韓 睿， 朱德銳， 陳來生

(1.青海大學(xué) 農(nóng)林科學(xué)院 青海省蔬菜遺傳與生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西寧 810016； 2.國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地——青海省高原作物種質(zhì)資源創(chuàng)新與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西寧 810016； 3.青海大學(xué) 醫(yī)學(xué)院 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究中心， 西寧 810016)

青海戶用沼氣池料液溫度變化特征及對產(chǎn)氣的影響

韓 睿1, 2， 朱德銳3， 陳來生1, 2

(1.青海大學(xué) 農(nóng)林科學(xué)院 青海省蔬菜遺傳與生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西寧 810016； 2.國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地——青海省高原作物種質(zhì)資源創(chuàng)新與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西寧 810016； 3.青海大學(xué) 醫(yī)學(xué)院 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究中心， 西寧 810016)

文章以青海省樂都縣5戶運(yùn)行狀況基本穩(wěn)定的沼氣池為研究對象，收集了2014年7月～2015年6月沼氣池內(nèi)外溫度數(shù)據(jù)，系統(tǒng)研究了沼氣池料液溫度隨環(huán)境溫度變化的變化特征，分析了溫度變化對沼氣產(chǎn)氣的影響。結(jié)果表明，料液溫度受環(huán)境溫度影響較大，出現(xiàn)特殊的“極值延后”現(xiàn)象，且料液溫度越高，沼氣池的產(chǎn)氣狀況越好。該研究結(jié)果將為調(diào)控青海省戶用沼氣池料液溫度，進(jìn)而提高沼氣產(chǎn)氣效率提供理論依據(jù)。

青海； 戶用沼氣池； 溫度； 變化特征； 產(chǎn)氣

沼氣是一種可再生清潔生物能源[1-2]。發(fā)展沼氣是解決我國農(nóng)村能源危機(jī)，改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑[3]. 我國是世界上沼氣開發(fā)與利用的大國，自2003年農(nóng)村沼氣建設(shè)國債項(xiàng)目實(shí)施以來，全國農(nóng)村戶用沼氣池的數(shù)量急劇增加，已經(jīng)成為沼氣主體[4]。青海省也實(shí)施大量沼氣建設(shè)項(xiàng)目，取得了一定的成效。但沼氣池利用率低、不產(chǎn)氣、產(chǎn)氣少，供氣中斷等問題普遍存在，這些運(yùn)行狀況不佳的沼氣池?cái)?shù)量占到建池總數(shù)的70%以上，使農(nóng)民建沼氣用沼氣的積極性有所下降，也在一定程度上影響了青海沼氣的推廣普及[5]。

沼氣發(fā)酵系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的微生物生態(tài)系統(tǒng)，該系統(tǒng)中，料液溫度、水分、原料、酸堿度以及密閉性等均是保證該生化過程持續(xù)進(jìn)行的必要條件[6, 7]。其中，料液溫度是影響沼氣發(fā)酵非常重要的一個(gè)因素[7]。如果溫度過低，會導(dǎo)致微生物生理活性降低，抑制其生長和繁殖，影響產(chǎn)氣。青海省地處青藏高原，氣候寒冷，晝夜溫差大，使得沼氣池內(nèi)料液溫度不高，沼氣利用效率則不高。特別是在冬季(當(dāng)年11月～翌年4月)，寒冷的氣溫導(dǎo)致池內(nèi)溫度極低，不產(chǎn)氣或產(chǎn)生的微量沼氣難以維持發(fā)酵系統(tǒng)自身的運(yùn)轉(zhuǎn)，使得沼氣池被凍裂或停用。因此，開展沼氣池內(nèi)料液溫度與外界環(huán)境溫度相關(guān)性的監(jiān)測研究，明確料液溫度隨環(huán)境溫度變化的變化特征及溫度對產(chǎn)氣的影響，對今后能夠?qū)崿F(xiàn)沼氣池料液溫度的合理調(diào)控，進(jìn)而提高產(chǎn)氣效率尤為重要。目前，青海高原地區(qū)還沒有關(guān)于此類研究的相關(guān)報(bào)道。

