溫室生物質(zhì)發(fā)酵釀熱工程案例與性能分析＊

李建明，胡藝馨（西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院，陜西楊凌 712100）

溫室在中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位，并且對(duì)中國農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著至關(guān)重要的影響。但中國北方地區(qū)由于深秋、冬季和早春季節(jié)低溫寡照氣候嚴(yán)寒，當(dāng)冷空氣侵入時(shí)，最低溫度一般可降至-30℃以下，溫室內(nèi)環(huán)境溫度無法達(dá)到作物生長要求。由于溫室具有一定封閉性，在低溫條件下室內(nèi)CO2濃度不足，作物光合作用過程受阻，將導(dǎo)致溫室生產(chǎn)大幅減緩甚至無法實(shí)現(xiàn)越冬生產(chǎn)，土地利用率低，嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

傳統(tǒng)加溫方式需消耗大量化石能源，同時(shí)產(chǎn)生大量溫室氣體，造成環(huán)境污染。因此尋求綠色經(jīng)濟(jì)的溫室增溫技術(shù)便成為中國北方寒冷季節(jié)溫室生產(chǎn)的關(guān)鍵問題之一。雖然近年來研發(fā)的太陽能、地?zé)崮艿刃履茉蠢眉夹g(shù)具有一定效果，但多為大功率機(jī)械設(shè)備的組合應(yīng)用，成本高昂，并且其應(yīng)用效果直接受光照限制，在長期低溫寡照季節(jié)無法為溫室提供能源加熱，其實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性均無法達(dá)到廣大溫室農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求。

溫室生物質(zhì)發(fā)酵釀熱可有效提高室內(nèi)溫度，充分循環(huán)利用農(nóng)業(yè)廢物，改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境條件，實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村振興的產(chǎn)業(yè)振興與環(huán)境優(yōu)美目標(biāo)。生物質(zhì)是植物、動(dòng)物或者微生物等生命體的合稱，是可再生或可循環(huán)的有機(jī)物質(zhì)總稱，其包括能源作物、農(nóng)業(yè)廢棄物、林業(yè)廢棄物、動(dòng)物糞便等。生物質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)熱即利用微生物對(duì)環(huán)境中生物質(zhì)進(jìn)行緩慢氧化(即分解代謝) 釋放熱能的一種溫室增溫措施。

技術(shù)原理

溫室生物質(zhì)發(fā)酵釀熱是利用微生物對(duì)農(nóng)業(yè)廢棄物中有機(jī)質(zhì)的好氧降解產(chǎn)生熱量與CO2，對(duì)溫室進(jìn)行增溫補(bǔ)氣的調(diào)控措施，在低溫天氣溫室無法通風(fēng)換氣的封閉狀態(tài)下，生物質(zhì)發(fā)酵釀熱技術(shù)可滿足植物光合作用對(duì)CO2的消耗，促進(jìn)作物生長。同時(shí)，溫室中作物通過光合作用產(chǎn)生的氧氣可為好氧微生物提供充足氧氣條件，而作物收獲后的殘株可作為發(fā)酵物料，實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)生物質(zhì)與氣體的循環(huán)利用。早在2000 年前，國內(nèi)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)便使用溫床利用微生物通過生化反應(yīng)所產(chǎn)生的生物熱能為主要熱源進(jìn)行育苗，說明生物質(zhì)發(fā)酵釀熱在溫室生產(chǎn)中具有較好可行性。溫室生物質(zhì)發(fā)酵釀熱最重要部分是適宜的原料配比及含水率。當(dāng)原料配比為C/N 為（25～35）:1，含水率為55%～65% 時(shí)，發(fā)酵產(chǎn)熱性能良好，產(chǎn)熱時(shí)間長，溫度穩(wěn)定且產(chǎn)熱量高。除此之外，發(fā)酵規(guī)模也是影響產(chǎn)熱性能的重要因素。在相同的物料配比與含水率下，發(fā)酵規(guī)模過小，堆體產(chǎn)生的熱量散失越快，無法維持微生物生命活動(dòng)所需基礎(chǔ)溫度，從而導(dǎo)致發(fā)酵產(chǎn)熱進(jìn)程減緩甚至停滯。而較大的發(fā)酵規(guī)?？梢詼p少堆體熱量散失，提高堆體自身保溫性，從而提高發(fā)酵產(chǎn)熱效率，促進(jìn)發(fā)酵產(chǎn)熱進(jìn)程。

溫室生物質(zhì)發(fā)酵釀熱案例

工程概況

2015～2019 年，溫室生物質(zhì)發(fā)酵釀熱工程在西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝場的大跨度非對(duì)稱水控釀熱保溫溫室（圖1）內(nèi)進(jìn)行。

