温室生物质发酵酿热工程案例与性能分析＊

李建明，胡艺馨（西北农林科技大学园艺学院，陕西杨凌 712100）

温室在中国农业生产中占有重要地位，并且对中国农村经济发展有着至关重要的影响。但中国北方地区由于深秋、冬季和早春季节低温寡照气候严寒，当冷空气侵入时，最低温度一般可降至-30℃以下，温室内环境温度无法达到作物生长要求。由于温室具有一定封闭性，在低温条件下室内CO2浓度不足，作物光合作用过程受阻，将导致温室生产大幅减缓甚至无法实现越冬生产，土地利用率低，严重影响农业经济的发展。

传统加温方式需消耗大量化石能源，同时产生大量温室气体，造成环境污染。因此寻求绿色经济的温室增温技术便成为中国北方寒冷季节温室生产的关键问题之一。虽然近年来研发的太阳能、地热能等新能源利用技术具有一定效果，但多为大功率机械设备的组合应用，成本高昂，并且其应用效果直接受光照限制，在长期低温寡照季节无法为温室提供能源加热，其实用性和经济性均无法达到广大温室农业生产要求。

温室生物质发酵酿热可有效提高室内温度，充分循环利用农业废物，改善农村生态环境条件，实现乡村振兴的产业振兴与环境优美目标。生物质是植物、动物或者微生物等生命体的合称，是可再生或可循环的有机物质总称，其包括能源作物、农业废弃物、林业废弃物、动物粪便等。生物质发酵产热即利用微生物对环境中生物质进行缓慢氧化(即分解代谢) 释放热能的一种温室增温措施。

技术原理

温室生物质发酵酿热是利用微生物对农业废弃物中有机质的好氧降解产生热量与CO2，对温室进行增温补气的调控措施，在低温天气温室无法通风换气的封闭状态下，生物质发酵酿热技术可满足植物光合作用对CO2的消耗，促进作物生长。同时，温室中作物通过光合作用产生的氧气可为好氧微生物提供充足氧气条件，而作物收获后的残株可作为发酵物料，实现温室内生物质与气体的循环利用。早在2000 年前，国内传统农业便使用温床利用微生物通过生化反应所产生的生物热能为主要热源进行育苗，说明生物质发酵酿热在温室生产中具有较好可行性。温室生物质发酵酿热最重要部分是适宜的原料配比及含水率。当原料配比为C/N 为（25～35）:1，含水率为55%～65% 时，发酵产热性能良好，产热时间长，温度稳定且产热量高。除此之外，发酵规模也是影响产热性能的重要因素。在相同的物料配比与含水率下，发酵规模过小，堆体产生的热量散失越快，无法维持微生物生命活动所需基础温度，从而导致发酵产热进程减缓甚至停滞。而较大的发酵规模可以减少堆体热量散失，提高堆体自身保温性，从而提高发酵产热效率，促进发酵产热进程。

温室生物质发酵酿热案例

工程概况

2015～2019 年，温室生物质发酵酿热工程在西北农林科技大学园艺场的大跨度非对称水控酿热保温温室（图1）内进行。

图1 大跨度非对称酿热温室及酿热槽示意图

酿热槽位置

在温室大棚内北部建造水控酿热槽或反应堆。以600 m2大跨度非对称水控酿热温室为例，每600 m2温室对应设计30 m3基质酿热槽，由混凝土浇筑而成。

酿热槽规格

酿热槽长、宽和深分别为30 m、1 m、1 m。

通气管布置

在酿热槽到立柱之间铺设通气管，将产生的热量与CO2引入温室内。

酿热物铺设

在槽内放置作物秸秆与农家肥，堆肥体积为1 m×1 m×30 m。为使槽内基质保持良好透气性，基质放置顺序为先铺粒径较大的枯枝腐叶，再将畜禽粪便放置其上，料面高出槽口10～15 cm，最后铺5 cm 腐熟好的基质，轻轻压实。

酿热槽启动

调节碳氮比在（25～35）:1。在冬季低温来临前10 天将发酵物总质量3% 的EM 菌剂混入水中喷施到堆体上，调节堆体相对含水量调至60% 左右，将酿热槽表面覆上塑料膜封严。

注意事项

该工程实施中，有以下6 点注意事项：①发酵酿热反应堆建造要依据温室类型，温室内需热量，进行科学设计；②发酵初期产生的气体要释放至温室外，以免将发酵初期堆体内产生的有害气体引入温室。③将农业废弃物发酵产热时间尽量控制在当地温度较低的时段。④农业废弃物发酵每年换1 次，挖出的发酵物可以作为肥料施用。⑤为简化操作，发酵酿热堆体高度尽量不高于2 m。⑥酿热反应堆体量大小依据温室面积而定，每600 m2温室内设计30 m³ 农业废弃物进行发酵酿热。

