徐得天，石惠嫻*，裴曉梅，孟祥真，朱洪光

(1.同濟大學新農(nóng)村發(fā)展研究院，同濟大學國家設施農(nóng)業(yè)工程技術研究中心，上海 200092；2.同濟大學建筑與城市規(guī)劃學院，上海 200092)

植物工廠生物質(zhì)廢棄物厭氧消化循環(huán)利用可行性探討

徐得天1，石惠嫻1*，裴曉梅2，孟祥真1，朱洪光1

(1.同濟大學新農(nóng)村發(fā)展研究院，同濟大學國家設施農(nóng)業(yè)工程技術研究中心，上海 200092；2.同濟大學建筑與城市規(guī)劃學院，上海 200092)

針對植物工廠生物質(zhì)廢棄物的特點，在總結已有文獻的基礎上，參考傳統(tǒng)預處理和厭氧發(fā)酵系統(tǒng)常用工藝，制訂了植物工廠廢棄物厭氧消化循環(huán)利用系統(tǒng)，創(chuàng)造性地將單乙醇胺法脫硫用于沼氣脫硫上，對系統(tǒng)進行了完善。從該系統(tǒng)主要組成部分包括預處理系統(tǒng)、厭氧消化系統(tǒng)、沼氣凈化系統(tǒng)、沼氣、沼液和沼渣(三沼)利用等方面，從植物工廠生物質(zhì)廢棄物厭氧消化循環(huán)利用的角度，對其進行了可行性分析。結果表明：植物工廠生物質(zhì)廢棄物厭氧消化循環(huán)利用三沼可行，但受植物工廠規(guī)模的限制，不同規(guī)模的植物工廠生物質(zhì)厭氧消化沼氣產(chǎn)量不同，小型植物工廠廢棄物厭氧發(fā)酵后沼氣不適合用于供熱、發(fā)電，僅適合小規(guī)模使用(如沼氣燈、沼氣灶等)，大型植物工廠廢棄物厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣可以用于供熱和發(fā)電。

厭氧消化；沼氣；脫硫；沼液；沼渣；循環(huán)利用

植物工廠系統(tǒng)是未來生產(chǎn)植物的必然趨勢，目前，日本和我國的植物工廠已培育出高利潤的幼苗、香草、水果和蔬菜[1]。植物工廠廢棄物是指植物工廠中植物自然凋落或人工修剪所產(chǎn)生的殘體，包括枯枝敗葉、樹枝修剪物、雜草、種子、殘花、腐爛果實、根系，廢棄的培養(yǎng)基等，同時也包括園林類廢棄物(Garden Waste，GW)和果蔬類廢棄物(Fruit and Vegetable Waste，F(xiàn)VW)[2-3]。與其他種類垃圾相比，植物工廠植物廢棄物具有高含碳量、高含水量(>80%)、高揮發(fā)性固體含量(>95%)、高生物降解性、較高的C/N、高營養(yǎng)成分和基本無重金屬類毒害性的特性[4-5]。目前，處理這類廢棄物的主要方法有焚燒、掩埋及好氧堆肥和厭氧消化等[6]。如果按照傳統(tǒng)掩埋、焚燒等處理方式，必將浪費大量土地資源和有機物資源。厭氧消化可產(chǎn)生沼氣，同時由其發(fā)酵液制取的沼肥可作為化肥或者水培的營養(yǎng)液進行二次循環(huán)利用，采用這種方法可以實現(xiàn)植物工廠的廢棄物零排放，真正做到植物-微生物環(huán)境間的和諧共處生態(tài)環(huán)境，使植物工廠完成生態(tài)圈內(nèi)的能量循環(huán)和物質(zhì)循環(huán)，同時也不會因為排出的廢液而影響植物工廠外的環(huán)境，造成污染。此外，可以避免沼液沼渣包裝、運輸?shù)葞淼某杀驹黾訂栴}。因此，厭氧消化處理植物工廠廢棄物是合理的選擇[7-8]。目前，國內(nèi)外對植物工廠廢棄物厭氧消化循環(huán)利用系統(tǒng)的應用與研究較少。筆者設計了植物工廠廢棄物循環(huán)利用系統(tǒng)，提出沼液、沼渣應用于植物工廠的觀點，并分析了循環(huán)利用的可行性及應用前景，以期為生物質(zhì)廢棄物的科學應用提供借鑒。