經(jīng)調(diào)研，青海省所建沼氣池構(gòu)造統(tǒng)一，為圓形，容積為8 m3，采用“一池三改”的模式，將沼氣池與改廁所(1.5 m2)、改暖棚豬舍(20 m2)與改廚房(20 m2)同步建設(shè)。其中，暖棚豬舍能夠起到蓄熱和增溫保溫的作用，它也是沼氣池外重要的環(huán)境溫度。本研究以青海省樂都縣蒲臺鄉(xiāng)李家臺村的戶用沼氣池為研究對象，采集該村全年環(huán)境溫度和暖棚溫度數(shù)據(jù)，開展全年內(nèi)該村沼氣池料液溫度的變化特征及對產(chǎn)氣的影響研究，為沼氣池料液溫度的調(diào)控提供科學(xué)依據(jù)，為改進(jìn)青海省沼氣發(fā)酵工藝和提高沼氣產(chǎn)氣效率提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)時(shí)間、地點(diǎn)

試驗(yàn)于2014年7月1日～2015年6月30日在青海省樂都縣蒲臺鄉(xiāng)李家臺村(102°27′22″E，36°21′14″N，海拔2223.27～2228.26 m)建池戶的暖棚和沼氣池內(nèi)進(jìn)行。

1.2 戶用沼氣池

青海省樂都縣蒲臺鄉(xiāng)李家臺村所建沼氣池中，33.8%能夠正常運(yùn)行，相對青海省而言，該村沼氣池的運(yùn)行情況是比較好的[8]。其中，有少數(shù)沼氣池冬季也可以不間斷產(chǎn)氣，這在青海比較少見。選取運(yùn)行狀況基本穩(wěn)定的5戶農(nóng)用沼氣池，除產(chǎn)氣狀況和利用率外，其建池時(shí)間、農(nóng)戶的管理情況、投料結(jié)構(gòu)均相同(見表1)。其中4戶(T-LD1～T-LD4)全年不間斷產(chǎn)氣，夏季利用率很好，冬季也能夠利用； 另外1戶(T-LD5)是青海普遍存在的夏季產(chǎn)氣狀況較好，冬季不產(chǎn)氣的沼氣池，作為對照。

表1 戶用沼氣池基本情況調(diào)查表

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

環(huán)境溫度、暖棚溫度和沼氣池溫度均用RC-4溫度記錄儀采集數(shù)據(jù)，設(shè)置每2 h自動采集1次。對于沼氣池，將溫度記錄儀的探頭從出料口投入沼氣池底部測定其料液溫度，并將溫度記錄儀固定。每個(gè)月1日和15日10：00～12:00導(dǎo)出環(huán)境、暖棚和沼氣池的溫度數(shù)據(jù)直接用于計(jì)算機(jī)分析。

1.3.2 統(tǒng)計(jì)分析

所有數(shù)據(jù)的收集處理采用 Microsoft Excel 2007軟件，圖形的繪制采用GraphPad Prism 5軟件。月平均溫度的計(jì)算是將每月每2 h采集的數(shù)據(jù)相加然后求平均值。

2 結(jié)果與分析

設(shè)置RC-4溫度記錄儀每2 h自動記錄1次數(shù)據(jù)。匯總?cè)陻?shù)據(jù)，共得到48228個(gè)，有效數(shù)據(jù)為48180個(gè)。其中，環(huán)境溫度數(shù)據(jù)4380個(gè)，5戶農(nóng)用沼氣池料液溫度數(shù)據(jù)21900個(gè)，5戶暖棚溫度數(shù)據(jù)21900個(gè)。

