CN108033856A - 一种利用凤眼莲制备肥料的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种利用凤眼莲制备肥料的装置及方法，该装置包括太阳能供电系统、鼓风系统、前发酵罐体、电动筛分机和后发酵罐体；其中，前发酵罐体的顶部设有进料口和集气口，底部设有出料口，内部设有搅拌装置；前发酵罐体的出料口与电动筛分机的入口之间设有第一级传送带，电动筛分机的出口与后发酵罐体的入口之间设有第二级传送带；鼓风系统用于为前发酵罐体内提供风量可调的空气。该方法通过好氧主发酵和后熟阶段完成凤眼莲的好氧堆肥，凤眼莲与复合菌种、保氮剂、木屑投加比例为：1：(0.005～0.015)：0.8：(0.04～0.1)，有效解决了一次堆肥周期长，效率低的问题。本发明能在短时间、低成本、易操作的条件下得到降解彻底、营养含量丰富、可有效改良土壤的肥料。

Description

一种利用凤眼莲制备肥料的装置及方法
技术领域
本发明属于水污染生态治理及浮水植物资源化利用技术领域，具体涉及一种利用凤眼莲制备肥料的装置及方法。
背景技术
凤眼莲是一种浮水草本植物，原产于巴西，以一种观赏性种群零散分布于水体，其作为花卉引入我国后，作为观赏和净化水质的植物进行广泛种植，但由于其繁殖能力极强，在湖泊、河道内疯长，产生了许多负面影响，如阻断河道、影响航运，影响水体流动，滋生蚊蝇，破坏饮水资源，限制其他水生动、植物的生长。
凤眼莲具有发达的根须系统，对氮、磷、钾、钙等多种元机元素有较强的富集作用，在收割季对凤眼莲进行大量收割后，寻找将凤眼莲资源化的方式得到了越来越多研究者的关注。
在现有凤眼莲处理方式中，较为普遍的方式为直接焚烧或厌氧堆肥生产沼气，但二者都容易对环境造成二次污染，不宜采用。而对于凤眼莲的好氧堆肥，此工艺造价较低，管理运行要求低，堆肥周期短，占地小，不容易产生恶臭、有机酸等，且更加卫生。腐熟的堆肥物料是一种深褐色、质地松散、有泥土味的物质，具有一定植物养分，是一种极好的土壤调理剂和结构改良剂，高品质的产品可农用。
好氧堆肥微生物的作用分为三个过程：(1)发热阶段：:堆肥初期，基本呈中温，嗜中温性微生物较为活跃，这些微生物利用堆肥中最容易分解的有机物质，如淀粉、糖类、脂肪和碳水化合物等迅速繁殖，释放出热量，使堆肥温度不断升高。此阶段常为主发酵前期，常需1-3d。(2)高温阶段：:当堆肥温度上升至50℃以上时，即进入高温阶段。此时嗜中温性微生物受到抑制，嗜热性微生物逐渐发生代替，复杂的有机物开始被强烈分解。堆体超过70℃时，大多数嗜热性微生物已不适应堆肥环境，微生物大量死亡或进入休眠状态。(3)降温和腐熟保肥阶段：经过高温阶段的主发酵，大部分有机物已经得到分解，剩下的是难于分解的有机物以及新形成的腐殖质。这时微生物活性减弱，产热量减少，堆肥温度逐渐下降，嗜中温性微生物又恢复活性，菌群逐渐重复不断的积累，堆肥进入腐熟阶段。好氧堆肥的三个过程分别利用嗜热、嗜中温性微生物等两大类微生物，它们对环境条件的要求比较苛刻、差异很大，对菌种选择、温度、氧气及混合控制过程及要求也很高，这是影响好氧堆肥效果的难点所在。低能耗运行的好氧堆肥装置的研制也是迫切的现实需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用凤眼莲制备肥料的装置及方法，此装置造价较低，管理运行要求低，占地小，不容易产生恶臭、有机酸等，该方法通过使主发酵阶段和后熟阶段分别进行的方式缩短堆肥周期。腐熟的堆肥物料是一种深褐色、质地松散、有泥土味的物质，具有一定植物养分，是一种极好的土壤调理剂和结构改良剂，高品质的产品可农用。