1 植物工廠廢棄物厭氧消化循環(huán)利用系統(tǒng)的組成部分

1.1 系統(tǒng)流程 植物工廠生物質(zhì)廢棄物厭氧消化循環(huán)利用系統(tǒng)流程見圖1。植物工廠廢棄物厭氧消化循環(huán)利用系統(tǒng)通過厭氧消化處理植物工廠生物質(zhì)廢棄物，產(chǎn)生的沼渣、沼液制成的肥料返回植物工廠供施有機肥用，實現(xiàn)廢棄物的循環(huán)利用，減少植物工廠生產(chǎn)對傳統(tǒng)礦物質(zhì)化肥的需求。該系統(tǒng)主要由幾個部分組成：①預處理系統(tǒng)；②厭氧消化系統(tǒng)；③沼氣凈化系統(tǒng)；④沼氣利用系統(tǒng)；⑤沼液、沼渣利用系統(tǒng)。

1.2 組成部分

1.2.1 預處理系統(tǒng)。植物工廠的生產(chǎn)具有分類化、規(guī)?；奶卣?，其廢棄物的產(chǎn)生也較為集中，更易于分類收集。在實施收集前，首先對植物工廠內(nèi)植物生長周期進行估測，計算出原材料的產(chǎn)量和收集時間，充分考慮收集的季節(jié)性。植物葉子通?？梢詮?0月中旬開始收集，持續(xù)到12月，次年春天再次收集，樹枝一般在春天和秋天收集，殘敗蔬菜瓜果可以在成熟季收集；由于較大段的樹枝不易降解，因此理想的收集方式是將粉碎之前的樹枝和草、葉子、果實分類收集[9]；其次，建立合理的收集站，可從土地取得的可行性，成本核算的有效性，環(huán)境影響的最小化及收集半徑服務于植物工廠的便捷性等方面確定收集站的位置與處理量[10]。雖然收集站建立初期成本較高，但相比運輸至政府建立的廢棄物處理站節(jié)約了運輸費用，并且建立收集站更有利于保證厭氧發(fā)酵中持續(xù)進料。在收集過程中應注意防止廢棄物被重金屬、油污等污染，且避免混入土、石塊、鐵絲、鐵釘、花盆等園藝裝飾用材料和塑料等不可循環(huán)降解的材料。此外，如果廢棄物已受到病菌和蟲卵的危害，應該與其他廢棄物分開收集[11]。

圖1 植物工廠廢棄物厭氧消化循環(huán)利用系統(tǒng)流程Fig.1 Recycling system flow chart in Plant Factory

由于反應物顆粒大小會明顯影響厭氧消化速度和穩(wěn)定性，因此要將廢棄物粉碎，以限制顆粒大小。黃彩娣等[12]研究發(fā)現(xiàn)，對于廢棄物顆粒需要進行2次粉碎，第1次粉碎之后，物料粒徑一般為5 cm以下。如果此時發(fā)酵，會出現(xiàn)發(fā)酵不透徹，表面腐熟而內(nèi)芯木質(zhì)部一些纖維素尚未完全分解的情況，發(fā)酵不完全的“夾生”基質(zhì)使用后在土壤內(nèi)會進行第2次發(fā)酵，造成“燒苗”。因此，第1次粉碎后，可將物料堆放幾天，蒸發(fā)一部分水分再進行第2次粉碎，粉碎效率可提高30%左右，控制粒徑在5 mm以下，可增加表面積，加快反應速度，使廢棄物充分發(fā)酵。

