CN103214290A - 一种智能型好氧堆肥反应器系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能型好氧堆肥反应器系统。所述反应器系统包括反应器罐体、PLC控制系统、布气系统和布水系统；所述反应器罐体的顶部设有进料口、出气口和补水口，所述补水口与所述布水系统相连接；所述反应器罐体的底部设有沥出液收集口；所述反应器罐体的下部设有出料口和进气口，所述进气口与所述布气系统相连接；所述出料口和所述进气口分别设于所述布气筛网的上部和下部；所述布气系统和所述布水系统均与所述PLC控制系统相连接。本发明良好的保温层设计可有效确保发酵效果和产品质量；基于多传感器的控制系统，可实现实验模拟和生产过程的智能化；尾气净化系统和沥出液收集口的设计可有效实现堆肥发酵过程的生态环保。

Description

一种智能型好氧堆肥反应器系统

技术领域

本发明涉及一种智能型好氧堆肥反应器系统，属于固体废弃物处置和资源化利用技术领域。

背景技术

中国每年产生的农业废弃物达几十亿吨，近几年污染事故与事件的逐年增加,使得农业废弃物渐渐被人们重视。农业废弃物在生产过程中由于可利用品质不高,成分复杂，二次开发成本高、难度大，同时缺乏政策的引导和资金的投入，导致农业废弃物污染呈现出数量大、品质差、危害多的特点。堆肥技术具有古老的历史，在现代社会中也已广泛地应用于餐厨垃圾、畜禽粪便、农作物秸秆等富含生物可降解有机物的废弃物的无害化处理，堆肥处理的产物还含有丰富的腐殖质和植物养份，适用于土地利用，使堆肥技术具有资源化价值。目前，该技术已成为处理农业废弃物资源化、无害化和减量化利用的重要手段。

好氧堆肥处理是农业废弃物资源化、无害化和减量化处理的常用方法之一。现代好氧堆肥是利用堆肥设备使农业废弃物在有氧条件下利用好氧微生物作用达到稳定化、无害化，转变为有利于土壤性状改良并对农作物生长有益和容易吸收利用的优质肥的方法。随着堆肥技术越来越受到重视，相应的堆肥设备发展迅速。除工厂化堆肥设备以外，应用于实验室用来研究堆肥过程参数变化的装置也越来越多。目前我国应用于实验室的堆肥反应器大都体积较小，散热较快，无法满足模拟实际工厂的堆肥过程。现阶段我国好氧堆肥反应器的研发在下述方面亟需提升：保温效果差，散热较快；对于一些重要的物理参数无法实时获取，对堆肥环境的可控力较弱；堆料的流动性、均匀性差，通气不均匀，容易造成堆料局部厌氧及发酵不完全；自动化程度较低；无法满足空间梯度差异科学研究需要；缺乏有效的除臭方法，容易对大气造成污染。

发明内容

本发明的目的是提供一种智能型好氧堆肥反应器系统，该反应器系统可用于解决堆肥过程堆肥环境不可控的问题，并实现对堆肥环境的实时智能监测。该堆肥反应器系统可以根据堆肥过程中实时监测到的环境参数，自动实时调节布气系统、布水系统及搅拌系统的工作状态，从而使堆料始终处于最佳的发酵环境状态。

本发明所提供的一种智能型好氧堆肥反应器系统，包括反应器罐体、PLC控制系统、布气系统和布水系统；

所述反应器罐体的顶部设有进料口、出气口和补水口，所述补水口与所述布水系统相连接；所述反应器罐体的底部设有沥出液收集口；所述反应器罐体的下部设有出料口和进气口，所述进气口与所述布气系统相连接；所述应器罐体内设有一沿其径向布置的布气筛网，所述布气筛网与所述反应器罐体的底部之间形成气体缓冲区；所述出料口和所述进气口分别设于所述布气筛网的上部和下部；

