CN111499439A - 一种微型智能控温堆肥反应器 - Google Patents

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丁国春
陈彦廷
詹亚斌
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Abstract

本发明公开了一种微型智能控温堆肥反应器，包括外部水浴箱，箱壁开设进、出水口；内部反应器，所述内部反应器包括反应桶和桶顶，反应桶为上口敞开、双层侧壁结构，内外壁之间形成储水间隙，所述储水间隙底部设有排水口；桶顶为圆台结构，其底部边缘与反应桶外层侧壁的上口拼接，所述桶顶设置顶部感应器插口及采集接入口均由桶内延伸出外部水浴箱，所述反应桶的侧壁设置侧部感应器插口；搅拌装置，设于内部反应器内；曝气装置，设于内部反应器底部。本设备在使物料均匀反应的同时，不仅可以准确的控制物料反应温度，最大程度避免堆体热量散失，营造自然堆肥条件，而且还可以对反应参数进行全方位的测量使测得数据更加精准可靠。

Description

一种微型智能控温堆肥反应器
技术领域
本发明涉及肥料制备技术领域，尤其是涉及一种微型智能控温堆肥反应器。
背景技术
随着人口的增加与经济的增长，生活垃圾等有机固体废物的产量也与日剧增。堆肥化处理作为固体废弃物资源化利用的一种方式，逐渐被国内外所重视。好氧堆肥是由微生物群落驱动的好氧发酵过程，能将有机废弃物分解成稳定的物质，利用好氧堆肥技术产生有机肥，可以促进营养资源的安全无污染回收及利用。
从物质回收和资源化的角度来讲，采用堆肥化方法处理粪便、有机生活垃圾等有机固体废物是符合循环经济理念的良好手段。因此，关于好氧堆肥资源换利用方面的研究逐渐广泛深入。有机固体废弃物堆肥研究时要求堆肥实验具备精准调控、重复性较好的特性，但由于经济性、臭味控制和场地等因素的制约，大型反应器、强制通风静态垛和条垛堆肥系统受到了极大的限制，适于实验重复操作简便的小容量堆肥系统应运而生。
国内外通常基于反应器进行好氧堆肥的研究，并且研究者经常选择在小型实验室规模的反应器上进行实验，相较于全规模的生产性实验，其使用相对少量的材料和资源，不易造成资源的浪费。反应器式堆肥可以通过控制温度、水分、通风量等来控制堆肥过程，不仅避免了全规模堆肥实验昂贵且难以控制、温度环境不同带来的实验结果差异、重复困难等不利条件，还能最大限度缩小反应时间。
用于堆肥实验反应器设备通常为100L-500L较大的容积，它们受困于外界环境温度的影响，通过外部加热的方式减缓堆肥与外部环境的热交换，大致分为温度-时间双因素反馈控制和恒温控制。这样的控制方式无法将堆肥反应器的容积进一步进行缩小，不能有效做到多反应器同时发酵，减少系统误差的目的，不便于进行实验室堆肥研究。
对于现有技术的堆肥反应器存在的缺陷可以总结为：
1.现有堆肥设备体积过大，不便于实验操作，进行实验重复；
2.外部恒温加热，向堆体输入热量，不能直接反应自然堆肥条件下堆肥进程的变化；
3.现有电热加热方式可能导致反应器局部受热不均匀；
4.控制不灵活，无法根据不同实验条件进行设置工艺；
5.现有堆肥设备没有冷凝水收集，可能造成局部厌氧；
6.不能将堆肥数据记录在PC端进行实施调取、分析；
7.部分设备存在曝气不均匀的情况，部分设备物料经常会堵住曝气孔。
发明内容
发明目的：为了克服背景技术的不足，本发明公开了一种微型智能控温堆肥反应器，实现物料均匀控温反应的同时，便于内部物料的采集、微生物的接种以及内部反应数据的多方位采集。
技术方案：本发明的微型智能控温堆肥反应器，包括：
