)行發(fā)酵，水的加入量為至少高于啟動(dòng)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(dòng)；(6)按照步驟(1)-(2)的方法隨時(shí)收集處理溫室生產(chǎn)的有機(jī)廢棄物，及時(shí)投入已經(jīng)啟動(dòng)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(fù)步驟(6)直至一個(gè)生物酸化積肥裝置投滿，重新啟用另一個(gè)生物酸化積肥裝置，重復(fù)操作步驟(1)-(6)；二、高效沼氣發(fā)生裝置啟動(dòng)、沼氣生產(chǎn)供應(yīng)、休停和再啟動(dòng)(1)高效沼氣發(fā)生裝置啟動(dòng)投入接種物進(jìn)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(jī)酸液泵入緩沖調(diào)節(jié)池中，用出水暫存池中的系統(tǒng)出水或外來水調(diào)節(jié)，控制有機(jī)酸液的化學(xué)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(diào)整水力負(fù)荷，連續(xù)進(jìn)料直到實(shí)現(xiàn)水力負(fù)荷為5kg COD/(m3·d)-10kg COD/(m3·d)，即完成沼氣發(fā)生裝置的啟動(dòng)整個(gè)啟動(dòng)大約需50-80天。啟動(dòng)期間，溫度控制為25-35℃；負(fù)荷調(diào)整的原則為，每次水力負(fù)荷調(diào)整運(yùn)行穩(wěn)定后，才開始進(jìn)行下一階段負(fù)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(bǔ)加，部分用于緩沖調(diào)節(jié)池酸液的發(fā)酵料調(diào)節(jié)使用；(2)沼氣生產(chǎn)供應(yīng)根據(jù)溫室生產(chǎn)實(shí)際預(yù)算沼氣需求的時(shí)間和數(shù)量，按1kg COD產(chǎn)0.4-0.5m3沼氣折算有機(jī)酸液的需求數(shù)量和時(shí)間，并按時(shí)按量從生物酸化積肥裝置中抽機(jī)酸液進(jìn)入緩沖調(diào)節(jié)池，按步驟(1)中所述方法調(diào)節(jié)成沼氣發(fā)酵料；按5kgCOD/(m3·d)-30kgCOD/(m3·d)水力負(fù)荷的流量，采用間歇或連續(xù)方式向已經(jīng)啟動(dòng)好的沼氣發(fā)生裝置中進(jìn)料進(jìn)行沼氣生產(chǎn)，產(chǎn)生的沼氣進(jìn)入沼氣緩存裝置備用；進(jìn)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(shí)，采用大流量連續(xù)進(jìn)料，反之，使用小流量間歇進(jìn)料；當(dāng)一個(gè)生物酸化積肥裝置中的抽出物小于800-1000mg/l時(shí)，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(duì)于啟動(dòng)好而溫室不急于沼氣使用，或者一個(gè)沼氣使用周期結(jié)束，溫室要很久不要沼氣使用時(shí)，停止向高效沼氣發(fā)生裝置中繼續(xù)進(jìn)料，裝置進(jìn)入休停狀態(tài)。休停期間，保持每10-30天補(bǔ)加一次發(fā)酵料，保證系統(tǒng)內(nèi)微生物的營養(yǎng)需求。補(bǔ)加發(fā)酵料的調(diào)節(jié)方法同步驟(1)所述；補(bǔ)加發(fā)酵料的量為高效沼氣發(fā)生裝置體積1-3倍，補(bǔ)加速度為2-5kg COD/(m3·d)；(4)沼氣生產(chǎn)休停后的再啟動(dòng)對(duì)于步驟(3)中已經(jīng)處于休停狀態(tài)的高效沼氣裝置，再進(jìn)入新的用氣周期前必須進(jìn)行再啟動(dòng)；再啟動(dòng)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(diào)節(jié)發(fā)酵料，按1.8kg COD/(m3·d)-2.2kg COD/(m3·d)負(fù)荷向高效沼氣裝置進(jìn)行適應(yīng)性進(jìn)料；(5)沉淀池內(nèi)的沉淀物按2-3天一個(gè)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?jiān)屯哆M(jìn)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(jī)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(shí)，步驟一(1)中所述產(chǎn)酸原料可以通過其他來源獲取有機(jī)固體廢棄物，如干糞便、干秸稈或青草等中的任一種進(jìn)行補(bǔ)充；補(bǔ)充原料按照步驟一(6)中的方法投入生物酸化積肥裝置進(jìn)行酸化儲(chǔ)存。
本發(fā)明中，由溫室自身產(chǎn)生的有機(jī)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(shí)提供沼氣生產(chǎn)所需求的發(fā)酵料，臨時(shí)向其中一個(gè)生物酸化積肥裝置中持續(xù)補(bǔ)充劣質(zhì)淀粉原料，進(jìn)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(zhì)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(shí)，AF的接種物量一般為3-5kgVSS/m3反應(yīng)器容積，UASB、EGSB一般為5-10kgVSS/m3反應(yīng)器容積。
