CN107716522B - 一种好氧发酵装置及采用此装置的好氧发酵系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种好氧发酵装置，包括罐体、顶部冷凝结构、底部支承结构和热交换结构，热交换结构包括换热层、第一换气层和第二换气层；第一换气层和第二换气层上均设有通气孔，罐体的内壁和换热层之间形成循环水浴腔，换热层和第一换气层之间形成气体交换腔，第二换气层的内壁形成物料发酵腔。应用本发明技术方案，效果是：满足尽可能小的好氧发酵空间需求；能实现温度调控以物料核心区域温度变化为导向的实时动态调控，充分体现不同物料的好氧发酵行为特征，大幅降低物料调配过程对于体积规模和外界环境温度条件的依赖，有助于提升好氧发酵实验测试阶段的运行效率及标准化水平。本发明还公开一种包含上述好氧发酵装置的系统，实用性强。

Description

一种好氧发酵装置及采用此装置的好氧发酵系统

技术领域

本发明涉及有机固体废物的处理及资源化技术领域，特别地，涉及一种好氧发酵装置及采用此装置的好氧发酵系统。

背景技术

近年来，随着我国社会经济的高速发展，人民生活水平的提升，以及城市化进程的推进，市政污泥、餐厨垃圾、禽畜粪便、农林剩余物等高有机质含量的固体废物产量也在不断增加。大体量的有机固体废物极不稳定，若处置不当会直接释放有害气体污染周边空气，同时产生的渗沥液也会对水体、土壤等造成二次污染，严重威胁生态环境和居民健康。

好氧发酵技术是在有氧条件下以有机固体废物为主要底物，通过大量微生物的降解过程，实现其稳定化和无害化，并转化为适于土壤改良提质的物料，其很大程度上实现了有机固体废物中营养物质和有机组分的回收，是典型的资源化处置方式之一。有机固体废物的来源复杂而且性质多变，包括具体的粒子尺寸、材料水分、营养物质类型、分子大小、复杂性，以及物料整体的C/N、含水率、孔隙分布等，其决定了好氧发酵过程的可行性。因此，好氧发酵物料调配优化是提升系统运行效率及稳定性的基础。另一方面，在微生物氧化降解混合有机物的过程中，仅有40-50％的化学能可以被微生物利用，剩余的都会转换为热能形式，并进一步对物料微生物活性、系统运行效率及产品卫生质量等产生影响。因此，好氧发酵温度调控是过程控制的关键参数。根据不同底物类型及各地气候，普遍认为15-20℃及1.0m³左右分别是物料好氧发酵的起始临界温度和体积。

在实际操作中，好氧发酵系统物料调配具有多样品组及频繁运行的需求。但是，受场地规模及操作可行性等条件限制，好氧发酵的物料通常需要面对体积偏小，散热过快或环境温度偏低导致的启动过程缓慢运行周期长等一系列的问题。目前，温度调控大多采用包覆保温材料、水浴加热或是直接通入热空气。上述外部辅助措施对固体废物好氧发酵行为产生了较大程度的影响，甚至成为了系统正常启动及运行的前提。而物料内部理化性质对好氧发酵行为的影响被进一步弱化，导致物料调配差异难以在好氧发酵性能上得到真实的反映。大量有机固体废物好氧发酵的相关研究即使采用了类似的物料调配方案，也因为不同的温度调控、运行方式、外部环境等差异而失去可比性。

因此，设计一种能还原物料好氧发酵核心区域的热质传递过程的好氧发酵装置及系统具有重要意义。

发明内容

本发明提供一种满足尽可能小的好氧发酵空间需求且能还原物料好氧发酵核心区域的热质传递过程的好氧发酵装置，具体技术方案如下：

一种好氧发酵装置，包括罐体、顶部冷凝结构、底部支承结构以及热交换结构，所述罐体的上端和下端分别与所述顶部冷凝结构和底部支承结构可拆卸式连接，且所述罐体的内腔、顶部冷凝结构以及底部支承结构三者形成用于好氧发酵的发酵腔体；

所述热交换结构设置在所述发酵腔体内，且其由所述罐体的内壁朝向所述发酵腔体的中心包括依次并列可拆卸设置的换热层、第一换气层以及第二换气层，所述第一换气层和所述第二换气层上均设有用于气体通过的通气孔；所述罐体的内壁和所述换热层之间形成用于循环水流经的循环水浴腔，所述换热层和所述第一换气层之间形成气体交换腔，所述第二换气层的内壁包围区域形成物料发酵腔；

所述罐体的侧壁上部设有循环水出口管，其侧壁下部设有循环水入口管；所述换热层的侧壁下部设有交换气体入口管，其上部设有交换气体出口管；所述循环水出口管和所述循环水入口管均与所述循环水浴腔连通，所述交换气体入口管和所述交换气体出口管均与所述气体交换腔连通；

所述顶部冷凝结构用于收集好氧发酵过程中产生的水蒸气和排出所形成的冷凝液；所述底部支承结构用于支撑和密封整个好氧发酵装置。

以上技术方案中优选的，交换气体从所述交换气体入口管切向进入所述气体交换腔，循环水从所述循环水入口管切向进入所述循环水浴腔，且所述交换气体和所述循环水两者之间为逆向运动；