為使厭氧消化反應更快進行并得到更高的CH4產(chǎn)氣率，Rodrigue等[13]總結了目前主要的厭氧發(fā)酵預處理技術，包括超聲波法、微波法、熱處理水、熱處理、化學法、生物法等。在化學法預處理中，Hassana等[14]研究發(fā)現(xiàn)，用質(zhì)量分數(shù)45%的H2O2試劑處理玉米秸稈會提升66.27%的CH4產(chǎn)氣率，降低近45.00%的木質(zhì)素含量，并把預處理時間從幾天提升至1 h左右，且成本低廉。在生物法中，很多學者發(fā)現(xiàn)，堆肥預處理對厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣量有一定影響。陳廣銀等[15]研究發(fā)現(xiàn)，堆肥預處理產(chǎn)生的高溫對破壞秸稈內(nèi)半纖維素等結構及提高厭氧生物轉(zhuǎn)化性能有較大影響，當秸稈堆體溫度升至55 ℃時應停止堆肥，此時產(chǎn)氣量最大，應進行厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣。丁方文等[16]對園林廢棄物、污泥、生物質(zhì)碎末混合接種，用堆肥預處理的方法使厭氧消化作用得到增強，試驗證明，將堆肥預處理時間控制在4～5 d能得到最佳產(chǎn)氣效果，產(chǎn)氣質(zhì)量得到明顯提升。因此，植物工廠廢棄物厭氧消化循環(huán)利用應考慮收集時間、收集分類、收集地點等。從植物工廠生物質(zhì)廢棄物厭氧消化循環(huán)利用的角度，主要收集植物工廠殘敗蔬菜莖葉及瓜果作為厭氧消化的原料。之后進行人工篩選，剔除塑料、金屬等物質(zhì)，再送入粉碎機進行粉碎，粒徑控制在5 mm以下，置于預處理反應器中，有條件再加入少量H2O2，進行好養(yǎng)堆肥預處理。該過程需控制反應時間、溫度、pH等參數(shù)，將預處理后的污泥混合物運輸至厭氧發(fā)酵罐中進行下一步發(fā)酵。

1.2.2 厭氧消化系統(tǒng)。厭氧消化產(chǎn)CH4過程是一個復雜的生物轉(zhuǎn)化過程，生物質(zhì)降解和轉(zhuǎn)化過程可以分為4個階段，即水解階段(Hydrolysis)、酸化階段(Acidogenesis)、產(chǎn)乙酸階段(Acetogenesis)和CH4轉(zhuǎn)化階段(Methanogenesis)[17]。沼氣發(fā)酵過程實際上是由不同微生物進行的一系列生物化學的偶聯(lián)反應。CH4的產(chǎn)量及產(chǎn)生速率是由產(chǎn)氣工藝、原料、原料粒度、pH、溫度、發(fā)酵時間、菌類等諸多因子共同作用的結果。為了優(yōu)化厭氧發(fā)酵反應，需合理設計控制參數(shù)。

1.2.2.1 保證適宜發(fā)酵反應溫度。Maria等[18]在研究淤泥與果蔬廢棄物聯(lián)合發(fā)酵過程中發(fā)現(xiàn)，35 ℃下增大有機負荷率(OLR)可增加產(chǎn)氣量(由1.46 kgVS/m3增大到2.8 kgVS/m3),并可減少水力停留時間(14 d降至10 d)。劉榮厚等[19]研究發(fā)現(xiàn)，對于廢棄的甘藍葉，中溫條件[(35±1)℃]揮發(fā)酸質(zhì)量濃度、氨態(tài)氮質(zhì)量濃度以及pH均在正常范圍內(nèi)，且優(yōu)于高溫、低溫組，符合蔬菜廢物厭氧發(fā)酵的特性，可保證系統(tǒng)順利運行。

1.2.2.2 選擇合理進料方式。Mges等[20]在使用CSTR反應器研究甜菜、黑小麥和玉米的厭氧消化特性中發(fā)現(xiàn)，連續(xù)式攪拌釜比批量式攪拌釜運行更穩(wěn)定，能產(chǎn)生更多CH4。這3種農(nóng)作物以甜菜的厭氧發(fā)酵最穩(wěn)定，水力停留40 d時產(chǎn)氣率最大，增加水力停留時間不會提高CH4產(chǎn)量。如果甜菜中加入黑小麥則會降低反應效果。因此，連續(xù)式進料可促進產(chǎn)氣均勻，更適合植物工廠廢棄物這種大中型厭氧發(fā)酵沼氣工程。

