CN1219873C - 固态发酵过程的气体循环耦合系统和方法 - Google Patents

固态发酵过程的气体循环耦合系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种固态发酵过程的气体循环耦合系统和方法。它包括：固态发酵反应器、两台气体循环机；一台气体循环机通过气管安置在固态发酵反应器的上部，并与大棚或温室的底部进气口相通；另一台气体循环机通过管道安装在反应器的下部，并与大棚或温室上部的排气口相连通。该耦合循环方法是采用汽爆秸秆或蔬菜、苗木废弃物固态发酵产生的CO2肥和热量，通过空气循环机供给大棚蔬菜或苗木所需的CO2肥和热量；再由空气循环机将大棚中的蔬菜或苗木产生的氧气提供给秸秆固态发酵，形成一个耦合循环；固态发酵后的秸秆再制备成大棚用的有机肥料。该方法减低了大棚栽培所需CO2和保温的费用；同时又降低了生产成本；实现了物质与能量循环的有效利用。

Description

固态发酵过程的气体循环耦合系统和方法
                    技术领域
本发明涉及发酵装置领域，特别涉及到以汽爆秸秆或蔬菜苗木废弃物为原料的固态发酵所制备CO2肥和热量供给用于大棚或温室的固态发酵过程的气体循环耦合系统和方法。
                    背景技术
大气中二氧化碳平均浓度一般为300-330mg/L，变幅较小。大棚蔬菜种植中，特别在冬春蔬菜生产中，为了保温，设施经常处于密闭状态，缺少内外气体交换，二氧化碳深度变幅较大，中午设施内二氧化碳浓度下降，接近甚至低于补偿点，二氧化碳处于亏缺状态。日出后，随着蔬菜光合作用的加速，棚内二氧化碳浓度急剧下降，有时会降至二氧化碳补偿点一下，蔬菜作物几乎不能进行正常的光合作用，影响了蔬菜的生长发育，造成病害和减产。在此情况下，采用人工方法适量补充二氧化碳是一项必要的措施。
大棚、温室内补充二氧化碳的方法常用的主要有三种。(1)、燃烧法：通过二氧化碳发生器燃烧液化石油气、丙烷气、天然气、白煤油等产生二氧化碳。当前欧美国家的设施栽培以采用燃烧天然气增施二氧化碳较普遍，而日本较多地采用燃烧白煤油增施二氧化碳。(2)、化学反应法：即用酸和碳酸盐类发生化学反应产生二氧化碳。目前较多采用稀硫酸和碳酸氢铵，在简易的气肥发生装置内产生二氧化碳气体，通过管道将其施放于设施内。每亩标准大棚(容积约1300立方米)使用2.5kg碳酸氢铵可使二氧化碳浓度达900mg/L左右。该法成本较低，二氧化碳浓度容易控制，目前在我国的设施栽培中运用较多。(3)、施用颗粒有机生物气肥法：将颗粒有机生物气肥按一定间距均匀施入植株行间，施入深度为3cm，保持穴位土壤有一定水份，使其相对湿度在80％左右，利用土壤微生物发酵产生二氧化碳。(4)施用双微二氧化碳颗粒气肥，只需在大棚中穴播，深度3CM左右，每次每亩10公斤，一次有效期长达一个月。上述几种传统方法，都存在着效果不佳、成本高，以及浪费能源等弊病。如文献EP1130085A1，C12N1/16或JP2000202416A。
发明内容
本发明的目的之一克服传统方法的效果不佳、成本高的问题。目的之二是充分利用秸秆或蔬菜、苗木废弃物固态发酵生产有机肥料过程中产生的CO2肥和热量转送到大棚或温室中满足蔬菜或苗木需要。
本发明的另一目的是利用大棚、温室的蔬菜或苗木光合作用产生的O2，为秸秆或蔬菜、苗木废弃物固态发酵过程提供所需的供氧，实现农作物秸秆残渣的综合利用，如加工有机肥料。
本发明的第三个目的实现秸秆或蔬菜、苗木废弃物利用与大棚、温室生产之间的物质、能量有效循环；从而提供一种有效制备CO2肥和热量的固态发酵耦合系统及其方法。