本发明采取如下技术方案予以实现的：
一种利用凤眼莲制备肥料的装置，包括太阳能供电系统、鼓风系统、前发酵罐体、电动筛分机和后发酵罐体；其中，
前发酵罐体的顶部设置有进料口和集气口，底部设置有出料口，内部设置有搅拌装置；
前发酵罐体的出料口与电动筛分机的入口之间设置有第一级传送带，电动筛分机的出口与后发酵罐体的入口之间设置有第二级传送带；
鼓风系统用于为前发酵罐体内提供风量可调的空气，供电系统用于为该装置供电。
本发明进一步的改进在于，前发酵罐体采用柱型结构，周向上覆盖有保温材料；后发酵罐体采用敞口模式，自然送风。
本发明进一步的改进在于，电动筛分机采用震动筛分的工作模式，在电动筛分机高度三分之一处设置筛网，由弹簧固定在四周壁面上；工作时，在顶端进料后，由于物料具有不同粒径，大颗粒物料落在筛网上，小颗粒物料通过筛网落入电动筛分机底部。
本发明进一步的改进在于，搅拌装置为采用中空管道制成的搅拌棒，该搅拌棒包括垂直连接的竖轴和横轴，竖轴上设置有温度传感器，横轴上设置有若干个搅拌桨叶，且搅拌棒与鼓风系统连通。
本发明进一步的改进在于，横轴与纵轴采用法兰连接，搅拌桨叶以法兰连接与搅拌棒的横轴相连，其采用带有曲率的扇形叶片，顶端能够向前发酵罐体中输送由鼓风系统传送的空气。
本发明进一步的改进在于，太阳能供电系统包括太阳能板以及与太阳能板连接的逆变器和储能系统。
本发明进一步的改进在于，鼓风系统包括变频风机和太阳能集热器，其中，变频风机的出风口分为两股，一股通过第一阀门和太阳能集热器与搅拌棒连通，另一股通过第二阀门与搅拌棒连通。
本发明进一步的改进在于，变频风机具有三级送风模式，自第一级送风模式至第三级送风模式，风量依次增大。
一种利用凤眼莲制备肥料的方法，该方法基于上述一种利用凤眼莲制备肥料的装置，包括以下步骤：
1)收割得到凤眼莲，并经过初步的干化、粉碎后，将已经干化、粉碎的凤眼莲与复合菌种、保氮剂和木屑由进料口加入前发酵罐体中，通过搅拌装置搅拌，使其充分混合；
2)1-3d时，为中温阶段，通过鼓风系统向前发酵罐体中输送空气，提供微生物所需的充足氧气；
3)4-10d时，为高温阶段，当前发酵罐体内温度高于65℃时，通过鼓风系统前发酵罐体内带走多余的热量；当前发酵罐体内温度低于50℃时，通过鼓风系统送入空气，并加热空气后送入前发酵罐体中，在送入氧气的同时提升温度；
4)当主发酵阶段完成后，将物料由前发酵罐体的出料口运出，经第一级传送带的运送到达电动筛分机中进行筛分；
5)电动筛分机中小粒径的腐殖质经筛分后落入筛网下方，经第二级传送带送入后发酵罐体进行后熟阶段，降温并腐熟保肥；电动筛分机中大粒径的物质经筛分后遗留在筛网上方，其在主发酵阶段未发酵完全，将其运送至进料口进行重新发酵。
本发明进一步的改进在于，凤眼莲与复合菌种、保氮剂和木屑的投加质量比例为：1：(0.005～0.015)：0.8：(0.04～0.1)；复合菌种包括嗜热性菌种与嗜中温性菌种，其中嗜热性菌种由单孢子菌、嗜热性烟曲霉和枯草芽孢杆菌组成，嗜温性菌种由诺卡菌、橙色嗜热子囊菌、白腐菌和链霉菌组成；保氮剂由氢氧化镁、磷酸和水以3：12：85的质量比例配比而成。
本发明具有如下有益的技术效果：
本发明提供的利用凤眼莲制备肥料的装置，利用太阳能-电能转换，通过逆变器将太阳能供电系统发出的直流电转变为交流电，驱动该堆肥反应器工作，利用搅拌棒、变频风机等提供好氧堆肥所需的适宜条件，将反应物进行堆肥处理，实现了凤眼莲的好氧堆肥，是一种结构简单、运行成本低、处理效率高的凤眼莲好氧堆肥装置。