1.2.2.3 控制反應物配比及濃度。蔬菜廢棄物的含酸量高且含氮量不足，其自然酸化速度很快，產(chǎn)氣后容易造成有機酸積累，因此蔬菜廢棄物作為單一基質(zhì)不適于厭氧消化[4-6]，必須摻入糞便等進行聯(lián)合厭氧消化反應。

聯(lián)合厭氧發(fā)酵工藝能有效地促進營養(yǎng)平衡，協(xié)調(diào)微生物之間的反應，增加可生物降解有機物的負載和提供更高的沼氣產(chǎn)率。Bouallagui等[21]使用ASBR反應器，探究果蔬類廢棄物中加入魚類廢棄物、屠宰場廢棄物和活性污泥進行聯(lián)合厭氧發(fā)酵反應，結果表明，加入屠宰場廢棄物和污泥與果蔬類廢棄物聯(lián)合發(fā)酵能提高產(chǎn)氣效率，加入魚類廢棄物卻難以改善果蔬類廢棄物的厭氧消化產(chǎn)氣效率，該試驗同時表明，C/N是產(chǎn)CH4反應和有機物降解反應中的決定性參數(shù)。為調(diào)整反應物中的C/N，劉榮厚等[22]以甘藍菜葉為發(fā)酵原料進行試驗研究，結果表明，接種物濃度對于蔬菜廢棄物的厭氧發(fā)酵有大影響，在20%、30%、50% 3個水平的接種物中，接種物濃度為30%試驗組的揮發(fā)酸含量、銨態(tài)氮含量及pH均在正常范圍內(nèi)，總產(chǎn)氣量和沼氣中最高CH4含量分別為7 790.81 mL和42.814%，明顯高于其他2組及空白試驗。同時，單純用蔬菜廢棄物進行厭氧消化，其產(chǎn)氣量和沼氣中CH4含量小于以豬糞為原料產(chǎn)生的CH4，因此可考慮豬糞-蔬菜廢棄物聯(lián)合發(fā)酵，以得到更高的產(chǎn)氣量。Wang等[23]在研究小、中規(guī)模廚房廢棄物和果蔬類廢棄物聯(lián)合厭氧發(fā)酵中發(fā)現(xiàn)，兩相發(fā)酵比單相發(fā)酵有更高的有機負荷率[5.0 g·VS/(L·d)]，同時證明了兩相發(fā)酵更有優(yōu)勢。李科[24]對玉米芯、水果皮、葉草等不同種類、不同濃度的果蔬類廢氣物分別進行厭氧消化試驗，結果表明，不同植物工廠廢棄物的最適宜反應濃度不同，具體應視其種類而定。如玉米芯類的產(chǎn)氣總量和產(chǎn)氣速率明顯優(yōu)于水果皮類與葉草。因此，對于植物工廠生物質(zhì)廢棄物厭氧消化反應，需要對不同種類生物質(zhì)廢棄物分別進行試驗研究與聯(lián)合發(fā)酵研究，尋求原料的最佳配比與最適宜濃度。

1.2.2.4 控制pH。厭氧消化反應的微生物活性與pH關系密切，同時pH變化會引起厭氧消化反應吉布斯自由能的變化[25]，因此pH應控制在6.21～7.21[26-28]。一般由于產(chǎn)乙酸階段生成的酸導致pH低于正常范圍，工業(yè)上常用NaOH、Ca(OH)2等增大pH[29]?？傊绻胧笴H4產(chǎn)氣率最大化，同時盡量減少H2S的生成，需要做到以下幾點：①進料恒定；②多種廢棄物聯(lián)合厭氧發(fā)酵時，原料配比均衡，如有條件，把每種廢棄物分裝儲存，發(fā)酵時按一定比例投入[30]。