圖1 大跨度非對(duì)稱釀熱溫室及釀熱槽示意圖

釀熱槽位置

在溫室大棚內(nèi)北部建造水控釀熱槽或反應(yīng)堆。以600 m2大跨度非對(duì)稱水控釀熱溫室為例，每600 m2溫室對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)30 m3基質(zhì)釀熱槽，由混凝土澆筑而成。

釀熱槽規(guī)格

釀熱槽長、寬和深分別為30 m、1 m、1 m。

通氣管布置

在釀熱槽到立柱之間鋪設(shè)通氣管，將產(chǎn)生的熱量與CO2引入溫室內(nèi)。

釀熱物鋪設(shè)

在槽內(nèi)放置作物秸稈與農(nóng)家肥，堆肥體積為1 m×1 m×30 m。為使槽內(nèi)基質(zhì)保持良好透氣性，基質(zhì)放置順序?yàn)橄蠕伭捷^大的枯枝腐葉，再將畜禽糞便放置其上，料面高出槽口10～15 cm，最后鋪5 cm 腐熟好的基質(zhì)，輕輕壓實(shí)。

釀熱槽啟動(dòng)

調(diào)節(jié)碳氮比在（25～35）:1。在冬季低溫來臨前10 天將發(fā)酵物總質(zhì)量3% 的EM 菌劑混入水中噴施到堆體上，調(diào)節(jié)堆體相對(duì)含水量調(diào)至60% 左右，將釀熱槽表面覆上塑料膜封嚴(yán)。

注意事項(xiàng)

該工程實(shí)施中，有以下6 點(diǎn)注意事項(xiàng)：①發(fā)酵釀熱反應(yīng)堆建造要依據(jù)溫室類型，溫室內(nèi)需熱量，進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)；②發(fā)酵初期產(chǎn)生的氣體要釋放至溫室外，以免將發(fā)酵初期堆體內(nèi)產(chǎn)生的有害氣體引入溫室。③將農(nóng)業(yè)廢棄物發(fā)酵產(chǎn)熱時(shí)間盡量控制在當(dāng)?shù)販囟容^低的時(shí)段。④農(nóng)業(yè)廢棄物發(fā)酵每年換1 次，挖出的發(fā)酵物可以作為肥料施用。⑤為簡化操作，發(fā)酵釀熱堆體高度盡量不高于2 m。⑥釀熱反應(yīng)堆體量大小依據(jù)溫室面積而定，每600 m2溫室內(nèi)設(shè)計(jì)30 m3 農(nóng)業(yè)廢棄物進(jìn)行發(fā)酵釀熱。

工程施工

施工過程中，首先進(jìn)行通氣管布置，用于對(duì)堆體進(jìn)行通風(fēng)供氧并將產(chǎn)生的熱量和CO2引入溫室。之后進(jìn)行發(fā)酵釀熱物鋪設(shè)，先鋪粒徑較大的枯枝腐葉，再將畜禽糞便混合細(xì)碎殘株倒入發(fā)酵池中，兩種原料質(zhì)量比約為1:1。此種鋪設(shè)方式可防止物料堵塞通氣管，避免堆體底部水分沉積和自壓實(shí)作用而造成厭氧區(qū)域。雖然在工業(yè)好氧發(fā)酵系統(tǒng)中，物料一般采取均勻混合的方式，是因?yàn)楣I(yè)規(guī)模下的通風(fēng)系統(tǒng)采用大功率風(fēng)機(jī)，可將大量水分吹出，同時(shí)通氣管內(nèi)高速氣流可防止氣孔堵塞。但在農(nóng)業(yè)生物質(zhì)發(fā)酵釀熱系統(tǒng)中，采取大功率通風(fēng)設(shè)備不僅能耗巨大，過大通風(fēng)量也會(huì)使堆體水分及熱量散失過快，不利于堆體保溫，從而造成發(fā)酵釀熱減緩?fù)９时景咐械奈锪箱佋O(shè)方式在考慮低能耗成本以及綠色可持續(xù)發(fā)展等前提下更適合用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。最后，在低溫天氣到來前10 天進(jìn)行發(fā)酵啟動(dòng)，即將占原料總質(zhì)量3% 的EM 菌劑與水混合均勻，噴施到原料中，調(diào)節(jié)含水率至60%，將發(fā)酵池表面覆蓋塑料膜封嚴(yán)。好氧發(fā)酵中，原料需要達(dá)到一定濕度才能進(jìn)行發(fā)酵，因此在發(fā)酵前控制物料水分在較低水平，則可抑制微生物活性，使發(fā)酵啟動(dòng)處于可控狀態(tài)，盡量避免原料在不需要釀熱加溫時(shí)自行發(fā)酵降解。