外部水浴箱，箱壁开设进、出水口；
内部反应器，所述内部反应器包括：
反应桶，所述反应桶为上口敞开、双层侧壁结构，内外壁之间形成储水间隙，所述储水间隙底部设有排水口；
桶顶，所述桶顶为圆台结构，其底部边缘与反应桶外层侧壁的上口拼接，所述桶顶设置顶部感应器插口及采集接入口均由桶内延伸出外部水浴箱，所述反应桶的侧壁设置侧部感应器插口；
搅拌装置，所述搅拌装置设于内部反应器内；
曝气装置，所述曝气装置设于内部反应器底部。
使用时，将内部反应器固定于外部水浴箱底部，在反应器的侧部和顶部插入所需要测量参数对应的感应器，将曝气装置与曝气电机连接，完成反应器组装；物料通过反应桶口进入反应桶，盖好盖子形成反应仓密封；打开进水口，使水充满外部水浴箱，设置堆肥工艺参数开设堆肥，搅拌装置和曝气装置工作；在不同参数设置下，设备进行运转，实时测定调节水浴温度；在堆肥过程中通过顶部采集接入口进行气体收集和物料出入，感应器对反应器参数进行监测记录；反应器内部形成的蒸气凝水可以从圆台顶部顺流至储水间隔，并通过排水口排出。
进一步的，所述搅拌装置包括设置在桶顶外顶部的装配电机和搅拌轴，所述搅拌轴与装配电机连接延伸至内部反应器内，所述搅拌轴上轴向布设多个搅拌叶。工作时，通过装配电机驱动搅拌叶转动，对物料进行搅拌。
进一步的，所述曝气装置包括气腔，所述气腔开设进气口，通过曝气通管向腔内充气，所述气腔的其中一面布设多个曝气孔形成曝气面，该曝气面嵌于反应桶内底形成曝气底层。先通过对气腔充满气，再通过曝气孔使空气均匀向上充入堆体，曝气面同时起到隔绝物料的作用，防止物料堵住气孔。
进一步的，所述顶部感应器插口和侧部感应器插口均插入感应器，对内部反应器进行数据监测，所述顶部感应器插口处设置推杆电机，感应器受推杆电机驱动做上下移动。可以对反应器内不同深度位置进行参数测量。其中，感应器包括堆体温度感应器，所述外部水浴箱内设有水体温度感应器，所述堆体温度感应器和水体温度感应器所测数据传输至控制器，控制器通过当前温度值及预设所需温度值，控制外部水浴箱的加热系统，实现对水体温度及堆体温度的控制。
进一步的，所述反应桶和桶顶在接触端通过栓接固定。便于密封处理及拆卸。
进一步的，所述曝气通管采用PVC管，铺设在反应桶内。实现曝与水浴温度相同的气体，减少堆体热量损耗。
进一步的，所述顶部感应器插口与搅拌叶的垂直位置不重合；所述侧部感应器插口与搅拌叶的水平位置不重合。以避免感应器与搅拌装置发生机械碰撞。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点为：本设备在使物料均匀反应的同时，不仅可以准确的控制物料反应温度，最大程度避免堆体热量散失，营造自然堆肥条件，而且还可以对反应参数进行全方位的测量使测得数据更加精准可靠；其次，曝气装置直接与反应桶底部合并，形成曝气面，不仅可以防止物料对出气口的堵塞，还便于曝气装置的连接，同时，采用预热湿润曝气可保证曝入气体加热与水浴层等温，减少曝气时造成的热量散失，减少系统误差；本设备顶部采取圆台式设计和反应器双层筒设计，可将冷凝水收集至外侧筒壁，通过排水口排出，防止水珠滴入堆体造成局部厌氧环境，影响实验数据的准确性。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
图2是本发明曝气装置俯视图；
图3是本发明曝气装置截面图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
如图1所示的微型智能控温堆肥反应器，包括：