通过改变所述第一换气层和所述第二换气层的相对位置，能调整所述第一换气层上的通气孔和所述第二换气层上的通气孔两者相互重叠的面积；

所述第一换气层和第二换气层之间设有起到防物料洒漏作用的防漏层。

以上技术方案中优选的，所述罐体和所述顶部冷凝结构之间以及所述罐体和所述底部支承结构之间均采用法兰连接。

以上技术方案中优选的，所述顶部冷凝结构的内壁为倒置U形结构的弧形面，其包括顶部本体以及设置在所述顶部本体上的工作孔组和冷凝液收集部件；

所述工作孔组包括由所述顶部本体的中心轴线向其外沿依次设置的中心工作孔、梯级工作孔组以及边界工作孔组；

所述冷凝液收集部件包括设置在所述顶部本体内壁下端的冷凝液收集槽以及与所述冷凝液收集槽连通且用于排出冷凝液的冷凝液输出管。

以上技术方案中优选的，所述梯级工作孔组包括两个对称设置的梯形工作孔，所述边界工作孔组包括两个对称设置的边界工作孔，且所述中心工作孔、两个所述梯形工作孔和两个所述边界工作孔五者的中心轴线位于同一竖直面内。

以上技术方案中优选的，所述底部支承结构包括底部支撑本体、烧结通风盘以及底部孔组，所述烧结通风盘可拆卸式或接触式设置在所述底部支撑本体上表面上；所述底部孔组设置在所述底部支撑本体上，其包括外界空气进入的通风进气口、渗滤液输出口以及冷凝液输出口；所述底部支撑本体的上表面上设有渗滤液收集槽，所述渗滤液收集槽和所述渗滤液输出口连通；所述冷凝液输出口与所述冷凝液输出管连通。

以上技术方案中优选的，所述换热层为具有凹凸纹理的导热材质，优选铝材或铝合金材质。

应用本发明的好氧发酵装置，效果是：

1、本发明的好氧发酵装置包括罐体、顶部冷凝结构、底部支承结构以及热交换结构，热交换结构包括依次并列设置的换热层、第一换气层以及第二换气层，可制作成小体积设备，便于实际应用中的安装(占地面积小)或便于用于试验研究，满足尽可能小的好氧发酵空间需求；第一换气层和第二换气层上均设有用于气体通过的通气孔，罐体的内壁和换热层之间形成用于循环水流经的循环水浴腔，换热层和第一换气层之间形成气体交换腔，第二换气层的内壁形成物料发酵腔，且结合：罐体的侧壁上部和下部分别设有循环水出口管和循环水入口管，换热层的侧壁上部和侧壁下部分别设有设有交换气体出口管和交换气体入口管，使得本发明的装置能实现温度调控以物料核心区域温度变化为导向的实时动态调控，充分体现了不同物料的好氧发酵行为特征，大幅降低了物料调配过程对于体积规模和外界环境温度条件的依赖，有助于提升有机固体废物好氧发酵实验测试阶段的运行效率及标准化水平。

2、本发明中通过改变第一换气层和第二换气层的安装位置，能调整第一换气层上的通气孔和第二换气层上的通气孔相互重叠的面积。本发明中内外两层换气层可以通过反向旋转以调整气孔大小甚至完全闭合，实现对交换气体的通路控制，以此模拟不同类型物料或不同层次压实密度的物料孔隙。一部分交换气体将以一定的温度穿过第二换气层与好氧发酵物料接触。同时，两层换气层间之间设置防漏层(此处优选防漏网，如不锈钢网等)，以防止系统运行过程中物料松动洒落进入气体交换腔。

3、罐体和顶部冷凝结构之间以及罐体和底部支承结构之间均采用法兰连接，便于安装和拆卸。顶部冷凝结构的结构设计可以多样化，此处优选其内壁为倒置U形结构的弧形面，主要用于收集好氧发酵过程中产生的水蒸气和排出所形成的冷凝液。所述底部支承结构的结构形式也可以多样化(即采用不同的结构形式)，此处主要用于支撑整个好氧发酵装置的重量、密封形成发酵腔体等以及将整个好氧发酵装置进行固定。

4、本发明中换热层采用具有纹理的高导热材质(此处优选铝材或铝合金材质)，使得循环水与交换气体在换热层两侧逆向流动以实现快速的热交换平衡，更精准地以物料核心区域温度变化为导向进行温度调控，更为真实地体现不同物料的好氧发酵行为特征。

本发明还公开一种好氧发酵系统，具体包括如上述的好氧发酵装置以及分别与所述好氧发酵装置连接的气体交换系统、循环水浴系统、样品采样系统、数据采集控制系统以及废液收集系统；

所述气体交换系统用于提供交换气体和/或通风气体的气源，交换气体进入所述气体交换腔与循环水进行热交换，以保持其温度与物料核心区域温度实时匹配；通风气体通过所述通风进气口进入物料发酵腔内，为好氧发酵过程提供氧气；

所述循环水浴系统用于提供循环水，循环水进入所述循环水浴腔与交换气体进行热交换；

所述样品采样系统用于采集好氧发酵不同阶段及位置的样品，所述样品包括物料、气体、冷凝液以及渗滤液中的至少一种；

所述数据采集控制系统用于采集和监测好氧发酵过程中的控制参数，所述控制参数包括温度、含氧量、相对湿度、压力以及流量中的至少一种；

所述废液收集系统用于收集冷凝液和渗滤液。

以上技术方案中优选的，所述气体交换系统包括气源储备装置、第一流量调节部件、第一温度检测部件、第一压力检测部件、流量控制阀门以及排气头，所述气源储备装置包括压缩空气源或者压缩空气源和模拟气源的组合；

所述交换气体出口管通过第一管道与所述排气头连通，且所述第一管道上设有第一温度检测部件、第一压力检测部件以及流量控制阀门；

所述压缩空气源分别通过第二管道和第三管道分别与所述交换气体入口管和通风进气口连通，所述第二管道和第三管道上均设有第一流量调节部件；或者是，所述模拟气源通过第二管道与所述交换气体入口管联通，所述压缩空气源通过第三管道与所述通风进气口连通，所述第二管道和第三管道上均设有第一流量调节部件；