本發(fā)明中，高效沼氣發(fā)生裝置接種時(shí)，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(jī)廢棄物的粉碎預(yù)處理可以采取以下常規(guī)方法通過人工或機(jī)械方法切成2～3cm的小段；或者通過秸稈搓揉粉碎機(jī)對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理等。
本發(fā)明中，酸化儲(chǔ)存過程中，定期監(jiān)測生物酸化積肥裝置中的pH值，用質(zhì)量比1-5％濃度的稀鹽酸調(diào)節(jié)，保證pH在6以下。溫度控制在15℃以上即可，一般不進(jìn)行專門增溫，但是對(duì)于寒冷地區(qū)生物酸化積肥裝置必須進(jìn)行保溫處理。
本發(fā)明提出的可時(shí)間調(diào)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(diào)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(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，生物酸化積肥裝置2和緩沖池3之間設(shè)置主控制閥10，緩沖池3與高效沼氣發(fā)生裝置6之間設(shè)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(shí)與緩沖調(diào)節(jié)池3和生物酸化積肥裝置2相連，中間依次設(shè)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(yīng)器(AF)、上流式污泥床反應(yīng)器(UASB)或膨脹顆粒污泥床反應(yīng)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(shè)置6-12個(gè)，總體積為溫室一年有機(jī)垃圾產(chǎn)生總體積的60％-80％，以保證系統(tǒng)的調(diào)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(diào)節(jié)的可靠性和靈活性，通過多個(gè)處于不通反應(yīng)階段的生物酸化積肥裝置中同時(shí)抽取酸液，連同系統(tǒng)出水共同混合調(diào)節(jié)。
本發(fā)明中，生物酸化積肥裝置2、緩沖調(diào)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(shù)。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)(1)通過酸化轉(zhuǎn)化復(fù)雜性溫室有機(jī)廢棄物為可溶性有機(jī)質(zhì)高效沼氣發(fā)酵提供發(fā)酵原料，實(shí)現(xiàn)了沼氣發(fā)酵可以根據(jù)溫室需求靈活調(diào)節(jié)的需要。因?yàn)樵贤度胨峄e肥池后，在其中進(jìn)行酸化轉(zhuǎn)化成可溶性有機(jī)質(zhì)，當(dāng)酸化達(dá)到一定水平，酸化轉(zhuǎn)化停止。原料在高酸度條件下得到保存，但是此時(shí)池內(nèi)已經(jīng)有大量酸液可溶性有機(jī)質(zhì)存在。這些可溶性有機(jī)質(zhì)在溫室需要供能時(shí)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(diào)節(jié)池的設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和可調(diào)節(jié)性。原料在高酸度條件下得到保存，酸性條件使結(jié)構(gòu)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(jìn)入緩沖調(diào)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(shí)際需求調(diào)節(jié)。(3)原料酸化儲(chǔ)存轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)分散原料收集，濕式儲(chǔ)存和施肥的需要，降低了肥料儲(chǔ)存難度和成本，減少肥料儲(chǔ)存的環(huán)境影響。


圖1本發(fā)明發(fā)酵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

1為溫室，2為生物酸化積肥裝置，3為緩沖調(diào)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(shí)施例方式
下面通過實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明。
實(shí)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(shí)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(diào)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(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，生物酸化積肥裝置2和緩沖池3設(shè)置主控制閥10，緩沖池3與高效沼氣發(fā)生裝置6之間設(shè)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(shí)與緩沖調(diào)節(jié)池3和生物酸化積肥裝置2相連，中間依次設(shè)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(gè)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(dòng)(1)按相當(dāng)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(jī)廢棄物或其他種植業(yè)有機(jī)廢棄物作為啟動(dòng)原料，對(duì)原料進(jìn)行粉碎預(yù)處理；(2)向步驟(1)所得預(yù)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(jìn)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(dòng)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(jìn)行發(fā)酵，加入量為水面高于啟動(dòng)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(zhuǎn)化和儲(chǔ)存的啟動(dòng)完成。