外部水浴箱1，外形尺寸为500*500*500mm，内部充水进行水浴加热，箱壁开设进、出水口，进水口设于水浴箱的侧边底部，出水口设于水浴箱的侧边顶部，通过水加热器对内部水体进行加热，外部水浴箱1设置为可拆卸箱体。
内部反应器，所述内部反应器包括：反应桶2和桶顶4。
其中，所述反应桶2为上口敞开、双层侧壁的圆柱形结构，内外壁之间形成水间隙3，所述储水间隙3底部设有排水口301，容器外径为直径334*470mm，储水间隙3宽1cm，有效容积5L，整个反应桶底部有支撑架可由机器顶部提起筒身把手取出。所述桶顶4为圆台结构，其底部边缘与反应桶2外层侧壁的上口拼接，形成斜檐结构，所述桶顶4设置顶部感应器插口401及采集接入口402均由桶内延伸出外部水浴箱1，所述反应桶2的侧壁设置侧部感应器插口201。储水间隙用来收集冷凝水，防止水分回流至堆体，并通过排水口301排出，采集接入口402实现物料输出、微生物菌剂等的实时输入输出，气体从顶部抽出，接口处具有一定的密闭保温效果，可以根据需要适当增加其延伸高度。所述顶部感应器插口401和侧部感应器插口201均根据需要的参数插入对应的参数感应器，对内部反应器进行数据监测，对采集到的数据进行存储，可以直接发送至PC端，所述顶部感应器插口401处设置推杆电机7，感应器受推杆电机7驱动做上下移动。便于在反应器内进行全方位测量。其中，感应器包括堆体温度感应器，所述外部水浴箱1内设有水体温度感应器，所述堆体温度感应器和水体温度感应器将所测数据传输至控制器，该控制器可以以多种方式设置并与上述两个温度感应器连接接收数据，控制器通过当前的水体和堆体温度值及预设所需温度值，控制外部水浴箱1的加热系统，实现对水体温度及堆体温度的控制，此操作均可以通过设置控制面板，在控制面板上灵活操作。例如，当需要堆体恒温反应，即停止加热，未达到即持续加热，即直接通过识别堆体温度，温度达到预设温度；当需要堆体额定温差加热，即预设水体和堆体温差值，通过识别当前温差控制加热系统的工作状态。
为了方便内部反应器的使用，所述反应桶2和桶顶4在接触端处向外侧延伸形成连接件，通过栓接实现可拆卸连接，其边缘连接处采用密度处理。
本设备还设有搅拌装置5，所述搅拌装置5包括设置在桶顶4外顶部的装配电机501和置于中心位置的搅拌轴502，所述搅拌轴502与装配电机501连接延伸至内部反应器底部，所述搅拌轴502上轴向布设多个搅拌叶503。搅拌轴502在装配电机501的驱动下，带动搅拌叶503进行搅拌操作。为了保证搅拌装置工作时不影响感应器的工作，所述顶部感应器插口401与搅拌叶503的垂直位置不重合；所述侧部感应器插口201与搅拌叶503的水平位置不重合，实现感应器和搅拌互不干扰，避免发生机械碰撞。
如图2和图3所示，本设备还设有曝气装置6，所述曝气装置6设于内部反应器底部，包括气腔601，所述气腔601开设进气口602，通过曝气通管向腔内充气，所述气腔601的其中一面布设多个曝气孔603形成曝气面604，该曝气面604嵌于反应桶2内底形成曝气底层，由此实现曝气装置6与反应桶合位一体，操作时，只需固定好反应器的位置，将曝气通管6与曝气装置6的进气口602连接，即可实现曝气。所述曝气通管采用PVC管，铺设在反应桶2内部，实现曝与水浴温度相同的气体，减少堆体热量损耗。
反应器内外部分零件只要直接与物料或水体接触均覆盖防腐蚀涂层，隔离金属制品与腐蚀环境，以便保护装置使用时效。
工作原理为：将内部反应器固定于外部水浴箱底部，在反应器侧部和顶部插入传感器，在反应桶底部曝气进气口与固定在箱体中的曝气通管进行连接，完成反应器组装；物料通过反应桶开口处进入，盖上桶顶将反应桶进行密封；使水充满水浴层，设置堆肥工艺参数开始堆肥；在不同参数设置下，设备进行运转，实时测定调节水浴温度；在堆肥过程中通过顶部采集接入口进行气体收集和物料出入，感应器对反应器参数进行监测记录。