本发明提供的固态发酵过程的气体循环耦合系统，包括发酵反应器，其特征在于：还包括至少两台气体循环机；其中一台气体循环机通过气管安置在固态发酵反应器的上部，并与大棚或温室的底部进气口相通；另一台气体循环机通过管道安装在反应器的下部，该管道的一端口与固态发酵反应器内的三个空气分布管的两根通气管相通；另一端口与大棚或温室上部的排气口相连通；
所述的固态发酵反应器为立式结构的堆集式固态发酵反应器，罐体高度与罐体直径的比值为3-5，两端为快速法兰结构盖；利用装料和卸料；在罐体内，同心均匀放置三个空气分布管(在图3中用C、D、E表示)，有两根通气管与其相连通；
所述的空气分布管的直径(在图2中用H到J表示)与罐体直径(在图2中用G到K表示)比为1∶1.5-1∶2.0，空气分布管上开有小孔，其小孔开孔率为0.2-0.5；
所述的空气循环机是指吹吸两用气泵；
所述的大棚是指用于蔬菜、苗木、花卉等栽培的塑料大棚或温室。
本发明的固态发酵耦合方法，包括如下步骤：
(1)经汽爆处理(1.5Mpa，10min)的秸秆、蔬菜、苗木废弃物的固体物料，加入2倍重量的自来水，装入相对于堆集式固态发酵反应器生物反应器1体积的70--85％，然后接入相对于培养基重量5-15％(V/W)的绿色木霉菌种子液，自然温度发酵；
(2)当发酵料温达到35℃以上，开启空气循环机2，将反应器产生的CO2和热量送入大棚温室内，为大棚温室提供CO2肥和热量；待发酵物料温度低于25--30℃，停止空气循环机2，开启空气循环机4，将大棚温室内的气体(光合作用产生的氧气)送入固态发酵反应器1中，为好氧微生物提供所需氧气；
(3)当堆集式固态发酵反应器内固体物料体积下降1/3时，补加经2倍水湿润的汽爆处理(1.5Mpa，10min)的秸秆、蔬菜、苗木废弃物于固态发酵反应器中，继续循环通气固态发酵；
(4)当补料为原装料重量的50％左右时，从堆集式固态发酵反应器中取出50％的发酵料，在补加重量的50％的经2倍水湿润的汽爆处理(1.5Mpa，10min)的秸秆、蔬菜、苗木废弃物，并接种相对于补加固体物料重量5--15％的绿色木霉菌种子液，继续循环通气固态发酵发酵；
(5)取出的固体发酵物料可复配成大棚有机肥料；
(6)在上述操作过程中，综合考虑季节和昼夜变化，排除部分经空气循环机2抽出的气体于大气中。
所述的取固体发酵物料是指经1.5Mpa，10min汽爆处理的秸秆或蔬菜、苗木废弃物，加入固体物料两倍的自来水，混合均匀后，装入罐体内，自然堆集；
所述的装在堆集式固态发酵反应器内的固体发酵料的装料高度(在图中用B-F表示)为罐体高度(在图中用A-F表示)的70-85％。
本发明从好氧固态发酵、大棚温室两个方面的特性研究着手，基于好氧固态发酵需氧、产生CO2和热量，而大棚温室需CO2肥和热量、光合产生O2的互补性，提出了制备CO2肥和热量的固态发酵耦合系统和方法。
本发明的优点在于：(1)采用秸秆、蔬菜、苗木废弃物固态发酵与大棚循环，可使秸秆或蔬菜、苗木废弃物固态发酵产生的CO2和热量白白浪费掉，并输送到温室、大棚，满足大棚蔬菜或苗木需要，同时利用大棚蔬菜或苗木光合作用产生的O2用于秸秆好氧固态发酵；(2)同时又减低了大棚栽培所需的CO2和保温的费用；(3)秸秆或蔬莱、苗木废弃物固态发酵后可直接制备成大棚有机肥料，降低了整套系统的生产成本；(4)该发明不仅实现了CO2和热量及O2的有效循环，而且可使大棚、温室蔬菜或苗木的废弃物和固态发酵生产有机肥的物质循环利用。本发明突破传统的大棚、温室单纯补加二氧化碳肥系列方法和加热方法，克服了传统方法的效果不佳、成本高的问题，实现了物质与能量循环的有效利用。
附图说明
图1本发明的固态发酵过程的气体循环耦合系统
图2本发明的堆集式固态发酵反应器结构横切示意图。
图3本发明的堆集式固态发酵反应器纵切结构示意图。
图面说明
固态发酵反应器1；           气体循环机2、4；