2.原料酸化轉(zhuǎn)化和儲(chǔ)存的管理和控制(1)每天及時(shí)收集溫室管理產(chǎn)生的種植業(yè)有機(jī)廢棄物，及時(shí)對(duì)收集的材料進(jìn)行粉碎預(yù)處理；(2)向步驟(1)所得的預(yù)處理原料中添加含N元素物質(zhì)，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(shí)投入到步驟1中已經(jīng)啟動(dòng)的生物酸化積肥裝置中，并向生物酸化積肥裝置中加水進(jìn)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(yù)處理和投加重復(fù)步驟(1)-(3)直至一個(gè)生物酸化積肥裝置投滿；(5)酸化儲(chǔ)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(diào)節(jié)保證pH在6以下。
(6)生物酸化積肥裝置一般設(shè)置6個(gè)，當(dāng)一個(gè)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(gè)。
(7)原料的酸化轉(zhuǎn)化和儲(chǔ)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(jìn)行增溫。
3.高效沼氣發(fā)生裝置啟動(dòng)高效沼氣發(fā)生裝置是AF結(jié)構(gòu)，沼氣在當(dāng)年的9月開始啟動(dòng)，啟動(dòng)完成就進(jìn)入冬季供能階段，具體啟動(dòng)步驟為(1)投入接種物到反應(yīng)裝置，從生物酸化積肥裝置抽出有機(jī)酸液到緩沖調(diào)節(jié)池中，然后用清水調(diào)整酸液控制COD濃度為1000mg/l后加滿反應(yīng)器，并靜止3天。
(2)從生物酸化積肥裝置抽出有機(jī)酸液到緩沖調(diào)節(jié)池中，先用清水調(diào)整酸液控制COD濃度為4000mg/l，用泵向發(fā)應(yīng)器中持續(xù)輸送兩周，第一周控制反應(yīng)器負(fù)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(jìn)行一次負(fù)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(chǔ)上，每10天按每次幅度為2kg COD/(m3·d)進(jìn)一步增加負(fù)荷，使負(fù)荷增加到10kg COD/(m3·d)時(shí)，維持一個(gè)月，完成裝置啟動(dòng)。
(5)步驟(1)-(4)完成期間，反應(yīng)器溫度控制在25℃。
(6)步驟(1)-(4)完成期間，反應(yīng)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(bǔ)加和緩沖調(diào)節(jié)池酸液調(diào)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(jìn)入12月，沼氣裝置啟動(dòng)完成，即進(jìn)入當(dāng)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(shí)間和數(shù)量，按1kg COD產(chǎn)0.4-0.5m3沼氣折算有機(jī)酸液的每天需求數(shù)量；(3)可以根據(jù)步驟(2)折算的有機(jī)酸量從生物酸化積肥裝置中抽取原酸液到換沖調(diào)節(jié)池，并用出水暫存池中的系統(tǒng)出水或清水調(diào)節(jié)到COD濃度為4000mg/l，投入到已經(jīng)啟動(dòng)的高效沼氣發(fā)酵系統(tǒng)，進(jìn)料方式為間歇進(jìn)料，每個(gè)進(jìn)料周期均按照負(fù)荷10kg COD/(m3·d)速度，產(chǎn)生的沼氣進(jìn)入沼氣緩存裝置備用。每個(gè)進(jìn)料持續(xù)和間歇周期由每天的沼氣需求決定。
(4)當(dāng)一個(gè)生物酸化積肥裝置的抽出物的COD濃度低于800mg/l時(shí)，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?jiān)屯度氲某恋沓爻爻恋砦锉粌?chǔ)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(jìn)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(yīng)器進(jìn)料，高效沼氣發(fā)生裝置進(jìn)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(fù)荷向補(bǔ)加相當(dāng)于反應(yīng)器體積1.5倍體積的發(fā)酵料，補(bǔ)充裝置營養(yǎng)。
6.高效沼氣發(fā)生裝置重啟動(dòng)進(jìn)入6月光照增強(qiáng)，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(fù)荷進(jìn)行適應(yīng)性進(jìn)料，第7天完成重啟動(dòng)后進(jìn)入夏季沼氣供應(yīng)期管理。