2.1 全年環(huán)境溫度的動態(tài)變化分析

青海省樂都縣蒲臺鄉(xiāng)李家臺村2014年7月1日～2015年6月30日環(huán)境溫度的變化見圖1。從圖1可以看出，全年環(huán)境溫度按照季節(jié)變化，晝夜溫差較大。但在任何季節(jié)和任何天氣狀況下，最低值基本出現(xiàn)在凌晨5:00～7:00，最高值在下午15：00～17：00。統(tǒng)計(jì)全年每月的平均溫度，從表2的資料顯示，6～8月較高，其中7月最高，達(dá)到20.22℃； 12～2月較低，其中1月最低，達(dá)到-4.83℃。盡管7月最高溫度達(dá)34.6℃，但高溫僅出現(xiàn)在下午13：00～17：00時(shí)，且只有幾天，而該月最低溫度僅10℃，由于晝夜溫差太大，導(dǎo)致平均溫度并不高，較內(nèi)地低海拔地區(qū)青海省的夏季足夠涼爽。

從表2可以看出，環(huán)境溫度從11月開始出現(xiàn)零度以下溫度，而在4月才開始恢復(fù)零上溫度，這期間氣溫過低導(dǎo)致沼氣發(fā)酵微生物生理活性降低，不能正常產(chǎn)氣，這也是青海絕大多數(shù)農(nóng)村戶用沼氣池在當(dāng)年11月～翌年4月內(nèi)，產(chǎn)氣少或不產(chǎn)氣、運(yùn)行狀況差和利用效率低，產(chǎn)生“用半年停半年”現(xiàn)象的原因。

圖1 全年環(huán)境溫度的變化特征

表2 不同月份環(huán)境溫度變化(℃)

2.2 全年暖棚溫度的動態(tài)變化分析

李家臺村2014年7月1日～2015年6月30日5戶暖棚溫度的變化見圖2。從圖2可以看出，相比環(huán)境溫度，其也按照季節(jié)變化，但晝夜溫差較小，且在任何季節(jié)和天氣狀況下，最低值出現(xiàn)在凌晨3：00～9：00，最高值出現(xiàn)在下午13：00～19：00，均有所延長。暖棚溫度最高值出現(xiàn)時(shí)間受日光直射影響較為明顯，一般晴天時(shí)最高值出現(xiàn)在13：00～15：00左右，陰天或多云時(shí)出現(xiàn)在15：00～19：00。統(tǒng)計(jì)全年每月每戶暖棚的平均溫度，從表3的資料顯示，5戶的溫度最高值和最低值分別出現(xiàn)在7月和12月，相比環(huán)境溫度，低溫時(shí)間明顯縮短，說明暖棚發(fā)揮了一定的保溫作用，其中，T-LD5要低于其他4戶。

從表3可以看出，T-LD1～T-LD4在4～10月平均溫度均在10℃以上，5～9月更高，在15℃以上，溫度較高的時(shí)間段較環(huán)境溫度長，且最低值均高于環(huán)境，說明暖棚的確起到了保溫功效。特別是在環(huán)境溫度較低的12月～次年2月，溫度仍保證在0℃以上，不僅發(fā)揮了保溫功效，還起著蓄熱增溫的作用，提高了冬季沼氣池產(chǎn)氣的環(huán)境溫度，使沼氣發(fā)酵微生物生理活性不至于完全喪失，仍能夠產(chǎn)氣。但對于T-LD5，經(jīng)調(diào)研，其暖棚沒有采光面，使得棚內(nèi)蓄積的熱量不夠，溫度不高。到了寒冷的冬季，暖棚無法克服環(huán)境溫度對沼氣池的影響，進(jìn)而影響了產(chǎn)氣和利用。這可能是青海絕大多數(shù)沼氣池冬季產(chǎn)氣少或不產(chǎn)氣的原因之一。

圖2 全年5戶暖棚溫度的變化特征

表3 不同月份5戶暖棚溫度變化(℃)