大棚或温室3；               空气分布管5；
通气管6；                   气管7；
管道8；                     固态发酵料9；
具体实施方式
按图1制备一本发明的回收利用固态发酵中的副产品的耦合循环系统，固态发酵反应器1为立式结构，罐体高度与罐体直径的比值为3-5，两端为快速法兰结构盖，利用装料和卸料；在罐体内，同心均匀放置三个空气分布管(C-D-E)5，有两根通气管6相连。其中在图2和3中空气分布管的直径(H-J)与罐体直径(G-K)比为1∶1.5-1∶2.0，空气分布管5上开有小孔，其小孔开孔率为0.2-0.5；固态发酵料9装料高度(B-F)为罐体高度(A-F)的70-85％；两台气体循环机2为吹吸两用气泵，其中一台气体循环机2通过气管7安置在固态发酵反应器1的上部，并与大棚或温室3的底部进气口相通；另一台气体循环机2通过管道8安装在反应器1的下部，该管道8的一端口与固态发酵反应器内的三个空气分布管的两根通气管6连通；另一端口与大棚或温室3上部的排气口相通；
实施例2.
在实施例1的系统中进行回收利用固态发酵中的副产物的耦合循环方法，包括：
(1)经汽爆1.5Mpa气压下，处理10分钟的秸秆，加入2倍重量的自来水，装入相对于堆集式固态发酵反应器生物反应器1的体积的80％，然后接入相对于培养基重量15％的绿色木霉菌种子液，自然温度发酵；
(2)当发酵料温达到35℃以上，开启空气循环机2，将反应器内的CO2和热量送入大棚温室内，为大棚温室提供CO2肥和热量；待发酵物料温度低于25--30℃，停止空气循环机2，开启空气循环机4，将大棚温室内的气体，特别是光合作用产生的氧气送入固态发酵反应器中，为好氧微生物提供所需氧气；当堆集式固态发酵反应器内固体物料体积下降1/3时，补加经2倍水湿润的步骤1汽爆处理的秸秆于固态发酵反应器中，继续循环通气固态发酵；酵反应器中取出50％的发酵料，在补加50％的经2倍水湿润的步骤1汽爆
(3)补料为原装料重的50％，再从堆集式固态发处理的秸秆，并接种相对于补加固体物料重量5--15％的绿色木霉菌种子液，继续循环通气固态发酵发酵；取出的固体发酵物料可复配成大棚有机肥料；在上述操作过程中，综合考虑季节和昼夜变化，排除部分经空气循环机2抽出的气体于大气中。
实施例3
利用蔬菜苗木废弃物固态发酵的耦合循环方法，包括：
(1)粗切的蔬菜苗木废弃物，加入1倍重量的自来水，装入相对于堆集式固态发酵反应器生物反应器1体积的85％，然后接入相对于培养基重量8％的绿色木霉菌种子液，自然温度发酵；
(2)当反应器内的发酵料温达到35℃以上，开启空气循环机2，将反应器内的CO2和热量送入大棚温室内，为大棚温室提供CO2肥和热量；待发酵物料温度低于25--30℃，停止空气循环机2，开启空气循环机4，将大棚温室内的气体(光合作用产生的氧气)送入固态发酵反应器中，为好氧微生物提供所需氧气；
(3)当堆集式固态发酵反应器内固体物料体积下降1/3时，补加经1倍水湿润的蔬菜苗木废弃物于固态发酵反应器中，继续循环通气固态发酵；当补料为原装料重50％左右时，从堆集式固态发酵反应器中取出50％的发酵料，在补加50％的经2倍水湿润的蔬菜苗木废弃物，并接种相对于补加固体物料重量5--15％的绿色木霉菌种子液，继续循环通气固态发酵发酵；取出的固体发酵物料可复配成大棚有机肥料；在上述操作过程中，综合考虑季节和昼夜变化，排除部分经空气循环机2抽出的气体于大气中。
实施例4.利用汽爆秸秆和蔬菜苗木废弃物混合在实施例1的装置中进行固态发酵耦合的方法
汽爆处理(1.5Mpa，10min)的秸秆与蔬菜苗木废弃物(1∶1)，加入1.5倍重量的自来水，装入相对于堆集式固态发酵反应器生物反应器1体积的75％，然后接入相对于培养基重量10％的绿色木霉菌种子液，自然温度发酵；其他同实施例1。