所述循环水浴系统包括循环水加热器、循环泵、第二流量调节部件以及第二温度检测部件；所述循环水加热器的进水端通过第四管道与所述循环水出口管连通，其出水端通过第五管道与所述循环水入口管连通；所述第二温度检测部件设置在所述第四管道上，用于检测其内部循环水的温度变化情况，所述循环泵和所述第二流量调节部件均设置在所述第五管道上；

所述样品采样系统包括物料采样部件、气体采样部件、渗滤液采样部件以及冷凝液采样部件，所述物料采样部件用于采集所述物料发酵腔内的物料，所述气体采样部件用于采集所述物料发酵腔内的气体，所述物料采样部件和所述气体采样部件均分别与中心工作孔、梯形工作孔和边界工作孔中的至少一个连通；所述渗滤液采样部件用于采集所述物料发酵腔内的渗滤液；所述冷凝液采样部件用于采集所述物料发酵腔内的冷凝液；

所述数据采集控制系统包括控制器、第三温度检测部件、含氧量检测部件、相对湿度检测部件、第二压力检测部件以及第三流量调节部件，所述第三温度检测部件、含氧量检测部件、相对湿度检测部件、第二压力检测部件以及第三流量调节部件分别与中心工作孔、梯形工作孔和边界工作孔中的至少一个连接；所述控制器同时与第一流量调节部件、第一温度检测部件、第一压力检测部件、循环水加热器、第二流量调节部件、第二温度检测部件、第三温度检测部件、含氧量检测部件、相对湿度检测部件、第二压力检测部件以及第三流量调节部件连接；

所述废液收集系统包括冷凝液收集器以及渗滤液收集器，所述冷凝液收集器通过第六管道与所述冷凝液输出口连通，所述渗滤液收集器通过第七管道与所述渗滤液输出口连通，且所述第六管道和所述第七管道上均设有通断阀门。

以上技术方案中优选的，所述控制器还同时与气源储备装置、流量控制阀门、循环泵、物料采样部件、气体采样部件、渗滤液采样部件以及冷凝液采样部件连接；所述控制器为PLC控制器；

还包括循环部件和搅拌部件，所述循环部件包括循环用泵以及循环用管道，所述循环用泵设置在所述循环用管道上且所述循环用管道的两端分别连接所述冷凝液收集器和所述中心工作孔、梯形工作孔以及边界工作孔中的至少一个；所述搅拌部件包括动力源以及搅拌器，所述搅拌器设置在所述物料发酵腔内，且其通过传动轴与设置在所述罐体外侧的动力源连接，所述传动轴贯穿所述中心工作孔设置。

应用本发明的好氧发酵系统，效果是：

1、本发明好氧发酵系统中的温度调控采用了以物料核心区域温度变化为导向的实时动态调控策略，借助孔板通路调控还原不同类型物料或不同层次压实密度的物料孔隙，通过气体交换过程充分模拟了好氧发酵过程物料内部的热质传递行为。

2、本发明好氧发酵系统充分体现了不同物料的好氧发酵行为特征，大幅降低了物料调配过程对于体积规模和外界环境温度条件的依赖，有助于提升有机固体废物好氧发酵实验测试阶段的运行效率及标准化水平。

3、本发明好氧发酵系统的运行方案具有多重选择，配套辅助的指标检测及样品采集配置灵活，对不同类型的物料特征及好氧发酵运行需求具有广泛的适用性。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明实施例1中好氧发酵装置的结构示意图(局部拿掉后的示意图)；

图2是图1拆分开的示意图；

图3是本发明实施例2中好氧发酵系统的示意图；

其中：1、罐体，1.1、循环水出口管，1.2、循环水入口管，1.3、交换气体入口管，1.4、交换气体出口管；

2、顶部冷凝结构，2.1、顶部本体，2.2、顶部孔组，2.21、中心工作孔，2.22、梯级工作孔组，2.23、边界工作孔组，2.3、冷凝液收集部件，2.31、冷凝液收集槽，2.32、冷凝液输出管；

3、底部支承结构，3.1、底部支撑本体，3.11、渗滤液收集槽，3.2、烧结通风盘，3.3、底部孔组，3.31、通风进气口，3.32、渗滤液输出口，3.33、冷凝液输出口；

4、热交换结构，4.1、换热层，4.2、第一换气层，4.3、第二换气层，A、通气孔，B、循环水浴腔，C、气体交换腔，D、物料发酵腔；

5、气体交换系统，5.1、气源储备装置，5.2、第一流量调节部件，5.3、第一温度检测部件，5.4、第一压力检测部件，5.5、流量控制阀门，5.6、排气头，5.7、第一管道，5.8、第二管道，5.9、第三管道；

6、循环水浴系统，6.1、循环水加热器，6.2、循环泵，6.3、第二流量调节部件，6.4、第二温度检测部件，6.5、第四管道，6.6、第五管道；

7、样品采样系统，7.1、物料采样部件，7.2、气体采样部件；

8、数据采集控制系统，8.1、控制器，8.2、第三温度检测部件，8.3、含氧量检测部件，8.4、相对湿度检测部件，8.5、第二压力检测部件，8.6、第三流量调节部件；

9、废液收集系统，9.1、冷凝液收集器，9.2、渗滤液收集器，9.3、第六管道，9.4、第七管道，9.5、通断阀门；

10、冷凝液循环部件，10.1、循环用泵，10.2、循环用管道。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1：