进一步，发酵过程中主发酵阶段、后熟阶段分别采用两个发酵罐体，此设置可将不同批次的发酵物进行同时发酵，便于提高堆肥效率；前发酵罐体采用保温材料覆盖，避免热量的散失，后发酵罐体采用敞口模式，自然送风，可以在满足后熟阶段需氧量的同时节省能耗。
进一步，电动筛分机采用震动筛分的工作模式，可使在主发酵阶段堆肥反应不够彻底的发酵物滞留在筛网上，通过传送带送入进料口再次进行主发酵阶段，可以有效防止堆肥不彻底的情况发生，提高堆肥产物质量；
进一步，通过搅拌桨叶前端向发酵罐内送风，可使发酵罐内供气均匀；通过数轴上安装的温度传感器，可及时运行或关闭不同的加热设备，经济高效地将气体温度调至适宜水平。
进一步，通过太阳能板、逆变器和储能系统，本堆肥装置利用可再生能源作动力，可不利用外加电能，使堆肥过程更环保、经济、低碳，能充分满足各发酵阶段所必须的条件，在保证堆肥效果的同时尽可能缩短堆肥时间，最大化地提高了堆肥效率。
进一步，变频风机可根据前发酵罐体内对于供气的不同需求对送风量和送风温度进行调整，提高主发酵阶段的堆肥质量，避免因堆肥温度、堆肥所需氧气量不足而影响堆肥效果；
本发明提供的利用凤眼莲制备肥料的方法，根据凤眼莲独特的生长特性而形成的体内物质结构组成与好氧堆肥的物质及能量要求，合理确定凤眼莲与复合菌种、保氮剂、木屑的投加质量比例为：1：(0.005～0.015)：0.8：(0.04～0.1)；复合菌种包括嗜热性菌种与嗜中温性菌种，其中嗜热性菌种由单孢子菌(真菌)、嗜热性烟曲霉(真菌)、枯草芽孢杆菌(细菌)组成，嗜中温性菌种由诺卡菌(细菌)、橙色嗜热子囊菌(真菌)、白腐菌(真菌)、链霉菌(放线菌)组成；保氮剂由氢氧化镁、磷酸、水以3：12：85的质量比例配比而成，以使不同堆肥阶段菌种发挥协同作用，大大减少菌种投加量，并大大提高堆肥效率。
综上所述，本发明具有堆肥质量好、效率高、无污染、无电耗、运行稳定可靠、将凤眼莲充分资源化的优势。此外，本发明结构简单、运行稳定可靠，且对环境无二次污染。
附图说明
图1为本发明利用凤眼莲制备肥料的装置的结构示意图。
图中：1-进料口、2-前发酵罐体、3-搅拌棒、4-搅拌桨叶、5-温度传感器、6-集气口、7-变频风机、8-第一阀门、9-第二阀门、10-太阳能集热器、11-出料口、12-第一级传送带、13-电动筛分机、14-第二级传送带、15-后发酵罐体、16-太阳能板、17-逆变器和储能系统。
具体实施方式
下面结合附图1对本发明进行进一步说明。
如图1所示，本发明提供的利用凤眼莲制备肥料的装置，包括进料口1、前发酵罐体2、搅拌棒3、搅拌桨叶4、温度传感器5、集气口6、变频风机7、第一阀门8、第二阀门9、太阳能集热器10、出料口11、第一级传送带12、电动筛分机13、第二级传送带14、后发酵罐体15、太阳能板16以及逆变器和储能系统17。
其中，物料在前发酵罐体2内经过主发酵阶段后由出料口11经第一传送带12送入电动筛分机13中，主发酵阶段反应完全的物料由第二级传送带14进入后发酵罐体15中。
所述前发酵罐体2的顶部设有进料口1和集气口6，内部设有搅拌棒3，温度传感器5。
所述搅拌棒3包括竖轴与横轴，竖轴上设有温度传感器5，横轴上设有搅拌桨叶4。搅拌棒3连接鼓风系统。
所述鼓风系统由变频风机7连接第一阀门8、第二阀门9和太阳能集热器10组成。
所述反应器中电能由太阳能板16采集光能后经逆变器和储能系统17提供电能。
所述搅拌装置由中空管道材料制成，其中搅拌棒3的竖轴与变频风机7的送风管以法兰连接形式相连并可做旋转运动，横轴与纵轴采用法兰连接形式，搅拌桨叶4以法兰连接形式与搅拌棒3的横轴相连，其采用带有曲率的扇形叶片，顶端可向前发酵罐体2中输送由变频风机7传送的空气。