7.該實(shí)施例中沒有發(fā)生原料短缺和緊急供能不足的情況。
實(shí)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(shí)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(diào)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(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，生物酸化積肥裝置2和緩沖池3設(shè)置主控制閥10，緩沖池3與高效沼氣發(fā)生裝置6之間設(shè)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(shí)與緩沖調(diào)節(jié)池3和生物酸化積肥裝置2相連，中間依次設(shè)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(gè)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(dòng)(1)按相當(dāng)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(jī)廢棄物或其他種植業(yè)有機(jī)廢棄物作為啟動(dòng)原料，對(duì)原料進(jìn)行粉碎預(yù)處理；(2)向步驟(1)所得預(yù)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(jìn)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(dòng)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(jìn)行發(fā)酵，加入量為水面高于啟動(dòng)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(zhuǎn)化和儲(chǔ)存的啟動(dòng)完成。
2.原料酸化轉(zhuǎn)化和儲(chǔ)存的管理和控制
(1)每天及時(shí)收集溫室管理產(chǎn)生的種植業(yè)有機(jī)廢棄物，及時(shí)對(duì)收集的材料進(jìn)行粉碎預(yù)處理；(2)向步驟(1)所得的預(yù)處理原料中添加含N元素物質(zhì)，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(shí)投入到步驟1中已經(jīng)啟動(dòng)的生物酸化積肥裝置中，并向生物酸化積肥裝置中加水進(jìn)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(yù)處理和投加重復(fù)步驟(1)-(3)直至一個(gè)生物酸化積肥裝置投滿；(5)酸化儲(chǔ)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(diào)節(jié)保證pH在6以下。
(6)生物酸化積肥裝置一般設(shè)置12個(gè)，當(dāng)一個(gè)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(gè)。
(7)原料的酸化轉(zhuǎn)化和儲(chǔ)存期間，原料的酸化發(fā)酵維持溫度在15℃以上，沒有進(jìn)行增溫，但是增加了保溫層。
3.高效沼氣發(fā)生裝置啟動(dòng)高效沼氣發(fā)生裝置是UASB結(jié)構(gòu)，沼氣在當(dāng)年的3月開始啟動(dòng)，啟動(dòng)完成就進(jìn)入夏季供能階段，具體啟動(dòng)步驟為(1)投入接種物到反應(yīng)裝置，從生物酸化積肥裝置抽出有機(jī)酸液到緩沖調(diào)節(jié)池中，然后用清水調(diào)整酸液控制COD濃度為2000mg/l后加滿反應(yīng)器，并靜止3天。
(2)從生物酸化積肥裝置抽出有機(jī)酸液到緩沖調(diào)節(jié)池中，先用清水調(diào)整酸液控制COD濃度為5000mg/l，用泵向發(fā)應(yīng)器中持續(xù)輸送兩周，第一周控制反應(yīng)器負(fù)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(jìn)行一次負(fù)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(chǔ)上，每10天按每次幅度為2kg COD/(m3·d)進(jìn)一步增加負(fù)荷，使負(fù)荷增加到10kg COD/(m3·d)時(shí)，維持一個(gè)月，完成裝置啟動(dòng)。
(5)步驟(1)-(4)完成期間，反應(yīng)器溫度控制在35℃。
(6)步驟(1)-(4)完成期間，反應(yīng)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(bǔ)加和緩沖調(diào)節(jié)池酸液調(diào)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(jìn)入6月，沼氣裝置啟動(dòng)完成，即進(jìn)入當(dāng)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(shí)間和數(shù)量，按1kg COD產(chǎn)0.4-0.5m3沼氣折算有機(jī)酸液的每天需求數(shù)量；(3)可以根據(jù)步驟(2)折算的有機(jī)酸量從生物酸化積肥裝置中抽取原酸液到換沖調(diào)節(jié)池，并用出水暫存池中的系統(tǒng)出水或清水調(diào)節(jié)到COD濃度為5000mg/l，投入到已經(jīng)啟動(dòng)的高效沼氣發(fā)酵系統(tǒng)，進(jìn)料方式為間歇進(jìn)料，每個(gè)進(jìn)料周期均按照負(fù)荷15kg COD/(m3·d)速度，產(chǎn)生的沼氣進(jìn)入沼氣緩存裝置備用。每個(gè)進(jìn)料持續(xù)和間歇周期由每天的沼氣需求決定。