一种好氧发酵装置，详见图1和图2，具体包括罐体1、顶部冷凝结构2、底部支承结构3以及热交换结构4，详情如下：

所述罐体1的上端和所述顶部冷凝结构2可拆卸式连接，上述罐体1的下端与所述底部支承结构3可拆卸式连接(具体是：所述罐体1和所述顶部冷凝结构2之间以及所述罐体1和所述底部支承结构3之间均采用法兰连接)，且所述罐体1的内腔、顶部冷凝结构2以及底部支承结构3三者形成用于好氧发酵的发酵腔体。

所述热交换结构4设置在所述发酵腔体内，且其由所述罐体1的内壁朝向所述发酵腔体1的中心包括依次并列可拆卸设置的换热层4.1、第一换气层4.2以及第二换气层4.3，所述第一换气层4.2(可采用外换气孔板)和所述第二换气层4.3(可采用内换气孔板)上均设有用于气体通过的通气孔A。所述罐体1的内壁和所述换热层4.1之间形成用于循环水流经的循环水浴腔B，所述换热层4.1和所述第一换气层4.2之间形成气体交换腔C，所述第一换气层4.2和第二换气层4.3之间设有起到防物料洒漏作用的防漏层(此处优选为不锈钢防漏网，未图示)，所述第二换气层4.3的内壁包围形成物料发酵腔D。此处优选：所述换热层4.1为具有纹理的导热材质(优选高导热材质，如铝材或铝合金)，便于循环水和交换气体进行热交换；通过改变所述第一换气层4.2和所述第二换气层4.3的安装位置(即改变第一换气层和第二换气层的相对位置)，能调整所述第一换气层4.2上的通气孔A和所述第二换气层4.3上的通气孔A相对重叠的面积，用以真实模拟不同类型物料或不同层次压实密度的物料孔隙。

所述罐体1的侧壁上部设有循环水出口管1.1，其侧壁下部设有循环水入口管1.2；所述换热层4.1的侧壁下部设有交换气体入口管1.3，其侧壁上部设有交换气体出口管1.4；所述循环水出口管1.1和所述循环水入口管1.2均与所述循环水浴腔B连通，所述交换气体入口管1.3和所述交换气体出口管1.4均与所述气体交换腔C连通。此处优选：交换气体从所述交换气体入口管1.3切向进入所述气体交换腔C，循环水从所述循环水入口管1.2切向进入所述循环水浴腔B，且所述交换气体和所述循环水两者之间为逆向运动。罐体外部设置保温材料(未画出)，以减少循环水的热量向外部逸散。

所述顶部冷凝结构2用于收集好氧发酵过程中产生的水蒸气和排出所形成的冷凝液，其结构具体是：所述顶部冷凝结构2的内壁为弧形面(此处优选倒置U形结构的弧形面)，其包括顶部本体2.1以及设置在所述顶部本体2.1上的顶部孔组2.2和冷凝液收集部件2.3；所述顶部孔组2.2包括由所述顶部本体2.1的中心轴线向其外沿依次设置的中心工作孔2.21、梯级工作孔组2.22以及边界工作孔组2.23；所述冷凝液收集部件2.3包括设置在所述顶部本体2.1内壁下端的冷凝液收集槽2.31以及与所述冷凝液收集槽2.31连通且用于排出冷凝液的冷凝液输出管2.32。此处优选：所述梯级工作孔组2.22包括两个对称设置的梯形工作孔，所述边界工作孔组2.23包括两个对称设置的边界工作孔，且所述中心工作孔2.21、两个所述梯形工作孔和两个所述边界工作孔共五个孔的中心轴线位于同一竖直面内。顶部孔组2.2的主要功能包括四个部分：一是为好氧发酵相关指标检测器提供固定；二是为好氧发酵过程的物料气体样品采集提供窗口；三是可以为加装螺旋搅拌装置提供固定；四是可以为冷凝液回流提供入口。

所述底部支承结构3用于支撑和密封整个好氧发酵装置的重量，此处具体是：所述底部支承结构3包括底部支撑本体3.1、烧结通风盘3.2以及底部孔组3.3，所述烧结通风盘3.2可拆卸式或接触式设置在所述底部支撑本体3.1上表面上；所述底部孔组3.3设置在所述底部支撑本体3.1上，其包括外界空气进入的通风进气口3.31、渗滤液输出口3.32以及冷凝液输出口3.33；所述底部支撑本体3.1的上表面上设有渗滤液收集槽3.11，所述渗滤液收集槽3.11和所述渗滤液输出口3.32连通；所述冷凝液输出口3.33与所述冷凝液输出管2.32连通。支撑作用主要是：a、承受好氧发酵装置各部件的重量；b、将整个好氧发酵装置进行固定。密封作用主要是：与其他部件结合形成物料发酵腔、循环水浴腔、气体交换腔等等空间，满足发酵需求。

应用本实施例的好氧发酵装置，具体是：

1、循环水以一定的温度和流量从循环水入口管切向进入循环水浴腔旋转上升并从循环水出口管排出，同时交换气体以一定的流量从交换气体入口管切向进入气体交换腔旋转上升，其中的一部分从交换气体出口管排出。

2、换热层为具有凹凸纹理的高效导热材料，循环水与交换气体在换热层两侧逆向流动以实现快速的热交换平衡。

3、外换气孔板及内换气孔板上规律分布通气孔(可优选圆形气孔)，内外两层可以通过反向旋转(相对位置改变即可)以调整气孔大小甚至完全闭合，实现对交换气体的通路控制，以此模拟不同类型物料或不同层次压实密度的物料孔隙。一部分交换气体将以一定的温度穿过内换气孔板与好氧发酵物料接触。同时，内换气孔板和外换气孔板间设置防漏网夹腔，以防止系统运行过程中物料松动洒落进入气体交换腔。