工程性能

根據(jù)已有工程實(shí)例表明，配備生物質(zhì)發(fā)酵釀熱技術(shù)的非對(duì)稱單層保溫大棚在典型雪天下，室內(nèi)夜間平均氣溫和地溫分別為8.9 ℃和11.6℃。相比傳統(tǒng)日光溫室，該棚的日均氣溫可提高0.7～2.1℃，日均地溫可提高0.5～2.2℃。在極端天氣工況下（室外氣溫為-14.3℃），生物質(zhì)發(fā)酵釀熱技術(shù)可使非對(duì)稱單層保溫大棚夜間氣溫保持在5.3℃，比傳統(tǒng)日光溫室高0.8℃。在2019 年11 月初添加8 m3農(nóng)業(yè)廢棄物至釀熱槽內(nèi)，可使槽內(nèi)溫度于11 月24 日達(dá)35℃，并維持高溫61 天?？稍?2 月～ 次年1 月將17 m 跨的單層非對(duì)稱保溫大棚室內(nèi)平均最低氣溫提高7.3℃，提高棚內(nèi)CO2濃度1500～2000 μmol/mol。

同時(shí)，增加生物質(zhì)發(fā)酵釀熱技術(shù)可將溫室內(nèi)CO2濃度提高至原來的2.6 倍，并顯著促進(jìn)黃瓜營養(yǎng)生長，顯著提高黃瓜可溶性糖含量達(dá)109.38%，VC 含量提高12.57%，硝酸鹽含量顯著下降40.65%，產(chǎn)量顯著提高25.13%，同時(shí)可使黃瓜提早8 天上市。

大跨度非對(duì)稱水控釀熱溫室效果顯著，其研究結(jié)果表明以豬糞為調(diào)理劑進(jìn)行番茄秸稈堆肥，在調(diào)整EC 后可作為理想的栽培基質(zhì)，且利用其發(fā)酵產(chǎn)生的熱量可改善大棚中的環(huán)境條件?；谏镔|(zhì)發(fā)酵產(chǎn)熱增溫的大跨度非對(duì)稱釀熱溫室冬季溫度，土地利用率和實(shí)際種植效益均優(yōu)于傳統(tǒng)日光溫室，適合在黃河中下游及淮河流域類似氣候條件的地區(qū)推廣應(yīng)用。

工程經(jīng)濟(jì)

以17 m 跨的非對(duì)稱單層保溫大棚為例，室內(nèi)面積為510 m2；發(fā)酵材料中，秸稈、畜禽糞便、菇渣體積比為1:2:1，總用量12 m3，畜禽糞便單價(jià)100 元/m3，秸稈為溫室栽培上茬作物殘株，不計(jì)入費(fèi)用，故發(fā)酵原料共計(jì)900 元。發(fā)酵原料裝填、清理、二次利用等需要人工成本費(fèi)1200 元，故每年發(fā)酵原料總成本2100 元。由2016 年配備生物發(fā)酵釀熱技術(shù)的溫室秋延后栽培結(jié)果知，當(dāng)年番茄產(chǎn)量為24.29 kg/m3。距農(nóng)業(yè)部監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，2016年番茄全年批發(fā)均價(jià)為3.11 元/kg。據(jù)測算，應(yīng)用生物質(zhì)發(fā)酵釀熱技術(shù)的17 m 跨非對(duì)稱單層保溫大棚番茄提高產(chǎn)量1200 kg，收入增加3600 余元。

發(fā)展建議

生物質(zhì)發(fā)酵反應(yīng)堆的建造要依據(jù)溫室類型，依據(jù)溫室最大采暖熱負(fù)荷下的散熱量，科學(xué)設(shè)計(jì)發(fā)酵體量與物料配比，以滿足溫室熱量需求與作物生長環(huán)境。為簡化操作并降低物料自壓實(shí)作用，發(fā)酵堆體高度盡量低于2 m。發(fā)酵初期產(chǎn)生的氣體以NH3、H2S 等易對(duì)植物產(chǎn)生毒害的氣體居多，故發(fā)酵初期應(yīng)將氣體盡量釋放至室外，或在通氣管末端安裝氣體過濾裝置。一般在通氣管末端填裝潮濕木屑或腐熟基質(zhì)可起到良好過濾作用。水分是發(fā)酵釀熱過程中的關(guān)鍵參數(shù)，堆體溫度則是反應(yīng)發(fā)酵釀熱效果的重要指標(biāo)，故需要進(jìn)行發(fā)酵物料理化性質(zhì)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。當(dāng)發(fā)酵物料溫度過高時(shí)（>60℃）應(yīng)及時(shí)進(jìn)行人工翻堆，以防堆溫過高使好氧微生物大量死亡影響釀熱進(jìn)程。當(dāng)物料溫度過低時(shí)應(yīng)盡量減少通氣頻次降低，以保證微生物所需溫度環(huán)境。當(dāng)含水率低于50% 時(shí)，需進(jìn)行水分補(bǔ)充，混合EM 菌劑進(jìn)行噴施。當(dāng)含水率高于65% 時(shí)，應(yīng)及時(shí)揭開發(fā)酵池表面塑料膜以促進(jìn)發(fā)酵物料中水分散失。