所述变频风机有三种送风模式，一级送风模式，风量较小；二级送风模式，风量较大；三级送风模式风量最大。所述鼓风系统中由两条路径组成，当空气无需加热时开启第二阀门9进行操作；当空气需要加热时开启第一阀门8进行操作。
所述后发酵罐体15采用敞口模式，自然送风。
所述温度传感器5、变频风机7、第一阀门8和第二阀门9连接总控制板，可由电脑自动操控或人工控制。
本发明提供的利用凤眼莲制备肥料的方法，主发酵阶段主要在前发酵罐体2中完成，具体过程如下：
1)在收割季对于凤眼莲进行收割，并经过初步的干化、粉碎后，将已经干化、粉碎的藻类与复合菌种、过磷酸钙、木屑由进料口1加入前发酵罐体2中，搅拌棒3与搅拌桨叶4旋转搅拌，将其充分混合。
2)1-3d时，为中温阶段，具有活性的微生物较少，且活性低，需少量鼓风，避免带走较多热量，变频风机开启一级送风模式，风量较小，第二阀门9开启，向前发酵罐体2中输送微生物所需的充足氧气。
3)4-10d时，为高温阶段，此时嗜中温性微生物受到抑制，嗜热性微生物开始活动，此时变频风机开启二级送风模式，风量较大；温度传感器5开启，当前发酵罐体2内温度高于65℃时，变频风机开启三级送风模式，风量最大，可带走多余的热量；当前发酵罐体2内温度低于50℃时，变频风机开启二级送风模式，风量较大，同时第二阀门9关闭，第一阀门8开启，空气经过太阳能集热器10加热后送入前发酵罐体2中，在送入氧气的同时提升温度。此装置可保证嗜热性微生物的适宜温度，使主发酵阶段中的高温阶段顺利进行。
4)当主发酵阶段完成后，将物料由前发酵罐体2的出料口11运出，经第一级传送带12的运送到达电动筛分机13中进行筛分。
5)电动筛分机13中小粒径的腐殖质经筛分后落入筛网下方，经第二级传送带14送入后发酵罐体15进行后熟阶段，降温并腐熟保肥，此时中温性微生物又恢复活性，且无需大量氧气，可采用敞口发酵的形式；电动筛分机13中大粒径的物质经筛分后遗留在筛网上方，其在主发酵阶段未发酵完全，需运送至进料口1进行重新发酵。
所述复合菌种包括嗜热性菌种与嗜中温性菌种，其中嗜热性菌种由单孢子菌(真菌)、嗜热性烟曲霉(真菌)、枯草芽孢杆菌(细菌)组成，嗜中温性菌种由诺卡菌(细菌)、橙色嗜热子囊菌(真菌)、白腐菌(真菌)、链霉菌(放线菌)组成，当温度到达其相应的适宜温度时，菌种即开始发挥作用，且协同作用使所加菌量大大减少，且效率大大提高。
所述保氮剂所发挥的作用为：防止高温时损失大量氮元素，使堆肥产物肥效减弱。
所述木屑作为发酵膨胀剂、水分调节剂、营养调节剂，使物料与氧气的接触面积增大，吸收多余的水分，并使堆肥原材料达到堆肥适宜的碳氮比。
所述装置中通过对于发酵过程中主发酵阶段、后熟阶段分别采用两个发酵罐进行的设置，便于提高堆肥效率；通过变频风机的设置，可根据前发酵罐体内对于供气的不同需求进行调整，提高主发酵阶段的堆肥质量，避免因堆肥温度、堆肥所需氧气不足而影响堆肥效果；通过搅拌桨叶前端向发酵罐内送风的设置，便于使发酵罐内供气均匀；通过电动筛分机的设置，便于使堆肥更加彻底，提高产物质量；通过太阳能板、逆变器和储能系统的设置，使堆肥过程更环保、经济。综上所述，该装置具有堆肥质量好、效率高、无污染、运行稳定可靠、将凤眼莲充分资源化的优势，值得进一步的使用与推广。

Claims (10)

1.一种利用凤眼莲制备肥料的装置，其特征在于，包括太阳能供电系统、鼓风系统、前发酵罐体(2)、电动筛分机(13)和后发酵罐体(15)；其中，
前发酵罐体(2)的顶部设置有进料口(1)和集气口(6)，底部设置有出料口(11)，内部设置有搅拌装置；
前发酵罐体(2)的出料口(11)与电动筛分机(13)的入口之间设置有第一级传送带(12)，电动筛分机(13)的出口与后发酵罐体(15)的入口之间设置有第二级传送带(15)；