4、导出的冷凝液有助于好氧发酵过程物料整体的水分平衡，避免上部物料水分蓄积而导致的厌氧环境，或者用以回流补充底部频繁通风形成的过度干燥物料区域。同时，导出的冷凝液可以进一步用于其在好氧发酵全程的产出规律和化学成分特征变化的分析。顶部冷凝结构上端分别设置有1个中心工作孔、2个梯级工作孔和2个边界工作孔。主要功能包括四个部分：一是为好氧发酵相关指标检测器提供固定；二是为好氧发酵过程的物料气体样品采集提供窗口；三是可以为加装螺旋搅拌装置提供固定；四是可以为冷凝液回流提供入口。

5、底部支承结构其内部中心区域设置有一定弧度的烧结通风盘，一方面使布气更为细密均匀，另一方面有利于含水率较高物料的渗滤液汇入设置在周边的渗滤液收集槽，并通过渗滤液输出管导出罐体便于其进一步的分析测试。

实施例2

一种好氧发酵系统，其包括如实施例1所述的好氧发酵装置以及分别与所述好氧发酵装置连接的气体交换系统5、循环水浴系统6、样品采样系统7、数据采集控制系统8以及废液收集系统9，详情如下：

所述气体交换系统5用于提供交换气体和/或通风气体的气源，交换气体进入所述气体交换腔C与循环水进行热交换，以保持其温度与物料核心区域温度实时匹配；通风气体通过所述通风进气口3.31进入物料发酵腔D内，为好氧发酵过程提供氧气。具体结构是：所述气体交换系统5包括气源储备装置5.1、第一流量调节部件5.2、第一温度检测部件5.3、第一压力检测部件5.4、流量控制阀门5.5以及排气头5.6；所述气源储备装置5.1包括压缩空气源；所述交换气体出口管1.4通过第一管道5.7与所述排气头5.6连通，且所述第一管道5.7上设有第一温度检测部件5.3、第一压力检测部件5.4以及流量控制阀门5.5；所述压缩空气源分别通过第二管道5.8和第三管道5.9分别与所述交换气体入口管1.3和通风进气口3.31连通，所述第二管道5.8和第三管道5.9上均设有第一流量调节部件5.2。在交换气体出口管设置第一温度检测部件5.3以监测交换气体热平衡后的温度变化情况，而第一压力检测部件5.4、流量控制阀门5.5以及排气头5.6的组合用以调整交换气体腔与物料发酵腔D的气压平衡。此处还可以采用压缩空气源和模拟气源的组合设计(图3中的模拟气源采用虚线示意，表明是可选方案)，如：所述模拟气源通过第二管道5.8与所述交换气体入口管1.3联通，所述压缩空气源通过第三管道5.9与所述通风进气口3.31连通，所述第二管道5.8和第三管道5.9上均设有第一流量调节部件5.2。模拟气源可以是含氧气源等根据实际需求选择的气源。

所述循环水浴系统6用于提供循环水，循环水进入所述循环水浴腔B与气体进行热交换，具体结构是：循环水浴系统6包括循环水加热器6.1、循环泵6.2、第二流量调节部件6.3以及第二温度检测部件6.4；所述循环水加热器6.1的进水端通过第四管道6.5与所述循环水出口管1.1连通，其出水端通过第五管道6.6与所述循环水入口管1.2连通；所述第二温度检测部件6.4设置在所述第四管道6.5上，用于检测其内部循环水的温度变化情况；所述循环泵6.2和所述第二流量调节部件6.3均设置在所述第五管道6.6上，用于为循环水的循环提供动力以及调整循环水的流量。循环水加热器6.1的温度设定以控制器反馈的物料核心区域实时温度为准。完成温度调控的循环水以一定的流量被循环泵泵入循环水浴腔与气体进行热交换。

所述样品采样系统7用于采集好氧发酵不同阶段及位置的样品，所述样品包括物料、气体、冷凝液以及渗滤液中的至少一种，具体结构是：所述样品采样系统7包括物料采样部件7.1、气体采样部件7.2、渗滤液采样部件以及冷凝液采样部件，所述物料采样部件7.1用于采集所述物料发酵腔D内的物料；所述气体采样部件7.2用于采集所述物料发酵腔D内的气体，分别与中心工作孔2.21、梯形工作孔和边界工作孔连通；所述渗滤液采样部件用于采集所述物料发酵腔D内的渗滤液；所述冷凝液采样部件用于采集所述物料发酵腔D内的冷凝液。物料采样部件7.1主要对好氧发酵不同阶段及位置的物料进行采集并用于进一步的理化性质检测分析。气体采样部件7.2主要用于物料好氧发酵过程有毒有害气体的采集及其释放行为的分析。渗滤液采样部件主要用于好氧发酵物料水分的沥出量及其所含污染物质的检测分析。冷凝液采样部件主要用于好氧发酵过程物料温度变化及水分蒸发特点的分析。

所述数据采集控制系统8用于采集和监测好氧发酵过程中的控制参数，所述控制参数包括温度、含氧量、相对湿度、压力以及流量中的至少一种，具体结构是：所述数据采集控制系统8包括控制器8.1、第三温度检测部件8.2、含氧量检测部件8.3、相对湿度检测部件8.4、第二压力检测部件8.5以及第三流量调节部件8.6。所述第三温度检测部件8.2、含氧量检测部件8.3、相对湿度检测部件8.4、第二压力检测部件8.5以及第三流量调节部件8.6分别与中心工作孔、梯形工作孔和边界工作孔中的至少一个连接(可根据实际研究采用单个检测部件与单个工作孔连接或者同时与多个工作孔连接)。第三温度检测部件8.2、含氧量检测部件8.3及相对湿度检测部件8.4用以实时监测好氧发酵物料相关指标在空间及时间上的分布和变化规律，第二压力检测部件8.5和第三流量调节部件8.6用以显示物料发酵空间的空气压力及排放流量，上述各项监测结果记录于控制器中。

