CN102078877A - 好氧生物反应器多参数反馈气水联合自动调控装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于环境保护城市生活垃圾处理技术领域的一种好氧生物反应器多参数反馈气水联合自动调控装置及方法。该方法借助多参数反馈，协同调控垃圾堆体含水率和氧浓度，实现垃圾填埋堆体中氧浓度和含水率均匀分布，同时实现氧浓度、含水率和温度时时在线监测，并自动保存数据和输出变化趋势图。该方法有效解决了老垃圾填埋场好氧生物反应器填埋修复技术中垃圾堆体气体和含水率分布不均、抑制微生物活性、降低有机物降解速率和能耗高的问题。

Description

好氧生物反应器多参数反馈气水联合自动调控装置及方法

技术领域

本发明属于环境保护生活垃圾处理技术领域，具体涉及一种好氧生物反应器多参数反馈气水联合自动调控装置及方法。

背景技术

直至目前，填埋技术一直是我国城市生活垃圾的最主要处理技术。我国的城市生活垃圾填埋经历了分散填坑填沟、集中堆放、简单填埋、准卫生填埋到卫生填埋的发展阶段。我国各大城市中或城市周围普遍存在大量的垃圾集中堆放场或简易填埋场，达不到卫生填埋标准，甚至没有任何污染防控设施，已造成较严重的地下水污染，其中大部分目前尚未达到稳定化、仍在不断地对环境造成污染。随着我国城市化进程加快，城市的迅速扩展往往导致城市工业、商业、居民区越来越逼近甚至包围这些原本位于郊区的老垃圾堆场和简易填埋场，使其成为制约该地区发展的“毒瘤”，长期环境和健康风险很大，必须进行修复治理。但是，由于我国在老垃圾堆场治理方面的研究基础较为薄弱，缺乏适用技术和规范。一些老垃圾堆场采用了搬迁的方法，成本很高，而且未从根本上解决问题。为此，亟需研究经济实用的老垃圾堆场原位修复快速稳定化和封场治理技术。

好氧生物反应器填埋加速垃圾稳定化技术被认为是用于老垃圾填埋场生物修复治理的重要技术。好氧生物反应器填埋技术旨在通过主动调控手段为垃圾堆体内微生物创造最佳生存环境，强化微生物活性，提高垃圾降解速率，加速垃圾稳定化进程。好氧生物反应器填埋技术主要包括利用鼓气系统向垃圾堆体内鼓入新鲜空气为好氧微生物生长提供充足的氧气；利用渗滤液回灌或外补自来水以维持垃圾含水率在45％～60％；通过调节通风量和渗滤液回灌量以保证垃圾堆体适宜温度。

适宜的含水率45％～60％、充足的供气量和适宜的温度是为垃圾堆体内微生物提供最佳生存环境需要解决的关键条件因素。这些条件因素是相互影响、相互制约的：当供气量较大时，势必造成含水率和温度降低，同时会造成更高的能耗；当含水率过高，会增大气体扩散阻力和降低堆体温度；堆体温度过高会使含水率降低和增大耗氧量。相反，供气量不足或含水率低会严重制约微生物活性。可见，多参数反馈气水联合调控至关重要。

另外，由于垃圾堆体的高度非均质性，存在日覆盖及中间覆盖层，垃圾压实密度沿堆体垂直深度分布极为不均，堆体内不同部位的透气性能、透水性能和持水性能差异较大，实现垃圾堆体内氧气浓度和含水率均匀分布成为老垃圾填埋场修复治理的技术“瓶颈”。

总之，利用好氧生物反应器填埋修复技术加速垃圾稳定化技术能实现老垃圾填埋场快速稳定化与封场治理，利用多参数反馈气水联合调控技术能实现垃圾堆体内氧气浓度和含水率均匀分布。

发明内容

本发明的目的是提供一种好氧生物反应器多参数反馈气水联合自动调控装置及方法，解决老垃圾填埋场好氧生物修复快速稳定化技术中垃圾堆体气体分布和含水率分布不均，抑制微生物活性，降低有机物降解速率和能耗高的问题。

一种好氧生物反应器多参数反馈气水联合自动调控装置，其特征在于，该装置由好氧填埋生物反应器1、传感器2、数据变送器3、逻辑判断系统4、电脑5、空气泵6和渗滤液循环计量隔膜泵7构成；传感器2置于好氧生物反应器1控制单元内，依次与数据变送器3、逻辑判断系统4、电脑5相连，逻辑判断系统4分别与第一电磁阀(V1)、第二电磁阀(V2)、第三电磁阀(V3)、空气泵6和渗滤液循环计量隔膜泵7相连。