(4)當(dāng)一個(gè)生物酸化積肥裝置的抽出物的COD濃度低于1000mg/l時(shí)，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?jiān)屯度氲某恋沓爻爻恋砦锉粌?chǔ)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(jìn)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(jìn)料，高效沼氣發(fā)生裝置進(jìn)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(fù)荷向補(bǔ)加相當(dāng)于反應(yīng)器體積2倍體積的發(fā)酵料，補(bǔ)充裝置營養(yǎng)。
6.高效沼氣發(fā)生裝置的重啟動(dòng)進(jìn)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(fù)荷進(jìn)行適應(yīng)性進(jìn)料，第11天完成重啟動(dòng)后進(jìn)入冬季沼氣供應(yīng)期管理。
7.本實(shí)施例中，由于冬季加溫耗能較大，溫室自身產(chǎn)生的有機(jī)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(jìn)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(dāng)?shù)丶Z食儲(chǔ)存部門購進(jìn)200kg陳化小麥經(jīng)粗磨后連續(xù)投入一個(gè)生物酸化儲(chǔ)存池，快速產(chǎn)酸原料的投入滿足了短缺的能源需求。
權(quán)利要求
1.一種可時(shí)間調(diào)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(dòng)和原料生物酸化儲(chǔ)存，高效沼氣發(fā)生裝置啟動(dòng)、沼氣生產(chǎn)供應(yīng)、休停和再啟動(dòng)兩部分構(gòu)成，其具體步驟如下一、生物酸化積肥裝置啟動(dòng)和原料生物酸化儲(chǔ)存(1)按相當(dāng)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(jī)廢棄物或其他種植業(yè)有機(jī)廢棄物作為啟動(dòng)原料，對(duì)啟動(dòng)原料進(jìn)行粉碎預(yù)處理；(2)向步驟(1)所得預(yù)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，加入接種物進(jìn)行接種，混合，得到發(fā)酵原料，接種物的加入量為啟動(dòng)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(jìn)行發(fā)酵，水的加入量為至少高于啟動(dòng)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(dòng)；(6)按照步驟(1)-(2)隨時(shí)收集處理溫室生產(chǎn)的有機(jī)廢棄物，及時(shí)投入記經(jīng)啟動(dòng)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(fù)步驟(6)直至一個(gè)生物酸化積肥裝置投滿，重新啟用另一個(gè)生物酸化積肥裝置，重復(fù)操作步驟(1)-(6)。二、高效沼氣發(fā)生裝置啟動(dòng)、沼氣生產(chǎn)供應(yīng)、休停和再啟動(dòng)(1)高效沼氣發(fā)生裝置啟動(dòng)投入接種物進(jìn)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(jī)酸液泵入緩沖調(diào)節(jié)池中，用出水暫存池中的系統(tǒng)出水或外來水調(diào)節(jié)，控制有機(jī)酸液的化學(xué)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(diào)整水力負(fù)荷，連續(xù)進(jìn)料直到實(shí)現(xiàn)水力負(fù)荷為5kgCOD/(m3·d)-10kg COD/(m3·d)，即完成沼氣發(fā)生裝置的啟動(dòng)，整個(gè)啟動(dòng)50-80天；啟動(dòng)期間，溫度控制為25-35℃；負(fù)荷調(diào)整的原則為，每次水力負(fù)荷調(diào)整運(yùn)行穩(wěn)定后，才開始進(jìn)行下一階段負(fù)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(bǔ)加，部分用于緩沖調(diào)節(jié)池酸液的發(fā)酵料調(diào)節(jié)使用；(2)沼氣生產(chǎn)供應(yīng)根據(jù)溫室生產(chǎn)實(shí)際預(yù)算沼氣需求的時(shí)間和數(shù)量，按1kg