蔬菜廢棄物“大棚模式”應(yīng)用技術(shù)

武漢市農(nóng)業(yè)機械化科學研究所 張俊峰 張?zhí)凭?萬勇 劉海 郭翔 龐雄斌

蔬菜廢棄物“大棚模式”應(yīng)用技術(shù)

武漢市農(nóng)業(yè)機械化科學研究所 張俊峰 張?zhí)凭?萬勇 劉海 郭翔 龐雄斌

1　蔬菜廢棄物的現(xiàn)狀及其資源化利用技術(shù)

蔬菜廢棄物是蔬菜生產(chǎn)中大量品質(zhì)不佳和加工處理時廢棄的葉、根、莖和果實等，占到中國城市生活垃圾的20%～50%。武漢市委市政府高度重視“菜籃子工程”的實施，2014年，蔬菜播種面積達169.08千hm2，產(chǎn)量702.74萬t，產(chǎn)值達192.03億元，占農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值比重達34.3%，成為農(nóng)業(yè)第一大支柱產(chǎn)業(yè)（武漢市統(tǒng)計局），依據(jù)蔬菜殘株與蔬菜產(chǎn)量之比約0.3，可收集利用系數(shù)為0.6，可計算出2014年武漢市可收集利用的蔬菜廢棄物鮮重達到126.49萬t。

蔬菜廢棄物有機質(zhì)含量較高，其中固體含量為8%～19%，而揮發(fā)性固體含量占總固體的80%以上，包括75%的糖類和半纖維素、9%的纖維素及5%的木質(zhì)素；以干基計算蔬菜廢棄物的含氮量在3%左右，總磷含量為0.3%～0.5%，鉀含量為1.8%～5.3%，其營養(yǎng)成分與常用的天然有機肥料相當。蔬菜廢棄物易腐爛的特性，既對蔬菜種植基地造成嚴重的環(huán)境污染，又是生物質(zhì)資源的浪費。蔬菜廢棄物的特性尤其是高含水率（一般在90%左右），使得它們適宜采用生物處理工藝。厭氧發(fā)酵成為理想的處理途徑，既能使蔬菜廢棄物回收沼氣能源加以利用，又使其變成無害高效有機肥，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。

厭氧發(fā)酵過程是各種有機物在厭氧條件下，被各類沼氣發(fā)酵微生物分解轉(zhuǎn)化，最終產(chǎn)生沼氣的過程。按發(fā)酵溫度分為常溫發(fā)酵、中溫發(fā)酵和高溫發(fā)酵。其中中溫發(fā)酵產(chǎn)氣率較高、穩(wěn)定、氣質(zhì)好，且中溫消化反應(yīng)的設(shè)備簡單，成本較低，是比較理想的蔬菜廢棄物處理方法。

2　沼氣和設(shè)施大棚配套應(yīng)用

2.1便攜式沼氣發(fā)酵裝置

圖1　便攜式沼氣發(fā)酵裝置

便攜式沼氣發(fā)酵裝置為便攜式模塊化組裝結(jié)構(gòu)，包括柔性沼氣袋、剛性罩殼、進料斗、出料口等，沼氣池地上安裝，占地面積小，可移動，運輸方便，使用維護簡單，用戶完全可以自行維護。

柔性沼氣袋具有耐壓，耐腐蝕，高強度防爆等功能，氣密性好，無泄漏，供氣時略施加外力即可將池內(nèi)尾氣排出。當沼液排光，清渣時只須稍施外力擠壓袋狀沼氣池，即可將沼渣清除干凈。

序號　便攜式沼氣發(fā)酵裝置　傳統(tǒng)沼氣池地下室水泥砂漿現(xiàn)澆地上安裝，模塊化結(jié)構(gòu)1 2可移動，可搬遷安裝方便，安裝一個沼氣池只需要2 h 建設(shè)成本高，施工困難周期長約15 d柔性沼氣袋氣密性好，無泄漏，尾氣可自由排出池體難以做到零泄漏，影響氣密性，池內(nèi)殘留尾氣無法使用不結(jié)殼不堵塞，可自由排料。易結(jié)殼、堵塞，大出料需要泵抽，若人員進入池內(nèi)清渣，易造成CO2窒息死亡事件。投資大，成功率低不能移動，固定在建設(shè)位置3 4 5 6投資小，產(chǎn)氣快