所述反应器罐体上设有温度传感器、氧浓度传感器和取样口；所述温度传感器和所述氧浓度传感器均与所述PLC控制系统相连接；

所述反应器罐体内设有沿其轴向延伸的搅拌轴，所述搅拌轴上设有搅拌桨叶；

所述布气系统和所述布水系统均与所述PLC控制系统相连接。

上述的反应器系统中，所述温度传感器、所述氧浓度传感器和所述取样口沿所述反应器罐体的圆周方向均匀布置；

所述反应器系统包括3个沿所述反应器罐体的轴向均匀布置的所述温度传感器；

所述反应器系统包括3个沿所述反应器罐体的轴向均匀布置的所述氧浓度传感器；

所述反应器系统包括3个沿所述反应器罐体的轴向均匀布置的所述取样口；以上设置可保证所述温度传感器与所述氧浓度传感器分别采集所述反应器罐体内上、中、下三层的温度及氧浓度数据，所述取样口用于采集所述反应器罐体上、中、下三层的堆肥样品，以便试验分析用。

上述的反应器系统中，所述进气口依次与手动球阀Ⅰ和快装接头Ⅰ相连接；

所述补水口依次与手动球阀Ⅱ和快装接头Ⅱ相连接，所述补水口延伸至所述反应器罐体的内部，且与一雾化喷头相连接，所述雾化喷头与竖直平面呈30℃角，以增大布水面积，确保布水的均匀性；

所述出气口与两条出气管路相连接，其中1条所述出气管路可与气体无害化处理设备相连接，另1条所述出气管路可与气体采集和分析设备相连接。

上述的反应器系统中，所述反应器罐体通过支腿固定于支撑底座上；

所述支撑底座的下表面上设有带制动功能的脚轮，用于移动、固定所述反应器罐体；

所述反应器罐体的外壁为双层保温结构，在夹层内可填充聚氨酯发泡保温材料用于保温。

上述的反应器系统中，所述搅拌轴可由电机驱动，所述电机与所述搅拌轴之间设有减速机；

所述搅拌轴上设有3层所述搅拌桨叶，可以有效的确保搅拌堆料的均匀性，。

上述的反应器系统中，由下至上，所述布气筛网包括依次叠加的法兰盘、花孔板和细滤网；

所述法兰盘的环腔内设有若干个加强筋，用于加固其结构以支撑堆料，；

所述法兰盘、所述花孔板与所述细滤网之间均通过螺钉连接；所述布气筛网的设置可以充分确保布气的均匀性。

上述的反应器系统中，所述布气系统为可控温式布气系统；

所述可控温式布气系统包括1条布气主干路和与所述布气主干路相连通的3条布气支路；

所述布气主干路上依次设有电磁阀式空气泵、气体加热器和气体温度传感器，所述气体加热器和所述气体温度传感器均与所述PLC控制系统相连接；

所述布气支路上依次设有手动闸阀、布气电磁阀和气体浮子式流量计。

上述的反应器系统中，所述布水系统为恒压布水系统；

所述恒压布水系统包括依次连接的自吸式水泵、单向阀、蓄能器和布水电磁阀，所述蓄能器上设有压力开关和压力传感器；

当所述蓄能器中的水压达到所述压力开关的设定压力时，所述压力开关自动切断所述自吸式水泵；

当所述蓄能器中的水压低于所述压力开关的设定压力时，所述压力开关自动接头所述自吸式水泵。

上述的反应器系统中，所述布气系统和所述布水系统均设于布气布水平台上。

本发明采用以上技术方案，其具有以下优点：

1、该智能型好氧堆肥反应器系统配备有多个温度传感器、多个氧浓度传感器、多个取样口及PLC控制系统。其传感器可以实现对堆体不同高度温度、氧浓度的实时在线监测，取样口可以实现对堆体不同高度样品的采集，该反应器系统可以实现对工厂化堆肥空间梯度差异的模拟研究。通过PLC控制系统，所述的反应器系统还可以将监测到的数据进行实时的记录、存储和调用，并且对采集到的数据进行分析、比对，自动控制反应器系统相关执行单元的工作状态，从而为堆料控制提供良好的发酵环境。

2、该智能型好氧堆肥反应器系统设计有两条出气管路：其中一条出气管路与气体无害化设备相连，其可以有效对产生的尾气进行无害化处理，避免尾气对大气造成二次污染；另外一条出气管路与气体采集和分析设备相连，其可以实现对堆肥产生尾气的收集、处理及分析，为堆肥产气机理模型及相关的科学研究提供了更广大的空间。