所述好氧填埋生物反应器分为3个独立的控制单元，每个控制单元由一组传感器控制，单独鼓气。

所述传感器包括第一氧传感器(OS1)、第二氧传感器(OS2)、第三氧传感器(OS3)、第一含水率传感器(MS1)、第二含水率传感器(MS2)、第三含水率传感器(MS3)、第一温度传感器(TS1)、第二温度传感器(TS2)、第三温度传感器(TS3)。

一种好氧生物反应器多参数反馈气水联合自动调控方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)首先，将生活垃圾装填到生物反应器，按深度由上到下分3个控制单元，在回填垃圾过程中每个控制单元预埋一组传感器；

(2)其次，设定生活垃圾好氧生物反应器填埋处理微生物繁殖氧浓度值、垃圾含水率和温度值；

(3)最后，由传感器获取相应的参数的电信号，并传递给数据变送器，将电信号转变成数字信号，即实测的氧浓度值、含水率值和温度值，实测参数与设定参数经逻辑判断系统逻辑判断后，发出应对指令，控制电磁阀、空气泵和渗滤液循环计量隔膜泵，自动调控好氧填埋生物反应器内氧气浓度和含水率。

所述逻辑判断过程为：

当实测参数等于或低于设定参数下限值时，逻辑判断系统将指令启动渗滤液循环计量隔膜泵或相应电磁阀及空气泵完成渗滤液回灌或鼓气；当实测值高于相应设定上限值时，逻辑判断系统将指令停止渗滤液循环计量隔膜泵或相应电磁阀及空气泵，停止向反应器进行渗滤液回灌或鼓气；温度值与氧浓度值协同调控，在好氧消化高温期实测温度值过高时，提高氧浓度上限，增大氧浓度控制范围，以延长鼓气时间，达到降温目的；高温期过后，降低氧浓度上限，缩小氧浓度控制范围，以缩短鼓气时间，维持堆体温度。

本发明的有益效果：1、该多参数反馈气水联合调控技术的研究目的明确，完成多参数反馈，实现各参数间协同作用。2、该多参数反馈气水联合调控技术有利于突破垃圾堆体气水均匀分布的技术“瓶颈”，实现垃圾堆体气水均匀分布，为微生物创造最佳繁殖环境，增强微生物活性，加速垃圾稳定化。3、该多参数反馈气水联合调控技术利用传感器准确获取垃圾堆体内部各参数的实际数值，借助逻辑判断系统精确控制渗滤液回灌量和鼓气量，相对手动调控和简易自动调控节约大量电能。

附图说明

图1好氧生物反应器多参数反馈气水联合调控系统图；其中，1-好氧填埋生物反应器数；2-传感器；3-数据变送器；4-逻辑判断系统；5-电脑；6-空气泵；7-渗滤液循环计量隔膜泵；V1-第一电磁阀；V2-第二电磁阀；V3-第三电磁阀；OS1-第一氧传感器；OS2-第二氧传感器；OS3-第三氧传感器；MS1-第一含水率传感器；MS2-第二含水率传感器；MS3-第三含水率传感器；TS1-第一温度传感器；TS2-第二温度传感器；TS3-第三温度传感器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步详述：

实施例1

本发明所述一种好氧生物反应器多参数反馈气水联合自动调控装置，由好氧填埋生物反应器1、传感器2、数据变送器3、逻辑判断系统4、电脑5、空气泵6和渗滤液循环计量隔膜泵7构成；传感器2置于好氧生物反应器1控制单元内，依次与数据变送器3、逻辑判断系统4、电脑5相连；逻辑判断系统4分别与第一电磁阀(V1)、第二电磁阀(V2)、第三电磁阀(V3)、空气泵6和渗滤液循环计量隔膜泵7相连。(如图1所示)，工作时具体步骤如下：

首先，将好氧生物反应器1由上到下分成三个控制单元，回填垃圾过程中第一氧传感器(OS1)、第二氧传感器(OS2)、第三氧传感器(OS3)、第一含水率传感器(MS1)、第二含水率传感器(MS2)、第三含水率传感器(MS3)、第一温度传感器(TS1)、第二温度传感器(TS2)、第三温度传感器(TS3)预埋在各控制单元中部的半径中间位置。