厭氧消化系統(tǒng)采用植物工廠廢棄物與豬糞按照1∶1混合聯(lián)合厭氧消化，中溫(35 ℃)發(fā)酵，采用連續(xù)式攪拌釜進料，pH控制在6.21～7.21。發(fā)酵后將沼液及沼渣輸送至固液分離裝置分別利用。

1.2.2.5 沼氣產(chǎn)量預測。為確定沼氣凈化系統(tǒng)的脫硫方式、負荷、脫硫劑的用量，選擇沼氣的使用方式，需估算沼液產(chǎn)量和沼氣產(chǎn)量。其中，沼氣產(chǎn)量可用下式計算：

Gt=M×ηp×ηg×ηd

式中，Gt為總產(chǎn)氣量，m3；M為種植的蔬菜、瓜果年產(chǎn)量，t/a；ηp為蔬菜的平均產(chǎn)廢系數(shù);ηg為綜合產(chǎn)氣率，m2/kg TS;ηd為干物質(zhì)含量。據(jù)文獻[31]，蔬菜中的葉菜類、瓜果類、根莖類的產(chǎn)廢系數(shù)分別是 9.70%、4.70%、3.80%，則

豬糞與果蔬類廢棄物厭氧消化的ηg為0.3～0.4 m2/(kgTS)，取0.35 m2/(kgTS)。由于筆者將植物工廠生物質(zhì)廢棄物和豬糞進行1∶1混合，因此干物質(zhì)含量取均值。干物質(zhì)按均值按照18.29%計算[32]，豬糞的干物質(zhì)含量一般按照20.00%計算，則ηd=(18.29%+20.00%)/2=19.15%。因此，可以計算出不同規(guī)模植物工廠厭氧消化的Gt，結果見表1。

表1 植物工廠蔬菜產(chǎn)量及總產(chǎn)氣量預測

1.2.3 沼氣凈化系統(tǒng)。沼氣是一種混合氣體，其組成取決于發(fā)酵原料的種類及其相對含量，且隨發(fā)酵條件和階段的不同而變化，一般沼氣中含有CH450%～75%，CO225%～45%，水2%～7%，N20～2%，少量的O2及H2和H2S 1%～3%[4]。沼氣中存在的H2S是腐蝕設備的主要因素，因此含硫化合物的去除是生物燃氣綜合利用中必不可少的環(huán)節(jié)。目前，沼氣脫硫可參考焦爐煤氣脫硫工藝，主要有物理法、化學法和生物法脫硫。該系統(tǒng)采用化學法中的單乙醇胺法脫硫，即用15%的單乙醇胺試劑(MEA)進行脫硫反應。單乙醇胺脫硫法的優(yōu)點在于脫硫效率較高，可達98%，其解析出的硫可用于制取硫酸，操作簡便，流程簡單，同時單乙醇胺可回收利用，該方法成本較低，在工業(yè)使用上比較成熟[33]。除脫硫之外，單乙醇胺還可以脫除部分CO2，使沼氣中CH4含量相對增加，更易于燃燒。主要反應方程式[34]：

HOC2H4NH2+H2S(HOC2H3NH3)HS

2HOC2H4NH2+H2O+CO2(HOC2H3NH3)2CO3

該系統(tǒng)脫硫工藝主要由脫硫和解析2部分組成，經(jīng)過厭氧消化反應產(chǎn)生的沼氣通入脫硫塔與15%MEA溶液進行逆流接觸，吸收沼氣中的H2S和一部分的CO2之后，沼氣從塔頂排出，通往儲氣罐。貧液因吸收了沼氣中的H2S等酸性氣體而成為富液從塔下部排出，富液經(jīng)過過濾器過濾后，進入解吸塔進行解析。在解析塔中，大部分的CO2、H2S被閃蒸出來。蒸出酸性氣體后，富液成為貧液從塔底排出，如有多余部分可溢流入MEA調(diào)整槽，在過濾器中除去雜質(zhì)后貧液循環(huán)回脫硫塔。被閃蒸出的酸氣在回流冷凝器內(nèi)冷凝冷卻后生成的氣液混合物在儲液器內(nèi)進行氣液分離，分離出的酸氣送入硫酸制造工序，可以生產(chǎn)濃硫酸等含硫化合物，完成整體脫硫過程。