2.3 沼氣池料液溫度的變化及對產(chǎn)氣的影響

2.3.1 全年料液溫度的變化特征分析

李家臺村2014年7月1日～2015年6月30日5戶沼氣池料液溫度的變化見圖3。如圖3可知，沼氣池料液溫度以0.1℃為單位升高或降低，整體上，T-LD5的溫度要低于其他4戶，這也證實(shí)了暖棚溫度確實(shí)影響沼氣池的料液溫度。統(tǒng)計(jì)全年每月每戶的沼氣池平均溫度，從表4的資料顯示，與環(huán)境和暖棚不同，沼氣池料液溫度變化沒有明顯的規(guī)律，有時(shí)1天之內(nèi)就有升降，而有時(shí)每隔幾天才出現(xiàn)0.1℃的升降。7～10月溫度較高，1～4月較低。最高值出現(xiàn)在8～9月，最低溫出現(xiàn)在3月，這兩個(gè)時(shí)間段是沼氣池溫度月變化的拐點(diǎn)，表現(xiàn)為“先升高后降低”和“先降低后升高”的過程。

2.3.2 料液溫度對產(chǎn)氣的影響

T-LD1～T-LD4這4戶是青海省為數(shù)不多的夏季產(chǎn)氣好、利用率高，冬季也可以產(chǎn)氣的沼氣池。分析其料液溫度和產(chǎn)氣狀況，5～12月的平均溫度基本在8℃以上，均屬于正常常溫發(fā)酵的溫度，微生物的生理活性較高，產(chǎn)氣好； 1～4月則相對較低，但通過分析，其料液溫度并不是太低，微生物仍能維持著發(fā)酵過程，且需要維持的時(shí)間并不長，因此還能少量產(chǎn)氣； 當(dāng)過了4月，環(huán)境溫度升高，料液溫度持續(xù)上升，池內(nèi)微生物生理活性提高，產(chǎn)氣增多。對于T-LD5，像青海大多數(shù)戶用沼氣池一樣，6～11月料液溫度在8℃以上，但最高溫度也不到13℃，低于產(chǎn)氣好的沼氣池，故其利用率低； 12～5月溫度較低，比產(chǎn)氣好的沼氣池低溫時(shí)間延長了2個(gè)月； 當(dāng)12月后，環(huán)境溫度降低，料液溫度持續(xù)降低，達(dá)到了完全抑制微生物生存和繁殖的溫度，導(dǎo)致不再產(chǎn)氣； 直到6月后，料液溫度隨環(huán)境溫度升高而持續(xù)上升，池內(nèi)微生物開始恢復(fù)生理活性，進(jìn)行生長繁殖和厭氧消化過程。綜合比較5戶沼氣池的料液溫度和產(chǎn)氣狀況，溫度越高，產(chǎn)氣狀況越好，說明沼氣池產(chǎn)氣和利用與料液溫度密切相關(guān)。

圖3 全年5戶沼氣池料液溫度的變化特征

2.3.3 環(huán)境溫度對沼氣池料液溫度的影響

分別統(tǒng)計(jì)環(huán)境溫度每月平均值，4戶產(chǎn)氣好沼氣池(T-LD1～T-LD4)和對照(T-LD5)每月暖棚溫度的和沼氣池料液溫度的平均值。圖4是環(huán)境溫度(記為Te)、暖棚溫度(Tg)，對照暖棚溫度(Tgd)、沼氣池料液溫度(Tb)和對照沼氣池料液溫度(Tbd)全年變化趨勢。由圖4可以看出，料液溫度受環(huán)境溫度影響較大。Tb和Tbd受Te的影響，出現(xiàn)“極值延后”現(xiàn)象，最高溫延后40～65天，最低溫延后50～60天。當(dāng)Te開始降低時(shí)，Tb和Tbd受光照等因素的影響仍持續(xù)上升，直到8～9月達(dá)到最高； 此后，隨著Te持續(xù)降低，Tb和Tbd也隨之下降； 當(dāng)Te已經(jīng)開始回升時(shí)，Tb和Tbd又受地溫、光照等因素影響仍持續(xù)下降，直到3月達(dá)到最低，此后又開始緩慢升高。從圖4還可以看出，溫棚溫度對料液溫度也有一定影響。Te最低溫出現(xiàn)在1月，12月～2月在0℃以下，進(jìn)入2月氣溫回升。由于具有保溫作用，Tg和Tgd的最低溫在都12月，1月就開始回升，不同的是前者全年平均溫度都在0℃以上，后者則最低溫低于0℃。在8～12月溫度的下降區(qū)間，Tg降溫速率月平均為-3.782℃，Tgd月平均則為-5.094℃，變化要大于Tg； 在上升區(qū)間，Tg升溫速率月平均為3.546℃，Tgd月平均則為3.752℃，低于Tg。相對Te，整體上Tg比Tgd變化更平穩(wěn)，保溫效果顯而易見，使得Tb整體上都要高于Tbd。