3、该智能型好氧堆肥反应器系统内具有搅拌系统，该搅拌系统设置有三层搅拌桨叶，可以使堆料混合均匀，改善通气性，使好氧发酵更加充分。

4、该智能型好氧堆肥反应器系统的反应器罐体具有双层不锈钢保温结构。经试验表明，反应器内部堆料温度远远高于外界环境温度时，反应器外壁的温度仍然可以接近环境温度，该保温层可以有效确保反应器罐内堆料在外界环境温度较低时仍然可以快速升温，并且在堆料达到高温期后可以持续相当长的时间。

5、引入了可控温式布气系统，该可控温式布气系统可以将布气温度加热至适合堆料发酵的温度，可以使堆料在外界环境温度较低的条件下仍然能够快速堆肥，避免了外界环境对堆肥试验的影响。该可控温式布气系统的布气流量为变流量调节，该系统不仅可以有效避免堆料热量的过多散失，而且还保障了堆肥的好氧条件，防止堆料发酵不完全。

6、引入了恒压布水系统，该恒压布水系统可以实现对布水压力及布水流量的调节，该系统的引入大大提高了反应器系统对堆肥环境状态的可控力，而且也可以为堆肥工艺参数及相关机理模型的研究提供了必要的辅助手段。

附图说明

图1是本发明智能型好氧堆肥反应器系统中反应器罐体的主视图。

图2是本发明智能型好氧堆肥反应器系统中反应器罐体的左视图。

图3是本发明智能型好氧堆肥反应器系统中反应器罐体的俯视图。

图4是本发明智能型好氧堆肥反应器系统中布气筛网的固定底座的结构示意图。

图5是本发明智能型好氧堆肥反应器系统中布气筛网的花孔板的结构示意图。

图6是本发明智能型好氧堆肥反应器系统中布气筛网中细滤网的结构示意图。

图7是本发明智能型好氧堆肥反应器系统中布气、布水平台结构的主视图。

图8是本发明专利智能型好氧堆肥反应器系统中布气布水平台的俯视图。

图9是本发明智能型好氧堆肥反应器系统的总体结构示意图。

图中各标记如下：1电机、2减速机、3联轴器、4电机机架、5进料口、6保温层、7取样口、8搅拌轴、9搅拌桨叶、10支腿、11支撑底座、12脚轮、13氧浓度传感器、14沥出液收集口、15出料口、16出气口、17温度传感器、18布气筛网、19进气口、20快装接头Ⅰ、21手动球阀Ⅰ、22雾化喷头、23补水口、24手动球阀Ⅱ、25快装接头Ⅱ、26气体温度传感器、27，37不锈钢管、28快装盲板、29固定座、30手动闸阀、31布气电磁阀、32气体浮子流量计、33脚轮、34自吸式水泵、35气体加热器、36电磁式空气泵、38单向阀、39蓄能器、40压力开关、41压力传感器、42布水电磁阀、43出水管、44出气管、45法兰盘、46螺纹孔、47加强筋、48花孔板、49细滤网、50PLC控制柜、51除湿旋钮、52触摸屏、53急停按钮、54温控仪、55气体无害化处理设备、56尾气口、57采气口、58反应器罐体、59布气布水平台。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。

如图9所示，本发明智能型好氧堆肥反应器系统包括PLC控制系统、反应器罐体58和布气布水平台59。

如图1和图2所示，该反应器罐体58的顶部设有出气口16、补水口23以及进料口5。该反应器罐体58的底部设有沥出液收集口14、进气口19及出料口15。在该反应器罐体底部设有支撑底座11，通过支腿10支撑、固定反应器罐体58。在支撑底座11上安装有带制动功能的脚轮12，可以实现反应器罐体58的移动与固定。反应器罐体58的腔体下部设有一布气筛网18，如图4、图5和图6所示，该布气筛网18分为上、中、下三部分：其底部是支撑用的固定底座，该固定底座外缘结构为一法兰盘45，法兰盘45的环腔焊接有多个加强筋47；其中部为支撑、隔绝堆料用的花孔板48；其上部为布气用的细滤网49，该布气筛网18将堆料与气体缓冲区隔绝；在固定底座、花孔板48和细滤网49上面均开有螺纹孔46，三者通过螺钉将其紧固、连接。