工程施工

施工过程中，首先进行通气管布置，用于对堆体进行通风供氧并将产生的热量和CO2引入温室。之后进行发酵酿热物铺设，先铺粒径较大的枯枝腐叶，再将畜禽粪便混合细碎残株倒入发酵池中，两种原料质量比约为1:1。此种铺设方式可防止物料堵塞通气管，避免堆体底部水分沉积和自压实作用而造成厌氧区域。虽然在工业好氧发酵系统中，物料一般采取均匀混合的方式，是因为工业规模下的通风系统采用大功率风机，可将大量水分吹出，同时通气管内高速气流可防止气孔堵塞。但在农业生物质发酵酿热系统中，采取大功率通风设备不仅能耗巨大，过大通风量也会使堆体水分及热量散失过快，不利于堆体保温，从而造成发酵酿热减缓停滞。故本案例中的物料铺设方式在考虑低能耗成本以及绿色可持续发展等前提下更适合用于农业生产。最后，在低温天气到来前10 天进行发酵启动，即将占原料总质量3% 的EM 菌剂与水混合均匀，喷施到原料中，调节含水率至60%，将发酵池表面覆盖塑料膜封严。好氧发酵中，原料需要达到一定湿度才能进行发酵，因此在发酵前控制物料水分在较低水平，则可抑制微生物活性，使发酵启动处于可控状态，尽量避免原料在不需要酿热加温时自行发酵降解。

工程性能

根据已有工程实例表明，配备生物质发酵酿热技术的非对称单层保温大棚在典型雪天下，室内夜间平均气温和地温分别为8.9 ℃和11.6℃。相比传统日光温室，该棚的日均气温可提高0.7～2.1℃，日均地温可提高0.5～2.2℃。在极端天气工况下（室外气温为-14.3℃），生物质发酵酿热技术可使非对称单层保温大棚夜间气温保持在5.3℃，比传统日光温室高0.8℃。在2019 年11 月初添加8 m3农业废弃物至酿热槽内，可使槽内温度于11 月24 日达35℃，并维持高温61 天。可在12 月～ 次年1 月将17 m 跨的单层非对称保温大棚室内平均最低气温提高7.3℃，提高棚内CO2浓度1500～2000 μmol/mol。

同时，增加生物质发酵酿热技术可将温室内CO2浓度提高至原来的2.6 倍，并显著促进黄瓜营养生长，显著提高黄瓜可溶性糖含量达109.38%，VC 含量提高12.57%，硝酸盐含量显著下降40.65%，产量显著提高25.13%，同时可使黄瓜提早8 天上市。

大跨度非对称水控酿热温室效果显著，其研究结果表明以猪粪为调理剂进行番茄秸秆堆肥，在调整EC 后可作为理想的栽培基质，且利用其发酵产生的热量可改善大棚中的环境条件。基于生物质发酵产热增温的大跨度非对称酿热温室冬季温度，土地利用率和实际种植效益均优于传统日光温室，适合在黄河中下游及淮河流域类似气候条件的地区推广应用。

工程经济

以17 m 跨的非对称单层保温大棚为例，室内面积为510 m2；发酵材料中，秸秆、畜禽粪便、菇渣体积比为1:2:1，总用量12 m3，畜禽粪便单价100 元/m3，秸秆为温室栽培上茬作物残株，不计入费用，故发酵原料共计900 元。发酵原料装填、清理、二次利用等需要人工成本费1200 元，故每年发酵原料总成本2100 元。由2016 年配备生物发酵酿热技术的温室秋延后栽培结果知，当年番茄产量为24.29 kg/m3。距农业部监测数据显示，2016年番茄全年批发均价为3.11 元/kg。据测算，应用生物质发酵酿热技术的17 m 跨非对称单层保温大棚番茄提高产量1200 kg，收入增加3600 余元。

发展建议

生物质发酵反应堆的建造要依据温室类型，依据温室最大采暖热负荷下的散热量，科学设计发酵体量与物料配比，以满足温室热量需求与作物生长环境。为简化操作并降低物料自压实作用，发酵堆体高度尽量低于2 m。发酵初期产生的气体以NH3、H2S 等易对植物产生毒害的气体居多，故发酵初期应将气体尽量释放至室外，或在通气管末端安装气体过滤装置。一般在通气管末端填装潮湿木屑或腐熟基质可起到良好过滤作用。水分是发酵酿热过程中的关键参数，堆体温度则是反应发酵酿热效果的重要指标，故需要进行发酵物料理化性质的实时监测。当发酵物料温度过高时（>60℃）应及时进行人工翻堆，以防堆温过高使好氧微生物大量死亡影响酿热进程。当物料温度过低时应尽量减少通气频次降低，以保证微生物所需温度环境。当含水率低于50% 时，需进行水分补充，混合EM 菌剂进行喷施。当含水率高于65% 时，应及时揭开发酵池表面塑料膜以促进发酵物料中水分散失。