其次，设定微生物生存所需氧浓度为5％～18％、含水率为50％、温度为30℃～70℃。

最后，运行程序，利用氧浓度、含水率和温度等参数在线监测、自动反馈和逻辑判断，完成气水联合自动调控，调控过程如下：

含水率自控过程：试验用含水率测量方法是时域反射法，含水率设定值M＝50％。实际运行中任一控制单元中的含水率传感器MS1、MS2或MS3测得垃圾含水率的模拟电信号经数据变送器转换成实测含水率的数字信号M1、M2或M3；逻辑判断系统对实测含水率与设定含水率进行逻辑判断并发出相应指令：当实测含水率小于设定含水率(M1＜50％、M2＜50％或M3＜50％)时，逻辑判断系统将发出开启指令启动隔膜计量泵回灌渗滤液；相反地，当每个控制单元的实测含水率都等于或大于设定含水率(M1≥50％、M2≥50％且M3≥50％)时，逻辑判断系统将发出关闭指令停止渗滤液循环隔膜计量泵。同时，将实测含水率数值和含水率变化趋势图自动保存到电脑。

氧浓度自控过程：实际运行中，利用氧浓度和温度反馈信息协同调控供氧量，氧浓度为决定性参数，即当由氧浓度和温度反馈信息所得的逻辑指令矛盾时，以氧浓度的逻辑指令为主。而且氧浓度最大值和最小值的设定会根据垃圾降解过程中垃圾性质的变化而调整，氧浓度最大设定值Omax为10％～18％，而最小设定值Omin为5％～12％。任一控制单元的氧浓度传感器OS1、OS2或OS3测得垃圾堆体内氧浓度的模拟电信号经数据变送器转换成实测氧浓度的数字信号O1、O2或O3；同样地，任一控制单元的温度传感器TS1、TS2或TS3测得垃圾堆体内温度的模拟电信号经数据变送器转换成实测温度的数字信号T1、T2或T3。逻辑判断系统对实测氧浓度、温度与设定氧浓度值、设定温度值进行逻辑判断并发出相应指令：

垃圾好氧消化前期，当实测氧浓度小于设定氧浓度下限值(O1≤(5％～12％)，O2≤(5％～12％)或O3≤(5％～12％))，且温度适宜(70℃≥T1-T3≥30℃)时，逻辑判断系统将发出开启指令打开相应的电磁阀V1、V2或V3。任一个电磁阀(V1、V2或V3)，任两个电磁阀(V1与V2、V2与V3或V1与V3)或三个电磁阀(V1与V2与V3)开启，空气泵就会自动开启，给对应的控制单元鼓气直至控制单元的实测氧浓度值达到设定氧浓度上限值(O1≥(10％～18％)、O2≥(10％～18％)或O3≥(10％～18％))，逻辑判断系统指令相应的电磁阀关闭，且所有电磁阀都关闭时，空气泵才停止；当实测氧浓度大于设定氧浓度下限值(O1≥(5％～12％)、O2≥(5％～12％)或O3≥(5％～12％))，且温度适宜(70℃≥T1-T3≥30℃)时，逻辑判断系统将一直发出关闭指令关闭相应的电磁阀，当所有电磁阀都关闭时，空气泵才停止。

垃圾好氧消化高温期，垃圾堆体温度较高，微生物需氧量相对较大，适当加大通风量和通风频率以保证微生物需氧量和控制垃圾堆体温度。本研究最高温度设定值Tmax＝70℃，人为手动增大氧浓度设定值的最大值Omax和最小值Omin，尽量增大氧浓度设定阈值，增加鼓气频率和鼓气量。当实测氧浓度小于设定氧浓度下限值(O1≤(5％～12％)，O2≤(5％～12％)或O3≤(5％～12％))，且温度较高(T1-T3≥70℃)时，逻辑判断系统将发出开启指令启动相应的电磁阀V1、V2或V3，任一个(V1、V2或V3)，任两个(V1与V2、V2与V3或V1与V3)或三个电磁阀(V1与V2与V3)开启，空气泵就会自动开启，给对应的控制单元鼓气直至控制单元的实测氧浓度值到设定氧浓度上限值(O1≥(10％～18％)、O2≥(10％～18％)或O3≥(10％～18％))，再延长鼓气5分钟，逻辑判断系统指令相应的电磁阀关闭，只有所有电磁阀都关闭时，空气泵才停止；当实测氧浓度大于氧浓度设定值(O1≥(5％～12％)、O2≥(5％～12％)或O3≥(5％～12％))，且温度较高(T1-T3≥70℃)时，逻辑判断系统将指令开启所有电磁阀V1、V2和V3，自动启动空气泵向垃圾堆体内鼓气5分钟后再停止鼓气。