如图1、图2和图3所示，该反应器罐体58的圆周方向等距离均匀分布有上、中、下3处温度传感器17、3处氧浓度传感器13及3处取样口7。温度传感器17与氧浓度传感器13均通过螺纹连接与反应器罐体58相连，温度传感器17用于采集堆体中心上、中、下3层的温度数据，氧浓度传感器13用于采集堆体中心上、中、下3层的氧浓度数据。取样口7用于采集堆体中心上、中、下3层的样品，以便试验分析用。

如图1和图2所示，该反应器罐体58外壁为双层不锈钢结构，两层不锈钢之间填充有一层30mm的聚氨酯发泡保温材料，该保温层6可以对反应器罐体58内堆料进行良好的保温。

如图1所示，在反应器罐体58内设有沿其轴向延伸的搅拌轴8和安装在搅拌轴8上的搅拌桨叶9，搅拌轴8通过电机1驱动，在电机1与搅拌轴8之间设有减速机2与电机机架4，电机1驱动减速机2转动，经过减速机2减速后，搅拌轴8获得较低的转速，以便得到较大的转矩，从而满足反应器的搅拌要求。本反应器系统共设置6片搅拌桨叶9，6片搅拌桨叶9分别等距离安装在搅拌轴8为上、中、下3层位置。每层分别设置2个搅拌桨叶9。每层搅拌桨叶9与相邻层的搅拌桨叶9之间的角度为60度。搅拌桨叶9的长短可以设置成不一致，以满足不同堆料的搅拌需要。启动电机1后，搅拌系统能同时、不同角度地对堆料进行翻转，大大增加堆料的好氧面积，改善通气性，并且使堆料充分混合均匀。

如图9所示，PLC控制系统包括PLC控制柜50、触摸屏52、除湿旋钮51、温控仪54及控制柜内部的各种控制单元模块。所有针对该好氧堆肥反应器系统的相关监控、操作功能均在触摸屏52上完成，同时该触摸屏52还可以实现对堆肥过程中相关物理数据的实时在线获取。除湿旋钮51用以调节控制柜内部的加热器，避免内部各个电子元器件受潮失效。温控仪54则用于控制布气系统的气体加热温度。

其中布气布水平台59包含有一套可控温式布气系统与一套恒压布水系统，如图7和图8所示，可控温式布气系统依由一条布气主干路与三条布气支路组成，每一条布气支路与另外两条布气支路互斥，即气体只能由其中一条布气支路中通过。每条布气支路依次由用不锈钢管27与快装盲板28连接的手动闸阀30、布气电磁阀31和气体浮子式流量计32组成，且通过固定座29进行固定。每一路布气支路的手动闸阀30的开度大小不同，通过调节手动闸阀30的开度大小进而调节通过该布气支路的气体流量。通过选择不同布气支路上布气电磁阀31的开与关来控制不同布气支路的通与断。由此，通过选择不同布气支路的通与断来实现布气管路中气体流量大小的调节，以便为不同的堆肥时期提供不同的通气量。这种布气模式既保证了堆料可以发酵充分，同时也避免了堆料过多热量的损失。其中的布气系统在靠近电磁式空气泵36处安装有气体加热器35，该气体加热器35用以加热布气管路中的气体，提高进气温度。该气体加热器35与气体温度传感器26、温控仪54相互连接在一起构成气体温度控制系统。通过气体温度传感器26监测气体温度信号，然后将采集到的温度数据传递给温控仪54，通过温控仪54控制气体加热器35的工作状态，具体的加热温度通过温控仪54来设定。