所述废液收集系统9用于收集冷凝液和渗滤液，具体结构是：所述废液收集系统9包括冷凝液收集器9.1以及渗滤液收集器9.2，所述冷凝液收集器9.1通过第六管道9.3与所述冷凝液输出口3.33连通，渗滤液收集器9.2通过第七管道9.4与所述渗滤液输出口3.32连通，且所述第六管道9.3和所述第七管道9.4上均设有通断阀门9.5。

此处优选所述控制器同时与第一流量调节部件5.2、第一温度检测部件5.3、第一压力检测部件5.4、循环水加热器6.1、第二流量调节部件6.3、第二温度检测部件6.4、第三温度检测部件8.2、含氧量检测部件8.3、相对湿度检测部件8.4、第二压力检测部件8.5以及第三流量调节部件8.6连接。还可以根据实际情况采用如下方案：控制器同时与气源储备装置5.1、第一流量调节部件5.2、第一温度检测部件5.3、第一压力检测部件5.4、流量控制阀门5.5、循环水加热器6.1、循环泵6.2、第二流量调节部件6.3、第二温度检测部件6.4、物料采样部件7.1、气体采样部件7.2、渗滤液采样部件、冷凝液采样部件、第三温度检测部件8.2、含氧量检测部件8.3、相对湿度检测部件8.4、第二压力检测部件8.5以及第三流量调节部件8.6连接。此处控制器优选PLC控制器，既可以通过显示屏显示相关参数的数据，又可以按需调控相关参数。

为了满足不同的需求，还可以设置冷凝液循环部件10(虚线示意代表为可选方案)和搅拌部件，所述冷凝液循环部件包括循环用泵10.1以及循环用管道10.2，所述循环用泵设置在所述循环用管道上且所述循环用管道的两端分别连接所述冷凝液收集器和所述中心工作孔、梯形工作孔以及边界工作孔中的至少一个；所述搅拌部件包括动力源以及搅拌器，所述搅拌器设置在所述物料发酵腔内，且其通过传动轴与设置在所述罐体外侧的动力源连接，所述传动轴贯穿所述中心工作孔设置。

应用本实施例的好氧发酵系统，以污泥发酵为例，具体发酵方法如下：

(1)物料调配和匀质：

取城市污水处理厂中经重力浓缩及机械脱水后含水率为85％左右的污泥，将其与破碎后直径＜5mm的干燥秸秆及锯末在搅拌机中以150rpm的速度定向匀速搅拌10min，使物料达到匀质效果。最终控制物料整体含水率在55％左右，C/N在25:1左右，且有机质含量＞30％。

(2)好氧发酵装置进料：

将好氧发酵装置的顶部冷凝结构2打开并将罐体1和底部支承结构3固定在一台旋转摇床上，罐体1上端固定一个与罐体口径相当且孔径为5×5mm的过滤筛。开启摇床使过滤筛以100rpm转动，将5kg匀质后的物料缓慢加入过滤筛，辅助旋转摇床筛分后均匀填满罐体1内的物料发酵腔D，避免了手工进料造成的物料层局部挤压及分布不均的问题。

(3)好氧发酵装置安装：

安装顶部冷凝结构2，将2个第三温度检测部件8.2(此处为温度检测器)分别布置于中心工作孔2.21和边界工作孔2.23，检测深度都设置在物料中部的同一层面，用以探明好氧发酵过程物料中心与边界温度场分布规律。将1个含氧量检测部件8.3(具体是含氧量检测器)及1个相对湿度检测部件8.4(具体为相对湿度检测器)分别布置于梯级工作孔2.22，检测深度都设置在物料中部的同一层面，用以检测好氧发酵运行过程物料内部的含氧量及相对湿度变化情况。将1个第二压力检测部件8.5(此处为压力检测器)及1个第三流量调节部件8.6(此处为流量计)布置在同一个边界工作孔3，用以检测物料发酵腔D的气压和气体排出流量，将流量检测器进一步与样品采样系统7串联，用于对好氧发酵排出气体的采集检测分析。通过配套管路将气源储备装置5.1(此处为空气压缩机)、第一流量调节部件5.2(此处为流量计)与交换气体入口管1.3相连接，并进一步将交换气体出口管1.4与第一温度检测部件5.3(此处为温度检测器)、第一压力检测部件5.4(此处为压力检测器)、流量控制阀门5.5及排气头5.6相连接，其与气体交换腔C构建起气体交换系统。通过配套管路将循环水加热器6.1、循环泵6.2、第二流量调节部件6.3(此处为流量计)与循环水入口管1.2相连接，并进一步将循环水出口管1.1与第二温度检测部件6.4(此处为温度检测器)、循环水加热器6.1相连接，其与循环水浴腔B构建起循环水浴系统。通过配套管路将空气压缩机、流量控制器与通风进气口3.31相连接，其与罐体1底部的烧结通风盘3.2形成了好氧发酵的供氧系统。

(4)好氧发酵装置运行：

检测环境温度＞20℃，启动空气压缩机通过流量控制器调节0.5-1L/min的通风量，采用间歇通风策略避免通风过量导致温度下降。数据采集控制系统接收到中心工作孔所设置的温度检测器发出的物料核心温度变化数据，并结合循环水加热器所设置的温度检测器的实时数据，对循环水加热器工作情况发出指令。将空气压缩机气体以通风系统相同间歇操作设置引入气体交换腔，并进一步通过流量控制阀门调控物料发酵腔和气体交换腔的压力平衡。在好氧发酵系统运行过程中，结合实际操作情况对物料温度、相对湿度、含氧量指标进行实时记录，对不同阶段及位置的物料固体样品进行采样分析，将通断阀门9.5开启，分别采集渗滤液及冷凝液，记录不同阶段产出变化规律并用于进一步的检测分析。基于物料整体温度变化情况，结合C/N(碳氮比)、耗氧速率、硝态氮和游离态氨等指标的前后对比判断好氧发酵终点。