3 結(jié)論和討論

料液溫度是影響戶用沼氣厭氧發(fā)酵過程的重要因素[9-10]。筆者發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)氣狀況好、利用率高的沼氣池料液溫度高于相對較差的沼氣池。戶用沼氣池多采用常溫發(fā)酵，一般為10～20℃，通常8℃以上都可以產(chǎn)氣，低于8℃則會導(dǎo)致微生物生理活性降低，抑制其生長和繁殖，影響產(chǎn)氣[11]。像青海大多數(shù)戶用沼氣池一樣，T-LD5的料液溫度不高，導(dǎo)致冬季不能使用。其料液溫度在8℃以上持續(xù)時(shí)間較T-LD1～T-LD4短，故而利用率偏低； 其低溫時(shí)間比T-LD1～T-LD4延長了2個(gè)月，在12月后，環(huán)境溫度降低，料液溫度持續(xù)降低，細(xì)菌、產(chǎn)甲烷菌逐漸停止厭氧消化和生長繁殖活動，無法正常進(jìn)行原料的分解、發(fā)酵、產(chǎn)氣，出現(xiàn)供氣不足、燃燒不完全現(xiàn)象，至達(dá)到完全抑制微生物生長和繁殖的溫度時(shí)產(chǎn)氣中斷，沼氣池不再使用。這可能就是青海大多數(shù)戶用沼氣池冬季不產(chǎn)氣的原因[12]。而4戶產(chǎn)氣好的沼氣池5～12月的平均溫度基本在8℃以上，屬于正常和適宜發(fā)酵的溫度，細(xì)菌、產(chǎn)甲烷菌等活躍，處于厭氧消化和生長繁殖狀態(tài)，能快速進(jìn)行原料分解、消化、發(fā)酵、產(chǎn)沼氣一系列活動，具有發(fā)酵速度快、產(chǎn)氣量大、使用效果好等特點(diǎn)； 這4戶僅1～4月溫度偏低，影響了微生物的生理活性，使得產(chǎn)氣減少，但由于此時(shí)沼氣池的料液溫度并不是太低，細(xì)菌、產(chǎn)甲烷菌不會停止厭氧消化和生長繁殖活動，緩慢進(jìn)行著原料的分解、發(fā)酵、產(chǎn)氣，維持著發(fā)酵過程，這樣整個(gè)冬季都不會間斷產(chǎn)氣。同時(shí)，T-LD3和T-LD4全年料液溫度比T-LD1和T-LD2高，而前者產(chǎn)氣狀況和利用率也高于后者，特別是在冬季的利用率非常明顯，說明料液溫度對沼氣產(chǎn)氣和利用以及沼氣池穩(wěn)定運(yùn)行起著非常重要的作用。

表4 不同月份5戶沼氣池料液溫度變化 (℃)