恒压布水系统依次由不锈钢管37与快装盲板28连接的自吸式水泵34、单向阀38、蓄能器39、压力开关40、压力传感器41、布水电磁阀42及出水管43组成。水由自吸式水泵34进入布水管路中，再经过单向阀38进入蓄能器39，当蓄能器39中的水压达到压力开关40的设定压力时，压力开关40自动切断自吸式水泵34的工作状态，当蓄能器39中的水压低于压力开关40的设定压力时，压力开关40自动接头自吸式水泵34的工作状态，确保蓄能器39中的水压始终保持恒定，蓄能器39上的压力传感器41可以实时监控蓄能器39内的实际水压，并在触摸屏52上进行显示，方便实验人员对布水系统的动态掌握，控制系统根据设定程序选择是否启动布水电磁阀(42)，进而选择是否执行布水功能。

下面对本发明的工作原理进行描述：

本发明进行好氧堆肥模拟时，包括以下步骤:

1）分别对选用的堆肥原料和辅料进行基本理化指标的测定分析，根据试验设计或生产需求，进行堆肥原料配比。

2）将堆肥初始物料混合好后，将其通过进料口5装入所述的反应器罐体58中，当堆料加至距离反应器罐体58内顶部5～10厘米处，停止加料。

3）工作人员接通控制系统主开关电源，并在触摸屏52上输入操作密码，对本次堆肥试验反应器系统参数及堆肥工艺参数进行设定。该控制系统运行模式包含手动运行模式、一元反馈自动运行模式及二元反馈自动运行模式。根据不同的试验需求选择不同的运行模式，下面以二元反馈自动运行模式为例介绍系统的运行方案。

4）二元反馈自动运行模式下分为低温供氧区间、中温供氧区间、高温供氧区间和高温降温区间。首先对二元反馈自动运行模式下的温度区间范围进行设定，例如：设定低温供氧区间的温度范围为15～35℃，中温供氧的温度范围为35～50℃，高温供氧下的温度范围为50～70℃，高温降温区间下的温度范围为70～80℃。

5）然后对不同温度区间下的布气模式进行设定，例如：低温供氧区间下的布气流量为0.5L/min，单次运行时间10min,布气次数为3次；中温供氧区间下的布气流量为0.75L/min，单次运行时间15min，布气次数为4次；高温供氧区间下的布气流量为1L/min，单次运行时间20min，布气次数为5次；高温降温区间下的布气流量为1L/min，布气时间为持续运行，直至温度回归至设定温度范围内；实际堆肥试验工艺参数设定不限于此。不同供氧区间下搅拌系统的运行时间、搅拌转速、搅拌系统的工作状态及布气加热的工作状态均为变量参数，需根据实际堆肥试验的需求进行设定。

6）最后再对该反应器系统的各个系统参数进行设定，其中包含报警参数设定、供氧区间范围设定、数据采集周期设定、各个传感器量程参数设定、试验批次设定、搅拌转速范围设定等，各个系统参数需根据实际堆肥试验的需求进行设定。

7）完成反应器系统参数设定及堆肥试验工艺参数设定以后，实验人员再在触摸屏(52)上触发“启动二元反馈自动运行模式”按键，反应器系统启动工作。

8）反应器系统启动工作后，温度传感器将采集到的温度数据进行比对、分析，通过将采集到的温度数据最小值与所设温度区间范围进行比较，决定执行相应温度区间下的布气模式。然后氧浓度传感器将采集到的氧浓度数据进行比对、分析，通过对采集到的氧浓度数据最小值与所设供氧区间范围进行比较，决定是否执行布气动作。反应器系统的其他执行单元根据实际堆肥试验各个参数的设定来选择是否执行相应动作。

在堆肥的初始阶段，原始堆料的初始温度较低，二元反馈自动运行模式处于低温供氧区间。在该供氧区间下，控制系统通过延长搅拌系统的运转时间来控制布气系统的流量及布气时间，同时提高布气温度，由此避免了堆料热量的过多损失，确保堆料的快速升温。堆肥初期，堆体的温度迅速上升到50℃，二元反馈自动运行模式进入到高温供氧区间。在高温供氧区间下，微生物对氧气的需求量较高，且堆料在高温发酵过程中产生大量的水分。为了加快堆料水分的蒸发，确保堆料温度可以维持在65℃左右，应适时提高布气流量及布气系统的运行工作时间，同时加大搅拌系统的运行转速及运行工作时间，增大堆料与空气的接触面积，使堆料发酵充分，混合均匀。当堆肥反应逐渐变缓慢时，堆肥的温度也逐渐降低，二元反馈自动运行模式根据实时温度选择不同的布气及搅拌方式，保证堆肥的最终腐熟。