应用本发明的好氧发酵系统和方法，温度调控采用了以物料核心区域温度变化为导向的实时动态调控策略；能充分体现了不同物料的好氧发酵行为特征，大幅降低了物料调配过程对于体积规模和外界环境温度条件的依赖，有助于提升有机固体废物好氧发酵实验测试阶段的运行效率及标准化水平；运行方案具有多重选择，配套辅助的指标检测及样品采集配置灵活，对不同类型的物料特征及好氧发酵运行需求具有广泛的适用性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种好氧发酵装置，其特征在于：包括罐体（1）、顶部冷凝结构（2）、底部支承结构（3）以及热交换结构（4），所述罐体（1）的上端和下端分别与所述顶部冷凝结构（2）和所述底部支承结构（3）可拆卸式连接，且所述罐体（1）的内腔、顶部冷凝结构（2）以及底部支承结构（3）三者形成用于好氧发酵的发酵腔体；

所述热交换结构（4）设置在所述发酵腔体内，且其由所述罐体（1）的内壁朝向所述发酵腔体的中心包括依次并列可拆卸设置的换热层（4.1）、第一换气层（4.2）以及第二换气层（4.3），所述第一换气层（4.2）和所述第二换气层（4.3）上均设有用于气体通过的通气孔（A）；所述罐体（1）的内壁和所述换热层（4.1）之间形成用于循环水流经的循环水浴腔（B），所述换热层（4.1）和所述第一换气层（4.2）之间形成气体交换腔（C），所述第二换气层（4.3）的内壁包围区域形成物料发酵腔（D）；

所述罐体（1）的侧壁上部设有循环水出口管（1.1），其侧壁下部设有循环水入口管（1.2）；所述换热层（4.1）的侧壁下部设有交换气体入口管（1.3），其上部设有交换气体出口管（1.4）；所述循环水出口管（1.1）和所述循环水入口管（1.2）均与所述循环水浴腔（B）连通，所述交换气体入口管（1.3）和所述交换气体出口管（1.4）均与所述气体交换腔（C）连通；

交换气体从所述交换气体入口管（1.3）切向进入所述气体交换腔（C），循环水从所述循环水入口管（1.2）切向进入所述循环水浴腔（B），且所述交换气体和所述循环水两者之间为逆向运动；

通过改变所述第一换气层（4.2）和所述第二换气层（4.3）的相对位置，能调整所述第一换气层（4.2）上的通气孔（A）和所述第二换气层（4.3）上的通气孔（A）两者相互重叠的面积；

所述第一换气层（4.2）和第二换气层（4.3）之间设有起到防物料洒漏作用的防漏层；

所述顶部冷凝结构（2）用于收集好氧发酵过程中产生的水蒸气和排出所形成的冷凝液；所述底部支承结构（3）用于支撑和密封整个好氧发酵装置。

2.根据权利要求1所述的好氧发酵装置，其特征在于：所述罐体（1）和所述顶部冷凝结构（2）之间以及所述罐体（1）和底部支承结构（3）之间均采用法兰连接。

3.根据权利要求1-2任意一项所述的好氧发酵装置，其特征在于：所述顶部冷凝结构（2）的内壁为倒置U形结构的弧形面，其包括顶部本体（2.1）以及设置在所述顶部本体（2.1）上的顶部孔组（2.2）和冷凝液收集部件（2.3）；

所述顶部孔组（2.2）包括由所述顶部本体（2.1）的中心轴线向其外沿依次设置的中心工作孔（2.21）、梯级工作孔组（2.22）以及边界工作孔组（2.23）；

所述冷凝液收集部件（2.3）包括设置在所述顶部本体（2.1）内壁下端的冷凝液收集槽（2.31）以及与所述冷凝液收集槽（2.31）连通且用于排出冷凝液的冷凝液输出管（2.32）。

4.根据权利要求3所述的好氧发酵装置，其特征在于：所述梯级工作孔组（2.22）包括两个对称设置的梯形工作孔，所述边界工作孔组（2.23）包括两个对称设置的边界工作孔，且所述中心工作孔（2.21）、两个所述梯形工作孔和两个所述边界工作孔五者的中心轴线位于同一竖直面内。

5.根据权利要求4所述的好氧发酵装置，其特征在于：所述底部支承结构（3）包括底部支撑本体（3.1）、烧结通风盘（3.2）以及底部孔组（3.3），所述烧结通风盘（3.2）可拆卸式或接触式设置在所述底部支撑本体（3.1）上表面上；所述底部孔组（3.3）设置在所述底部支撑本体（3.1）上，其包括外界空气进入的通风进气口（3.31）、渗滤液输出口（3.32）以及冷凝液输出口（3.33）；所述底部支撑本体（3.1）的上表面上设有渗滤液收集槽（3.11），所述渗滤液收集槽（3.11）和所述渗滤液输出口（3.32）连通；所述冷凝液输出口（3.33）与所述冷凝液输出管（2.32）连通。