圖4 沼氣池內(nèi)外溫度隨時(shí)間變化

由文章可知，沼氣池料液溫度受環(huán)境溫度影響較大，出現(xiàn)特殊的“極值延后”現(xiàn)象，這一現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)有助于對沼氣池料液溫度進(jìn)行調(diào)控。青海省樂都縣的最高值出現(xiàn)在8～9月，在這個(gè)時(shí)間段，環(huán)境溫度已經(jīng)開始下降，如果可以采取相應(yīng)的措施，增加沼氣發(fā)酵的環(huán)境溫度，可能能夠使料液溫度的最高值延后更久，這樣就能延長沼氣產(chǎn)氣的時(shí)間，提高利用率。建議采用覆蓋塑料薄膜、秸稈、保溫被和聚苯乙烯泡沫板等隔熱保溫性材料覆蓋沼氣池，或用土敷埋沼氣池，對沼氣進(jìn)出口增加保溫的蓋板等。無論對照還是產(chǎn)氣較好的農(nóng)用沼氣池，樂都縣料液溫度的最低值均出現(xiàn)在3月。有報(bào)道指出[13]，沼氣產(chǎn)氣量與外界氣溫和沼氣池低溫呈顯著正相關(guān)關(guān)系，其中與沼氣池最低溫度相關(guān)系數(shù)最高，而與沼氣池高溫關(guān)系不大?？梢钥闯觯菊託獬氐淖畹蜏囟仁菦Q定產(chǎn)氣量的主要因素。因此，在3月這個(gè)時(shí)期需要給沼氣池增溫，利用的措施除上述外，還可以利用輔助燃燒式建造技術(shù)等。如果采取的方法可行，沼氣池的料液溫度能夠克服外界環(huán)境溫度的影響而得到提高，就能夠提高冬季的沼氣產(chǎn)氣量，可能在一定程度上能夠解決青海沼氣冬季不產(chǎn)氣或產(chǎn)氣少的難題。

研究還發(fā)現(xiàn)，暖棚溫度對沼氣池料液溫度也有一定影響，棚溫高的料液溫度也高，顯示了暖棚蓄熱和增溫保溫的功效，這與前人的報(bào)道相符。王艷芹[14]等人采取不同措施對戶用沼氣池料液溫度進(jìn)行測定時(shí)發(fā)現(xiàn)，加蓋暖棚時(shí)料液溫度最高，說明采用暖棚是提高戶用沼氣池內(nèi)料液溫度比較好的措施之一。青海省所建的戶用沼氣池均采用帶有暖棚的“一池三改”模式，說明該建設(shè)技術(shù)模式的推廣示范是完全符合當(dāng)?shù)匦枰?。因此，可以在沼氣池上面通過修建保溫性能更好的暖棚，如日光溫室等，并且盡量修建在采光好的位置來增加暖棚溫度從而提高沼氣池內(nèi)料液溫度； 也可以或通過使用更好的暖棚保溫材料，或在冬季利用輔助加熱手段等給暖棚增溫來提高池內(nèi)料液溫度。

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Temperature Variation of Rural Household Biogas Digesters in Qinghai and the Impact on Biogas Production /

HAN Rui1, 2， ZHU De-rui3， CHEN Lai-sheng1, 2/

(1. Qinghai Key Laboratory of Vegetable Genetics and Physiology，Academy of Agriculture and Forestry, Qinghai University，Xining 810016, China； 2. State Key Laboratory Breeding Base——Key Laboratory of Qinghai Province for Plateau Crop Germplasm Innovation and Utilization，Xining 810016, China； 3. Research Center of Basic Medical Sciences, Qinghai University Medical College, Xining 810016, China)

The temperature data were investigated for 5 stably operating digesters in Ledu County of Qingdao province from 2014 to 2015. The temperature variation characteristics inside and outside biogas digesters, the influence factors of temperature changing on the biogas production, were analyzed. The results showed that the temperature of biogas digesters were greatly influenced by environmental temperature, a special "extreme delay" phenomenon occured, and the higher the temperature, the better the biogas producing condition. The results of this study can be used to provide theoretical basis for controlling the temperature of the household biogas digesters, and to improve the gas production efficiency.

Qinghai； rural household biogas digesters； temperature； variation characteristics； biogas

2015-12-09

項(xiàng)目來源： 青海省應(yīng)用基礎(chǔ)研究(2015-ZJ-730)； 青海省自然科學(xué)基金(2015-ZJ-929Q)； 青海省重大科技專項(xiàng)(2016-NK-A8)

韓 睿(1983-)，女，助理研究員，主要從事沼氣微生物分子生物學(xué)方面的研究工作，E-mail：hanrui11473@163.com

S216.4

B

1000-1166(2016)06-0095-06