该智能型好氧堆肥反应器系统不仅可以根据采集的温度数据、氧浓度数据进行时间控制，也可以人为根据温度数据及氧浓度数据，采取可选的控制方式，但不限于上述控制工艺。

Claims (10)

1.一种智能型好氧堆肥反应器系统，其特征在于：所述反应器系统包括反应器罐体、PLC控制系统、布气系统和布水系统；

所述反应器罐体的顶部设有进料口、出气口和补水口，所述补水口与所述布水系统相连接；所述反应器罐体的底部设有沥出液收集口；所述反应器罐体的下部设有出料口和进气口，所述进气口与所述布气系统相连接；所述应器罐体内设有一沿其径向布置的布气筛网，所述布气筛网与所述反应器罐体的底部之间形成气体缓冲区；所述出料口和所述进气口分别设于所述布气筛网的上部和下部；

所述反应器罐体上设有温度传感器、氧浓度传感器和取样口；所述温度传感器和所述氧浓度传感器均与所述PLC控制系统相连接；

所述反应器罐体内设有沿其轴向延伸的搅拌轴，所述搅拌轴上设有搅拌桨叶；

所述布气系统和所述布水系统均与所述PLC控制系统相连接。

2.根据权利要求1所述的反应器系统，其特征在于：所述温度传感器、所述氧浓度传感器和所述取样口沿所述反应器罐体的圆周方向均匀布置；

所述反应器系统包括3个沿所述反应器罐体的轴向均匀布置的所述温度传感器；

所述反应器系统包括3个沿所述反应器罐体的轴向均匀布置的所述氧浓度传感器；

所述反应器系统包括3个沿所述反应器罐体的轴向均匀布置的所述取样口。

3.根据权利要求1或2所述的反应器系统，其特征在于：所述进气口依次与手动球阀Ⅰ和快装接头Ⅰ相连接；

所述补水口依次与手动球阀Ⅱ和快装接头Ⅱ相连接，所述补水口延伸至所述反应器罐体的内部，且与一雾化喷头相连接，所述雾化喷头与竖直平面呈30℃角；

所述出气口与两条出气管路相连接。

4.根据权利要求3所述的反应器系统，其特征在于：1条所述出气管路与气体无害化处理设备相连接，另1条所述出气管路与气体采集和分析设备相连接。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的反应器系统，其特征在于：所述反应器罐体通过支腿固定于支撑底座上；

所述支撑底座的下表面上设有带制动功能的脚轮；

所述反应器罐体的外壁为双层保温结构。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的反应器系统，其特征在于：所述搅拌轴由电机驱动，所述电机与所述搅拌轴之间设有减速机；

所述搅拌轴上设有3层所述搅拌桨叶。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的反应器系统，其特征在于：由下至上，所述布气筛网包括依次叠加的法兰盘、花孔板和细滤网；

所述法兰盘的环腔内设有若干个加强筋；

所述法兰盘、所述花孔板与所述细滤网之间均通过螺钉连接。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的反应器系统，其特征在于：所述布气系统为可控温式布气系统；

所述可控温式布气系统包括1条布气主干路和与所述布气主干路相连通的3条布气支路；

所述布气主干路上依次设有电磁阀式空气泵、气体加热器和气体温度传感器，所述气体加热器和所述气体温度传感器均与所述PLC控制系统相连接；

所述布气支路上依次设有手动闸阀、布气电磁阀和气体浮子式流量计。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的反应器系统，其特征在于：所述布水系统为恒压布水系统；

所述恒压布水系统包括依次连接的自吸式水泵、单向阀、蓄能器和布水电磁阀，所述蓄能器上设有压力开关和压力传感器；

当所述蓄能器中的水压达到所述压力开关的设定压力时，所述压力开关自动切断所述自吸式水泵；

当所述蓄能器中的水压低于所述压力开关的设定压力时，所述压力开关自动接头所述自吸式水泵。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的反应器系统，其特征在于：所述布气系统和所述布水系统均设于布气布水平台上。

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