鼓风系统用于为前发酵罐体(2)内提供风量可调的空气，供电系统用于为该装置供电。
2.根据权利要求1所述的一种利用凤眼莲制备肥料的装置，其特征在于，前发酵罐体(2)采用柱型结构，周向上覆盖有保温材料；后发酵罐体(15)采用敞口模式，自然送风。
3.根据权利要求1所述的一种利用凤眼莲制备肥料的装置，其特征在于，电动筛分机(13)采用震动筛分的工作模式，在电动筛分机高度三分之一处设置筛网，由弹簧固定在四周壁面上；工作时，在顶端进料后，由于物料具有不同粒径，大颗粒物料落在筛网上，小颗粒物料通过筛网落入电动筛分机(13)底部。
4.根据权利要求1所述的一种利用凤眼莲制备肥料的装置，其特征在于，搅拌装置为采用中空管道制成的搅拌棒(3)，该搅拌棒(3)包括垂直连接的竖轴和横轴，竖轴上设置有温度传感器(5)，横轴上设置有若干个搅拌桨叶(4)，且搅拌棒(3)与鼓风系统连通。
5.根据权利要求4所述的一种利用凤眼莲制备肥料的装置，其特征在于，横轴与纵轴采用法兰连接，搅拌桨叶(4)以法兰连接与搅拌棒(3)的横轴相连，其采用带有曲率的扇形叶片，顶端能够向前发酵罐体(2)中输送由鼓风系统传送的空气。
6.根据权利要求5所述的一种利用凤眼莲制备肥料的装置，其特征在于，太阳能供电系统包括太阳能板(16)以及与太阳能板(16)连接的逆变器和储能系统(17)。
7.根据权利要求6所述的一种利用凤眼莲制备肥料的装置，其特征在于，鼓风系统包括变频风机(7)和太阳能集热器(10)，其中，变频风机(7)的出风口分为两股，一股通过第一阀门(8)和太阳能集热器(10)与搅拌棒(3)连通，另一股通过第二阀门(9)与搅拌棒(3)连通。
8.根据权利要求7所述的一种利用凤眼莲制备肥料的装置，其特征在于，变频风机(7)具有三级送风模式，自第一级送风模式至第三级送风模式，风量依次增大。
9.一种利用凤眼莲制备肥料的方法，其特征在于，该方法基于权利要求1至8中任一项所述的一种利用凤眼莲制备肥料的装置，包括以下步骤：
1)收割得到凤眼莲，并经过初步的干化、粉碎后，将已经干化、粉碎的凤眼莲与复合菌种、保氮剂和木屑由进料口(1)加入前发酵罐体(2)中，通过搅拌装置搅拌，使其充分混合；
2)1-3d时，为中温阶段，通过鼓风系统向前发酵罐体(2)中输送空气，提供微生物所需的充足氧气；
3)4-10d时，为高温阶段，当前发酵罐体(2)内温度高于65℃时，通过鼓风系统前发酵罐体(2)内带走多余的热量；当前发酵罐体(2)内温度低于50℃时，通过鼓风系统送入空气，并加热空气后送入前发酵罐体(2)中，在送入氧气的同时提升温度；
4)当主发酵阶段完成后，将物料由前发酵罐体(2)的出料口(11)运出，经第一级传送带(12)的运送到达电动筛分机(13)中进行筛分；
5)电动筛分机(13)中小粒径的腐殖质经筛分后落入筛网下方，经第二级传送带(14)送入后发酵罐体(15)进行后熟阶段，降温并腐熟保肥；电动筛分机(13)中大粒径的物质经筛分后遗留在筛网上方，其在主发酵阶段未发酵完全，将其运送至进料口(1)进行重新发酵。
10.根据权利要求1所述的一种利用凤眼莲制备肥料的方法，其特征在于，凤眼莲与复合菌种、保氮剂和木屑的投加质量比例为：1：(0.005～0.015)：0.8：(0.04～0.1)；复合菌种包括嗜热性菌种与嗜中温性菌种，其中嗜热性菌种由单孢子菌、嗜热性烟曲霉和枯草芽孢杆菌组成，嗜温性菌种由诺卡菌、橙色嗜热子囊菌、白腐菌和链霉菌组成；保氮剂由氢氧化镁、磷酸和水以3：12：85的质量比例配比而成。
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