圖2　傳統(tǒng)沼氣池地下施工建設(shè)

相對于傳統(tǒng)沼氣池，便攜式組裝沼氣池具有以下優(yōu)勢：便攜式沼氣發(fā)酵裝置可在一定程度上改善傳統(tǒng)沼氣池的應(yīng)用弊端，然而，冬季受環(huán)境溫度波動影響大，沼氣池的越冬問題仍在一定程度上限制了它的推廣應(yīng)用。

2.2“大棚模式”特點

圖3　“大棚模式”示意圖

“大棚模式”是將便攜式沼氣發(fā)酵裝置安放在蔬菜大棚進行厭氧發(fā)酵的方式，簡稱為“大棚模式”，“大棚模式”有效解決了傳統(tǒng)沼氣池與便攜式沼氣發(fā)酵裝置應(yīng)用推廣過程中出現(xiàn)的問題，是一種可靠的資源循環(huán)利用模式。

沼氣發(fā)酵裝置安放在塑料大棚內(nèi)，冬季不必加熱發(fā)酵池，塑料大棚的增溫保溫性提高沼氣發(fā)酵溫度，可有效解決室外冬季沼氣池產(chǎn)氣率低甚至不產(chǎn)氣問題。同時利用所產(chǎn)沼氣燃燒釋放熱量進一步提高塑料大棚溫度，還為大棚蔬菜增施CO2氣體肥，促進其生長，又進一步提高沼氣池產(chǎn)氣量，發(fā)酵殘留物沼液沼渣為大棚蔬菜無害高效有機肥，從而提高了塑料大棚綜合效益。

該模式中發(fā)酵原料主要為蔬菜大棚種植產(chǎn)生的植株殘體，沼氣池產(chǎn)生“三沼”直接在大棚內(nèi)利用，是一種高效利用資源，提高生產(chǎn)效益的生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展模式。

圖4　“大棚模式”應(yīng)用流程圖

2.3武漢市應(yīng)用“大棚模式”的前景

武漢市新建7萬畝（1hm2=15畝）設(shè)施蔬菜基地，具有推廣應(yīng)用的設(shè)施基礎(chǔ)條件，發(fā)展大棚蔬菜生產(chǎn)的同時也產(chǎn)生了大量的蔬菜垃圾，設(shè)施內(nèi)蔬菜廢棄物作為厭氧發(fā)酵的原材料，收集便利，便攜式沼氣池與大棚配合，從源頭上進行無害化與資源化利用，資源得到最佳配置，實現(xiàn)以沼氣池為紐帶的農(nóng)業(yè)廢棄資源生態(tài)良性循環(huán)，生態(tài)和社會效益顯著。

圖5　“大棚模式”應(yīng)用實例

3“大棚模式”的應(yīng)用技術(shù)方案

3.1沼氣池的安裝選址

當設(shè)備連接上以后，每個設(shè)備都擁有各自的BluetoothSocket，就可以實現(xiàn)設(shè)備之間數(shù)據(jù)的共享了。藍牙AP 則可通過BluetoothSocket 的getOutStream()向數(shù)據(jù)采集層各采集模塊發(fā)送傳輸控制指令，對獲取到的生命體征數(shù)據(jù)則通過TCP/IP 協(xié)議發(fā)送到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，進而可以對收集到的生理參數(shù)通過機器學習預(yù)測和分析模塊進行列表顯示和圖表顯示，并綜合判斷當前數(shù)據(jù)，給出疾病預(yù)警提示和初步診斷預(yù)案。

沼氣池應(yīng)安放在大棚兩端空地處，場址有較好的地質(zhì)，地形平坦，具備供電的基礎(chǔ)條件，盡量錯開蔬菜種植區(qū)域，留出人行走空間。沼氣池容積適宜，2畝大棚約配套4 m3的沼氣池。

