沼气发酵研究论文

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～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 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 ～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 COD/(m3·d)～ kg COD/(m3·d)负荷向高效沼气装置进行适应性进料。

略谈农村使用沼气遇到的问题及对策论文

一、农村沼气使用现状和存在的问题

抽查发现，沼气池发酵原料不足、农民使用沼气的积极性不高、安全使用观念淡薄，综合利用推广迟缓等现象普遍存在，农村户用沼气建设未达到建池前的预期效果。为防止问题扩大蔓延，只有从源头加以重视并积极寻找对策，才能解决和改变目前现状。通过实地调查和分析，我们认为造成以上问题的原因有以下几个方面：

1、当前农村年青人大多外出务工、经商，留在家的都是老弱病残，这些农户大部分对沼气池无能力管理，造成管护不到位，有的缺乏沼气使用管理知识，很难做到勤进料、勤出料、勤搅拌，大换料更是无能为力，只能有气就用，无气就不用，导致闲池、病池大量出现。

2、随着农村生产结构调整，养殖趋向于规模化、集约化，户用沼气池发酵原料短缺，不能按时进料和换料，以致于影响沼气的正常运转，成为目前制约沼气产业发展的瓶颈；

3、资金投入问题已成为阻碍沼气建设发展的障碍。随着建材价格、劳力工资的不断上涨，国家补助资金仅能建池通气，农乎资金不足，“三改”不能同步进行，庭院环境没有发生改观，对比建池前的规划和效果，挫伤了农民建池积极性的初衷；

4、沼气技术服务体系建设滞后，沼气池日常使用缺乏技术支撑。无法保证农户正常、持续、稳定地用上、用好沼气。对灶具等沼气配套设备的自查、保养、维修能力较弱；脱硫剂得不到及时更新，造成沼气灶灶具托架腐蚀烂掉，甚至脱硫器起热变形后弃用，直接将沼气管接到灶具；室内外沼气输送管道安装及日常检修不规范，存在较大安全隐患；

5、沼气项目建设带来的变化和效益没有凸显。沼液、沼渣综合利用推广停留在自发阶段，不少地方对沼气建设的认识还停留在解决农民生活用能的单一利用上，在推广沼气综合利用方面没有有示范、引导，有机肥得不到充分发挥利用。个别农户甚至将沼液、沼渣就地排放，造成二次污染，大大地违背了国家农村户用沼气建设的初衷；

6、农村生活用能的多元化格局形成，降低了了农民使用沼气的积极性。目前农村能源从主要以薪柴、煤炭为主的传统用能模式，逐步转变为煤炭、电、沼气、液化气互为补充的多元化用能格局。相对于用沼气而言，用电、液化气等用能方式更加方便，且无需后续服务，因此农民对建设沼气池的意愿也越来越低。

二、解决农村沼气日常使用中存在问题的基本思路

沼气项目建设任务重、牵涉面广，辐射千家万户，作为地方和农村能源管理部门要秉持好事办好、实事办实的原则，在实施项目建设时具有前瞻性，努力做好以下几点工作：

1、沼气池建设要因地制宜，合理规划，避免一刀切。要结合地域差别、生活方式、务工习好、种养殖习惯等先期调研和规划，确保沼气项目建设发挥最大效益，避免造成不必要的损失；

2、整合资源优势，拓宽投资渠道，加大资金投入力度，稳步推进沼气建设顺利实施；

3、坚持“大回访”制度常态化，深入一线，了解用户的意见要求，帮助其解决疑难问题。以沼气国债项目村为依托建立村级沼气服务网点，并具备“六个一”配套设施和辐射性服务功能；

4、以点带面，逐步推广沼气综合利用，确保沼气建设效益最大化。转变农村户用沼气单单解决生活用能的理念，向多元化综合利用发展，把建设和发展生态循环农业作为沼气综合利用的出发点和落脚点。让农户亲身体会沼气的.好处，从而推动农村能源工作向纵深方向发展；

5、加大农村能源技术人员队伍建设，确保沼气服务技术力量支撑。地方财政应加大对农村沼气后续服务的投入，切实改变和完善目前农村沼气服务网点的现状。特别是要把农村能源机构的工作经费和人员工资解决好，保证农村能源机构工作的正常运转，彻底解决沼气农户的后顾之忧。

三、解决农村沼气日常使用中存在问题的可行性建议

沼气产业的推广和利用，整合了农业产业链条，调整了产业结构，使生态农业持续发展成为可能。为更好地解决目前农村沼气建设中存在的问题，笔者有以下建议：

1、地方和农村能源部门要充分利用电视专题片、墙报、宣传页、大喇叭、培训会等多种媒体和载体，对沼气推广、应用的意义和作用，沼气池的日常使用、维修技术等进行广泛、深入的宣传，提高农户沼气维修技能；

2、引导受益群体充分整合资源优势和地域优势，开展多元化的互动模式，加大综合利用商品化运作。遵循市场规律，通过置换或者商品化模式，形成利益共同体。沼气用户将农作物秸秆提供给养殖户作为牲畜饲料，养殖户将牲畜粪便提供给沼气农户作为沼气池发酵原料；或者沼气农户将自产秸秆作为发酵原料不足时，购买养殖场粪便作为补充，将沼渣、沼液作为有机肥出售给周边农产品种植户或花圃、苗圃、果园等，建立以沼气为纽带的农业生产生态循环模式，确保沼气正常运行并能发挥最大效益；

3、保证对沼气用户的技术、技能培训的常态化，鼓励公司或者有能力的个人成立沼气服务合作社，开展沼气有偿服务，形成服务长久机制，提高沼气使用率和综合利用普及率；

4、加强和完善各级沼气服务体系的长久机制建设，设置沼气故障维修服务电话，随时对故障池进行维修和服务，同时做好维修和服务记录，以备及时回访。