实施例5.在实施例1的装置中进行汽爆秸秆固态发酵应用于快速出笋的方法
经汽爆处理(1.5Mpa，10min)的秸秆，加入1倍重量的自来水，然后接入相对于培养基重量15％的绿色木霉菌种子液，混合均匀后，在将要竹林内铺垫8---15cm后，利用汽爆秸秆产生的可溶性使微生物快速生长产生热量，同时产生纤维素酶进一步降解汽爆秸秆。另外，强化接种的木霉对植物病原菌具有生物防治作用，防治竹笋病害的发生。

Claims (8)

1、一种用于大棚或温室的固态发酵过程的气体循环耦合系统，包括堆积式固态发酵反应器(1)，其特征在于：还包括至少两台气体循环机(2，4)；其中一台气体循环机(2)通过气管(7)安置在堆积式固态发酵反应器(1)的上部，并与大棚或温室(3)的底部进气口相通；另一台气体循环机(4)通过管道(8)安装在固态发酵过反应器(1)的下部，该管道(8)的一端口与固态发酵反应器(1)内的三个空气分布管的两根通气管(6)相通；另一端口与大棚或温室(3)上部的排气口相连通。
2、如权利要求1所述的用于大棚或温室的固态发酵过程的气体循环耦合系统，其特征在于：所述的堆积式固态发酵反应器(1)为立式结构堆积式，罐体高度与罐体直径的比值为3-5，两端为快速法兰结构盖；在罐体内，同心均匀放置三个空气分布管(5)，有两根通气管(6)与其相连通。
3、如权利要求1所述的用于大棚或温室的固态发酵过程的气体循环耦合系统，其特征在于：所述的空气分布管的直径与罐体直径的直径比为1∶1.5-1∶2.0，空气分布管上开有小孔，其小孔开孔率为0.2-0.5。
4、如权利要求1所述的用于大棚或温室的固态发酵过程的气体循环耦合系统，其特征在于：所述的空气循环机为吹吸两用气泵。
5、一种应用权利要求1所述的固态发酵过程的气体循环耦合系统进行气体循环耦合的方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)经在1.5Mpa压力下，汽爆处理10min的固体物料，加入2倍重量的自来水，装入相对于堆积式固态发酵反应器(1)体积的70-80％，然后接入相对于培养基重量5-15％的绿色木霉菌种子液，自然温度发酵；
(2)当发酵料温达到35℃以上，开启空气循环机(2)，将反应器产生的CO2和热量送入大棚或温室内，为大棚或温室提供CO2肥和热量；待发酵物料温度低于25-30℃，停止空气循环机(2)，开启空气循环机(4)，将大棚或温室内的气体送入堆积式固态发酵反应器(1)中，为好氧微生物提供所需氧气。
6、如权利要求5所述的用于大棚或温室的固态发酵过程的气体循环耦合方法，其特征在于：所述步骤(2)之后还包括步骤(3)和步骤(4)；
所述步骤(3)：当堆积式固态发酵反应器(1)内固体物料体积下降1/3时，补加经2倍水湿润的、经在1.5Mpa，10分钟汽爆处理的固态物料于固态发酵反应器中，继续循环通气固态发酵；
所述步骤(4)：当补料为原装料重量的50％左右时，从堆积式固态发酵反应器(1)中取出50％的发酵料，再补加重量50％的经2倍水湿润的、经在1.5Mpa，10分钟汽爆处理的固态物料，并接种相对于补加固体物料重量5-15％的绿色木霉菌种子液，继续循环通气固态发酵。
7、如权利要求5所述的用于大棚或温室的固态发酵过程的气体循环耦合方法，其特征在于：所述的固态物料包括秸秆、蔬菜或苗木废弃物。
8、如权利要求5所述的用于大棚或温室的固态发酵过程的气体循环耦合方法，其特征在于：所述的大棚或温室是指用于蔬菜、苗木或花卉栽培用的塑料大棚或温室。
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