1.2.4 沼氣利用系統(tǒng)。沼氣的利用一般包括供熱、發(fā)電兩方面，從供熱角度來看，假設CH4占沼氣的62.50%，CH4凈熱值為35 900 kJ/m3(產(chǎn)物為液態(tài)水)，因此可算出燃燒總熱值，并按照標準煤熱值29 307 kJ折合成標準煤；如果用于發(fā)電，一般1 m3沼氣可發(fā)電1.8 kW·h。沼氣利用價值見表2。

表2 植物工廠廢棄物厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣總能量

Table 2 Total energy of anaerobic digestion of bio-waste in Plant Factory

植物工廠Plantplant總熱值Grosscalorificvalue∥kJ合標準煤Standardcoal∥t發(fā)電量GeneratingcapacitykW·h馬坊鎮(zhèn)植物工廠MafangTownplantfactory664555131．522．675951748．20錦繡大地植物工廠Jinxiudadiplantfactory173260041．55．911813364．80福井縣植物工廠FujingCountyplantfactory23923042．00．81641845．18

對于福井縣植物工廠，1年的生物質(zhì)廢棄物厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣的熱值僅相當于1 t左右的標準煤，即使利用發(fā)電設備產(chǎn)生的電量也非常少，因此并不適合投入供熱或發(fā)電設備，產(chǎn)生的沼氣僅可以在植物工廠用作沼氣灶或沼氣燈。沼氣燈不僅可提供照明，釋放出的二氧化碳可輔助植物工廠施CO2肥。但是對于馬坊鎮(zhèn)這種大型植物工廠，就可以產(chǎn)生足夠的沼氣用來發(fā)電，并且發(fā)電量可觀。因此，一般對于小型植物工廠(<1 000 m2)，沼氣適合作為沼氣燈或沼氣灶，且使用比較合理，但對于大型植物工廠(>10 000 m2)，沼氣就可以用作供熱或發(fā)電，甚至輸配給附近農(nóng)戶使用。介于小型和大型之間的植物工廠，要根據(jù)具體面積及成本等進行評估后再確定沼氣的利用方式。

1.2.5 沼液、沼渣利用系統(tǒng)。厭氧發(fā)酵后會存在大量的固液殘留混合物。粗略計算每生產(chǎn)1 m3沼氣可產(chǎn)出250 kg左右的厭氧發(fā)酵液，因此，沼液、沼渣的產(chǎn)量巨大。這些殘液中不僅存在大量催腐微生物和產(chǎn)沼氣微生物，還含有多種微量元素、生物活性物質(zhì)(如氨基酸)、多種植物生長刺激素(B族維生素)及抗菌素(如赤霉素、吲哚乙酸)等，COD含量整體偏高。一般來說，沼液、沼渣含有機質(zhì)30.0%～50.0%，含總氮0.9%～1.7%，全磷(P2O5)0.5%～1.2%，全鉀(K2O)0.8%～2.0%，還包括未分解的木質(zhì)素和纖維素。總體來說，沼渣具有營養(yǎng)成分豐富、養(yǎng)分全面等優(yōu)點，可作為有機肥料。由于發(fā)酵反應物中豬糞已經(jīng)在反應前脫除重金屬，植物工廠廢棄物中重金屬含量極少，因此沼渣中含重金屬濃度基本符合我國城鎮(zhèn)垃圾農(nóng)用標準[35-36]，此外，沼渣最值得利用的原因是其可以減少因施用傳統(tǒng)無機肥料引發(fā)的環(huán)境問題，土壤施肥利用沼液、沼渣時，會補充氮、磷、鉀，減少土壤有機質(zhì)的流失，同時任何厭氧消化反應都會生成大量沼液沼渣，因此較傳統(tǒng)無機肥料在經(jīng)濟上更有優(yōu)勢[37]。Koszela等[38]使用沼液和化肥培養(yǎng)苜蓿草，發(fā)現(xiàn)用沼液施肥，相比于無機肥料，可使苜宿草中氮上升0.55%，磷上升0.02%，鉀上升0.29%，鈣上升0.11%，鎂含量上升0.01%。此外，單獨施加無機化肥可能會由于用量不當而造成燒苗等情況，而沼液肥含水量較高，不存在這類風險。因此，植物工廠生物質(zhì)廢棄物厭氧發(fā)酵后的沼液可以代替化肥。此外，沼液還有殺菌功能[39]，沼液中的生物活性物質(zhì)能夠抑制和殺滅常見寄生蟲以及霍亂沙門氏菌、巴氏桿菌、魏氏梭菌、丹毒桿菌、大腸桿菌等常見病菌。Alburquerque等[40]研究發(fā)現(xiàn)，果蔬類廢棄物厭氧發(fā)酵后的沼渣可以在西瓜種植中作為基肥，在夏季迅速催熟作物，同時可補充氮元素，使蔬菜的營養(yǎng)更加平衡，可以彌補傳統(tǒng)肥料營養(yǎng)單一的缺點。該系統(tǒng)直接將厭氧發(fā)酵后的沼液進行沉淀、過濾、除臭處理，稀釋、配比后直接作為肥料輸送至營養(yǎng)液中，完成有機質(zhì)的循環(huán)利用。