6.根据权利要求5所述的好氧发酵装置，其特征在于：所述换热层（4.1）为具有凹凸纹理的导热材质，优选铝材或铝合金材质。

7.一种好氧发酵系统，其特征在于：包括如权利要求5或6所述的好氧发酵装置以及分别与所述好氧发酵装置连接的气体交换系统（5）、循环水浴系统（6）、样品采样系统（7）、数据采集控制系统（8）以及废液收集系统（9）；

所述气体交换系统（5）用于提供交换气体和/或通风气体的气源，交换气体进入所述气体交换腔（C）与循环水进行热交换，以保持其温度与物料核心区域温度实时匹配；通风气体通过所述通风进气口（3.31）进入物料发酵腔（D）内，为好氧发酵过程提供氧气；

所述循环水浴系统（6）用于提供循环水，循环水进入所述循环水浴腔（B）与交换气体进行热交换；

所述样品采样系统（7）用于采集好氧发酵不同阶段及位置的样品，所述样品包括物料、气体、冷凝液以及渗滤液中的至少一种；

所述数据采集控制系统（8）用于采集和监测好氧发酵过程中的控制参数，所述控制参数包括温度、含氧量、相对湿度、压力以及流量中的至少一种；

所述废液收集系统（9）用于收集冷凝液和渗滤液。

8.根据权利要求7所述的好氧发酵系统，其特征在于：所述气体交换系统（5）包括气源储备装置（5.1）、第一流量调节部件（5.2）、第一温度检测部件（5.3）、第一压力检测部件（5.4）、流量控制阀门（5.5）以及排气头（5.6），所述气源储备装置（5.1）包括压缩空气源或者压缩空气源和模拟气源的组合；

所述交换气体出口管（1.4）通过第一管道（5.7）与所述排气头（5.6）连通，且所述第一管道（5.7）上设有第一温度检测部件（5.3）、第一压力检测部件（5.4）以及流量控制阀门（5.5）；

所述压缩空气源分别通过第二管道（5.8）和第三管道（5.9）分别与所述交换气体入口管（1.3）和通风进气口（3.31）连通，所述第二管道（5.8）和第三管道（5.9）上均设有第一流量调节部件（5.2）；或者是，所述模拟气源通过第二管道（5.8）与所述交换气体入口管（1.3）联通，所述压缩空气源通过第三管道（5.9）与所述通风进气口（3.31）连通，所述第二管道（5.8）和第三管道（5.9）上均设有第一流量调节部件（5.2）；

所述循环水浴系统（6）包括循环水加热器（6.1）、循环泵（6.2）、第二流量调节部件（6.3）以及第二温度检测部件（6.4）；所述循环水加热器（6.1）的进水端通过第四管道（6.5）与所述循环水出口管（1.1）连通，其出水端通过第五管道（6.6）与所述循环水入口管（1.2）连通；所述第二温度检测部件（6.4）设置在所述第四管道（6.5）上，用于检测其内部循环水的温度变化情况，所述循环泵（6.2）和所述第二流量调节部件（6.3）均设置在所述第五管道（6.6）上；

所述样品采样系统（7）包括物料采样部件（7.1）、气体采样部件（7.2）、渗滤液采样部件以及冷凝液采样部件，所述物料采样部件（7.1）用于采集所述物料发酵腔（D）内的物料，所述气体采样部件（7.2）用于采集所述物料发酵腔（D）内的气体，所述物料采样部件（7.1）和所述气体采样部件（7.2）均分别与中心工作孔（2.21）、梯形工作孔和边界工作孔中的至少一个连通；所述渗滤液采样部件用于采集所述物料发酵腔（D）内的渗滤液；所述冷凝液采样部件用于采集所述物料发酵腔（D）内的冷凝液；

所述数据采集控制系统（8）包括控制器（8.1）、第三温度检测部件（8.2）、含氧量检测部件（8.3）、相对湿度检测部件（8.4）、第二压力检测部件（8.5）以及第三流量调节部件（8.6），所述第三温度检测部件（8.2）、含氧量检测部件（8.3）、相对湿度检测部件（8.4）、第二压力检测部件（8.5）以及第三流量调节部件（8.6）分别与中心工作孔、梯形工作孔和边界工作孔中的至少一个连接；所述控制器同时与第一流量调节部件（5.2）、第一温度检测部件（5.3）、第一压力检测部件（5.4）、循环水加热器（6.1）、第二流量调节部件（6.3）、第二温度检测部件（6.4）、第三温度检测部件（8.2）、含氧量检测部件（8.3）、相对湿度检测部件（8.4）、第二压力检测部件（8.5）以及第三流量调节部件（8.6）连接；

所述废液收集系统（9）包括冷凝液收集器（9.1）以及渗滤液收集器（9.2），所述冷凝液收集器（9.1）通过第六管道（9.3）与所述冷凝液输出口（3.33）连通，所述渗滤液收集器（9.2）通过第七管道（9.4）与所述渗滤液输出口（3.32）连通，且所述第六管道（9.3）和所述第七管道（9.4）上均设有通断阀门（9.5）。

9.根据权利要求7所述的好氧发酵系统，其特征在于：所述控制器还同时与气源储备装置（5.1）、流量控制阀门（5.5）、循环泵（6.2）、物料采样部件（7.1）、气体采样部件（7.2）、渗滤液采样部件以及冷凝液采样部件连接；控制器为PLC控制器；

还包括循环部件和搅拌部件，所述循环部件包括循环用泵以及循环用管道，所述循环用泵设置在所述循环用管道上且所述循环用管道的两端分别连接所述冷凝液收集器和所述中心工作孔、梯形工作孔以及边界工作孔中的至少一个；所述搅拌部件包括动力源以及搅拌器，所述搅拌器设置在所述物料发酵腔内，且其通过传动轴与设置在所述罐体外侧的动力源连接，所述传动轴贯穿所述中心工作孔设置。

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