3.2配套系統(tǒng)設(shè)計安裝

包括沼氣發(fā)酵系統(tǒng)、CO2氣肥增施系統(tǒng)、大棚補光增溫系統(tǒng)。

3.3厭氧發(fā)酵工藝

將牛糞作為啟動原料，投入沼氣池，待產(chǎn)氣穩(wěn)定后，蔬菜廢棄物作為添加料分階段連續(xù)批量投入沼氣池中，發(fā)酵過程中可隨時進出料，待產(chǎn)氣明顯下降時，要及時加料。

冬季在大棚內(nèi)通過燃燒沼氣放出CO2，使棚內(nèi)CO2濃度增高，為大棚蔬菜增施氣體肥，從而提高作物產(chǎn)量。夏季沼氣可點殺蟲燈殺蟲。

3.4安全使用注意事項

（1）啟動階段，為避免酸化現(xiàn)象，牛糞作為啟動原料，應(yīng)設(shè)置較低的固體濃度5%以下，發(fā)酵穩(wěn)定后逐步增加有機負荷，總固體濃度（TS）應(yīng)保持小于15%的水平。

（2）添加接種劑，一般選擇正常發(fā)酵產(chǎn)氣沼氣池的沼渣或沼液作為啟動接種物；啟動時，應(yīng)按照接種物、原料、水比例為1∶2∶5的原則；啟動時加入的水溫不能太低，應(yīng)該在10℃以上的水。

（3）在沼氣池啟動運行過程中，放氣試火應(yīng)該在沼氣灶具上進行。嚴禁在沼氣池出料口或?qū)夤苌现苯舆M行點火試驗，以防回火爆炸。

（4）使用沼氣時，要先點燃引火物，再開開關(guān)，以防沼氣忽然放出過多，燒到身上或引起火災(zāi)。

（5）經(jīng)常檢查輸氣管道、開關(guān)、接頭是否漏氣，如果漏氣要立即更換或修理，以免發(fā)生火災(zāi)。不用氣時要關(guān)好開關(guān)。

（6）大棚內(nèi)如有臭雞蛋味，要開門、開窗并切斷氣源，人也要迅速離去，等棚內(nèi)無味時，再檢修漏氣部位。

（7）凝水器要安裝在輸氣管道距地面較低位置，防止冷凝水聚集結(jié)成冰，堵塞輸氣管道。

（8）沼氣燈、灶具和輸氣管道遠離易燃物品，以防失火。一旦發(fā)生火災(zāi)，應(yīng)立即關(guān)閉開關(guān)，或把輸氣管從導(dǎo)氣管上拔掉，切斷氣源后，立即把火撲滅。

（9）檢查輸氣管路是否漏氣的方法

檢查輸氣管路一般是這樣進行：將沼氣池到灶具的輸氣管中的開關(guān)關(guān)上，再將連接爐具一端輸氣管拔下，把輸氣管連接灶具的一端用手堵嚴，然后將沼氣池導(dǎo)氣管一端的輸氣管拔開；向輸氣管內(nèi)吹氣或打氣，U型壓力表水柱達30 cm以上，迅速關(guān)閉沼氣池輸送到爐具管路之間的開關(guān)，觀察壓力表讀數(shù)是否下降，3 min后不下降，表明輸氣管不漏氣。如果壓力表讀數(shù)下降，表明漏氣。若判斷哪些地方漏氣，可以再向管內(nèi)吹起，使U型壓力表水柱達30 cm以上，然后用小毛刷蘸肥皂水，往管路上刷，凡是冒氣泡的地方，就是管路漏氣的地方，應(yīng)當進行檢修。

（10）發(fā)酵過程中維持沼液的pH值在6.5～7.5的范圍，若發(fā)酵液偏酸應(yīng)在稀釋料液的同時，加入部分堿液、草木灰或者石灰水調(diào)節(jié)。

2015-10-28）