2 植物工廠廢棄物厭氧消化循環(huán)利用系統(tǒng)總流程

綜上，植物工廠生物質(zhì)厭氧消化產(chǎn)生的沼液、沼氣、沼渣全部得到充分利用，該循環(huán)系統(tǒng)總流程如圖2所示。從圖2可見，植物工廠產(chǎn)生的生物質(zhì)廢棄物(1)，經(jīng)過收集站(2)收集、粉碎機(3)粉碎，與糞便(4)按照固定比例投入預處理設備(5)中，預處理結束后，將混合物送入發(fā)酵罐(6)中進行厭氧發(fā)酵，其中沼氣進入脫硫設備(11)中進行脫硫，然后將純凈的沼氣儲存(14)，沼液經(jīng)過氣液分離(7)和固液分離(8)后，進入除臭池(9)中，再送入調(diào)配池(10)進行微量元素的調(diào)配，制成肥料后返回植物工廠(1)。

注：1.植物工廠；2.廢棄物收集站；3.粉碎設備；4.糞便；5.預處理設備；6.厭氧消化設備；7.氣液分離器；8.固液分離器；9.沼液除臭池；10.沼液調(diào)配池；11.凈化塔；12.解析塔；13.MEA罐；14.儲氣罐。Note：1.plant factor；2.waste collection station；3.crushing equipment；4.faeces；5.pretreatment equipment；6.anaerobic digestion equipment；7.gas-liquid separator；8.solid-liquid separator；9.biogas pool deodorization；10.the deployment of biogas pool；11.purification tower；12.analytical tower；13.EMA tank；14.gas storage tank.圖2 植物工廠廢棄物厭氧消化循環(huán)利用系統(tǒng)總流程Fig.2 The engineering drawings based on recycling system

張國治等[41]對沼渣利用意愿進行問卷調(diào)研，結果表明，如果沼液沼渣能解決運輸問題，98%以上的農(nóng)戶愿意使用；如果需要自己運輸，78%的農(nóng)戶將放棄使用。因此，運輸不方便是限制沼液、沼渣繼續(xù)利用的主要問題。從節(jié)約運輸費用這一角度來看，就地使用是最佳方案。植物工廠廢棄物循環(huán)利用的優(yōu)勢之一在于就地使用，大大減少了運輸成本。

崇明島前衛(wèi)村有較完整的沼液沼渣利用工程[42]，前沿村具有規(guī)模的養(yǎng)殖場，禽畜糞便產(chǎn)生量為5 m3/d，將這些原料厭氧發(fā)酵后，沼氣產(chǎn)量為150 m3/d以上，沼肥產(chǎn)量4 m3/d，該沼肥不僅營養(yǎng)全面，還含有各類氨基酸、赤霉素生長素等對植物生長發(fā)育具有調(diào)控作用的微量元素，并且沼渣中含有的抗生素類物質(zhì)還可以防治病蟲害。目前，通過施沼肥該村生產(chǎn)的有機蔬菜每年增值約150萬元，有效減少了化肥施用量約400 t/a，價值約2.5萬元。目前，沼液、沼渣作為化肥已有比較成熟的工藝，積累了一定經(jīng)驗，在植物工廠中使用由沼液、沼渣發(fā)酵的化肥風險較小，可行性好。