COD產(chǎn)0.4-0.5m3沼氣折算有機(jī)酸液的需求數(shù)量和時(shí)間，并按時(shí)按量從生物酸化積肥裝置中抽機(jī)酸液進(jìn)入緩沖調(diào)節(jié)池，按步驟(1)中所述方法調(diào)節(jié)成沼氣發(fā)酵料；按5kgCOD/(m3·d)--30kgCOD/(m3·d)水力負(fù)荷的流量，采用間歇或連續(xù)方式向已經(jīng)啟動(dòng)好的沼氣發(fā)生裝置中進(jìn)料，進(jìn)行沼氣生產(chǎn)，產(chǎn)生的沼氣進(jìn)入沼氣緩存裝置備用；當(dāng)一個(gè)生物酸化積肥裝置中的抽出物小于800-1000mg/l時(shí)，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(shí)，停止向高效沼氣發(fā)生裝置進(jìn)料，裝置進(jìn)入休停狀態(tài)；休停期間，保持每10-30天補(bǔ)加一次發(fā)酵料，保證系統(tǒng)內(nèi)微生物的營養(yǎng)需求；補(bǔ)加發(fā)酵料的調(diào)節(jié)方法同步驟(1)所述；補(bǔ)加發(fā)酵料的量為高效沼氣發(fā)生裝置體積的1-3倍，補(bǔ)加速度為2-5kgCOD/(m3·d)；(4)沼氣生產(chǎn)休停后的再啟動(dòng)對(duì)于步驟(3)中已經(jīng)處于休停狀態(tài)的高效沼氣裝置，再進(jìn)入新的用氣周期前必須進(jìn)行再啟動(dòng)；再啟動(dòng)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(fù)荷向高效沼氣裝置進(jìn)發(fā)酵料；(5)沉淀池內(nèi)的沉淀物按2-3天一個(gè)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?jiān)屯哆M(jìn)沉淀池的沉淀物作為溫室生產(chǎn)用肥料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可時(shí)間調(diào)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(jī)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(quán)利要求1所述的可時(shí)間調(diào)控溫室用沼氣發(fā)酵方法，其特征在于所述含N元素物質(zhì)為尿素、碳酸氫銨或畜禽糞便中的一至多種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可時(shí)間調(diào)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(quán)利要求1所述的可時(shí)間調(diào)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(shí)，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(quán)利要求1所述的可時(shí)間調(diào)控溫室用沼氣發(fā)酵方法，其特征在于所述的有機(jī)廢棄物的粉碎預(yù)處理采取通過人工或機(jī)械方法切成2～3cm的小段；或者通過秸稈搓揉粉碎機(jī)對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理。
7.一種可時(shí)間調(diào)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(diào)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(shè)置主控制閥10，緩沖池(3)與高效沼氣發(fā)生裝置(6)之間設(shè)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(shí)與緩沖調(diào)節(jié)池(3)和生物酸化積肥裝置(2)相連，中間依次設(shè)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(quán)利要求7所述的可時(shí)間調(diào)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(yīng)器AF、上流式污泥床反應(yīng)器UASB或膨脹顆粒污泥床反應(yīng)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(quán)利要求8所述的可時(shí)間調(diào)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(gè)，總體積為溫室一年有機(jī)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(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種可時(shí)間調(diào)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(dòng)和原料的生物酸化儲(chǔ)存，高效沼氣發(fā)生裝置的啟動(dòng)、沼氣生產(chǎn)供應(yīng)、休停和再啟動(dòng)兩部分構(gòu)成。發(fā)酵系統(tǒng)具體由生物酸化積肥裝置、緩沖調(diào)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(shí)際，及時(shí)把分散在全年產(chǎn)生的種植業(yè)有機(jī)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(shí)通過發(fā)酵系統(tǒng)生產(chǎn)沼氣。發(fā)酵殘?jiān)鶕?jù)生產(chǎn)需要分批取出用于溫室有機(jī)肥。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了沼氣發(fā)酵可以根據(jù)溫室需求進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)。
文檔編號(hào)C12M1/107GK1986819SQ20061014741
公開日2007年6月27日 申請(qǐng)日期2006年12月18日 優(yōu)先權(quán)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(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)