垃圾好氧消化后期，垃圾堆体温度偏低，微生物需氧量相对降低。为维持较高的垃圾降解效率，适当降低氧浓度设定值的上限值和下限值，并增大氧浓度设定阈值，减少鼓气频率，防止因鼓气量偏高降低温度。该阶段逻辑判断系统逻辑自动控制过程与垃圾好氧消化前期完全相同。

该多参数反馈气水联合调控技术实现了生活垃圾好氧生物反应器填埋工况下垃圾堆体中含水率、氧浓度和温度等参数的协同调控，同时完成含水率、氧浓度和温度时时在线监测并自动保存相应的数据和输出所有参数随时间变化的趋势图。

应用多参数反馈气水联合调控技术为微生物提供繁殖所需的最佳含水率、氧浓度和温度，大大增强微生物活性，提高垃圾降解速率，使新鲜的生活垃圾经过6个月好氧生物反应器填埋就趋于稳定，相对于传统厌氧填埋的稳定化时间20余年，应用多参数反馈气水联合调控技术的好氧生物反应器填埋大大缩短生活垃圾填埋的稳定化时间。而且该技术主要通过氧浓度来控制供氧量，即供气量几乎等于微生物繁殖的需氧量，在满足微生物繁殖的需氧量条件下，该技术节约了过量鼓气消耗的电能。因此，多参数反馈气水联合调控技术应用于老垃圾填埋场好氧生物修复快速稳定化，实现管理方便、处理高效，能源节约。

Claims (5)

1.一种好氧生物反应器多参数反馈气水联合自动调控装置，其特征在于，该装置由好氧填埋生物反应器1、传感器2、数据变送器3、逻辑判断系统4、电脑5、空气泵6和渗滤液循环计量隔膜泵7构成；传感器2置于好氧生物反应器1控制单元内，依次与数据变送器3、逻辑判断系统4、电脑5相连，逻辑判断系统4分别与第一电磁阀(V1)、第二电磁阀(V2)、第三电磁阀(V3)、空气泵6和渗滤液循环计量隔膜泵7相连。

2.根据权利要求1所述好氧生物反应器多参数反馈气水联合自动调控装置，其特征在于，所述好氧填埋生物反应器由上至下分为3个独立的控制单元，每个控制单元由一组传感器控制，单独鼓气。

3.根据权利要求1所述好氧生物反应器多参数反馈气水联合自动调控装置，其特征在于，所述传感器包括第一氧传感器(OS1)、第二氧传感器(OS2)、第三氧传感器(OS3)、第一含水率传感器(MS1)、第二含水率传感器(MS2)、第三含水率传感器(MS3)、第一温度传感器(TS1)、第二温度传感器(TS2)、第三温度传感器(TS3)。

4.一种好氧生物反应器多参数反馈气水联合自动调控方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)首先，将生活垃圾装填到生物反应器，按深度由上到下分3个控制单元，在回填垃圾过程中每个控制单元预埋一组传感器；

(2)其次，设定生活垃圾好氧生物反应器填埋处理微生物繁殖氧浓度值、垃圾含水率和温度值；

(3)最后，由传感器获取相应的参数的电信号，并传递给数据变送器，将电信号转变成数字信号，即实测的氧浓度值、含水率值和温度值，实测参数与设定参数经逻辑判断系统逻辑判断后，发出应对指令，控制电磁阀、空气泵和渗滤液循环计量隔膜泵的开启，自动调控好氧填埋生物反应器内氧气浓度和含水率。

5.根据权利要求4所述好氧生物反应器多参数反馈气水联合自动调控方法，其特征在于，所述逻辑判断过程为：

当实测参数等于或低于设定参数下限值时，逻辑判断系统将指令启动渗滤液循环计量隔膜泵或相应电磁阀及空气泵完成渗滤液回灌或鼓气；当实测值高于相应设定上限值时，逻辑判断系统将指令停止渗滤液循环计量隔膜泵或相应电磁阀及空气泵，停止向反应器进行渗滤液回灌或鼓气；温度值与氧浓度值协同调控，在好氧消化高温期实测温度值过高时，提高氧浓度上限，增大氧浓度控制范围，以延长鼓气时间，达到降温目的；高温期过后，降低氧浓度上限，缩小氧浓度控制范围，以缩短鼓气时间，维持堆体温度。