3 結論與展望

綜上所述，植物工廠生物質(zhì)廢棄物厭氧消化循環(huán)利用可行，但沼氣的利用受植物工廠規(guī)模的限制，不同規(guī)模的植物工廠生物質(zhì)厭氧消化沼氣產(chǎn)量不同，小型植物工廠廢棄物厭氧發(fā)酵后沼氣不適合用于供熱、發(fā)電，僅適合小規(guī)模使用(如沼氣燈、沼氣灶等)，大型植物工廠廢棄物厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣可以用于供熱和發(fā)電。目前植物工廠廢棄物厭氧發(fā)酵的沼液、沼渣的循環(huán)利用有以下優(yōu)勢：①實現(xiàn)了植物工廠廢棄物的資源化處理，減少因焚燒、填埋垃圾帶來的環(huán)境問題；②利用厭氧消化后沼液、沼渣作為肥料，代替?zhèn)鹘y(tǒng)無機化肥，節(jié)約成本，減少因施用不當引發(fā)的土壤污染、地下水污染等。

以下幾個方面仍需深入研究：①植物工廠種植的范圍不僅局限于水果、蔬菜，還包括花卉、產(chǎn)油類植物、藥材等，因此厭氧發(fā)酵的原料在選取上有待進一步研究；②雖然提倡垃圾分類，但是有時不同種廢棄物混合反而更利于厭氧消化反應元素的配比，因此需深入探索不同反應物之間的反應機理；③不同植物在不同季節(jié)、不同溫度下對肥料的吸收量不同，如何妥善處理循環(huán)利用過程中三沼與實際需求匹配的問題值得探討；④植物工廠生物質(zhì)廢棄物厭氧消化循環(huán)利用環(huán)保效益明顯，但經(jīng)濟效益值得進一步研究。

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Feasibility Assessment of the Anaerobic Digestion and Cyclic Utilization System of Biomass Wastes in Plant Factory

XU De-tian1, SHI Hui-xian1*, PEI Xiao-mei2et al

(1.Modern Agriculture Science and Engineering College of Tongji University, Shanghai. 200092; 2.College of Architecture and Urban Planning of Tongji University, Shanghai 200092)

According to the characteristics of biomass wastes in plant factory and on the basis of conventional pretreatment and anaerobic fermentation technology, a cyclic utilization system aiming to dispose bio-waste and replace the chemical fertilizer was designed. In this system, the mono ethanol amine desulfurization was used for purifying biogas, gradually perfecting the system's function. The system includes five component: Raw material screening, crushing, pretreatment system; anaerobic digestion system; Biogas purification system and biogas slurry as fertilizer to plant factory application technology. The feasibility of the system is analyzed and calculated from the point of view of recycling. Results shows that the cyclic utilization system of biogas wastes is practicable. Neverthless, it was limited by the scale of plant factory. Depending on the size of the plant factory, anaerobic digestion biogas yield is different, bio-wastes in small plant factory product a little methane, it is not suitable for heating or power generation, only for small scale use such as gas lights, gas stoves and so forth, large scale plant factory produced biogas can be used for heating and power generation.

Anaerobic digestion; Biogas slurry; Cyclic utilization

國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)資助項目(2013AA 103006-02)。

徐得天(1991- )，男，黑龍江齊齊哈爾人，碩士研究生，研究方向：溫室供熱及生物質(zhì)能源應用。*通訊作者，副教授，博士，碩士生導師，從事可再生能源應用與農(nóng)業(yè)設施領域理論和實踐研究。

2016-10-12

S 210.3;S 216.4;S 141.9

A

0517-6611(2016)34-0093-05