工艺参数设置：
1.水浴智能控制温度：水浴温度与堆体温度之间的温差可通过控制面板输入正值或负值，既可实现水浴温度高于堆体温度，对堆体物料进行加热；也可水浴温度随堆体温度变化，始终低于堆体物料温度起到保持外部温度达到实现小体积堆肥的目的，温度误差精度可以控制在0.3℃。(此功能的实现只需采用堆体内的温度传感器和水浴箱内的温度传感器实时测量温度，再通过数据控制端设置两温度之间的关系，由堆体温度得出所需的水浴温度，再由数据控制端控制水加热器实现水温控制)
2.搅拌：保证物料搅拌均匀，方式为同一方向搅拌10min/12h，亦可通过计算机或界面控制搅拌参数。工艺采用多方向不同的搅拌组件混匀物料。
3.曝气：0.22L/min*kg,有效容积5L约可放入1.5-2kg物料，即0.66-0.88L/min*kg,选择以0-5L/min范围可调节曝气速度进行曝气的气泵，可通过界面控制曝气的进气量。曝气时空气首先通过8mol/L NaOH以除去二氧化碳以及150ml的水湿润进气。
4.反应器控制及数据采集：(1)温度控制与采集：能够根据反应层的温度，控制水浴的温度，精度0.3度。数据采集，反应层温度的实时采集，采集频次为1次/min。对采集到的数据进行存储并发送至PC端。(2)物料数据采集：物料温度，湿度等的实时采集。设备控制面板可以实时监控堆体温度和水浴温度，同时进行调控、记录(通过程序进行控制)。搅拌频次和曝气量参数需要可以通过操作面板进行控制，同时记录气体收集检测数据。还能够对当前堆肥进度和温度变化曲线进行查询，或者调用历史曲线进行参照。利用人机交互功能，达到机、电、讯息的高度集成化，使好氧堆肥反应器自动化、智能化。
总结本堆肥设备的效果：
1.可智能控温，方便不同堆肥工艺试验需求，即可外部加热也可水浴温度跟随堆体温度动态变化。温度跟随可最大程度避免堆体热量散失，营造自然堆肥条件。
2.水浴加热温度控制更加精准，避免受热不均匀。水作为热传导介质，具有加大的比热容，可以实现实验中对于堆体温度的精准控制，精度达0.3℃。
3.预热湿润曝气可保证曝入气体加热与水浴层等温，减少曝气时造成的热量散失，减少系统误差。
4.同时配备顶端和侧面的测量设备，对反应器内部进行多方位实时测量，使测得数据更加精准可靠，节省人工时间消耗且方便研究人员进行后续研究。
5.顶部采取圆台式设计和反应器双层筒设计，可将冷凝水收集至外侧间隙，防止水珠滴入堆体造成局部厌氧环境，影响实验数据的准确性。
6.顶部具有物料进出口，能够堆肥过程中能够实现采样、接种微生物的操作等实验需求且通道口较长保温的设计极大地阻断了系统热量的散失。
7.顶部具有气体收集接入口能够对气体进行收集以供后续检测，为研究人员进行堆肥过程中的气体变化提供便利。
8.堆肥底部设置曝气进气气腔，使空气均匀向上充入堆体，曝气面同时起到隔绝物料的作用，防止物料堵住气孔，使堆体曝气更加科学合理。

Claims (7)

1.一种微型智能控温堆肥反应器，其特征在于，包括：
外部水浴箱(1)，箱壁开设进、出水口；
内部反应器，所述内部反应器包括：
反应桶(2)，所述反应桶(2)为上口敞开、双层侧壁结构，内外壁之间形成储水间隙(3)，所述储水间隙(3)底部设有排水口(301)；
桶顶(4)，所述桶顶(4)为圆台结构，其底部边缘与反应桶(2)外层侧壁的上口拼接，所述桶顶(4)设置顶部感应器插口(401)及采集接入口(402)均由桶内延伸出外部水浴箱(1)，所述反应桶(2)的侧壁设置侧部感应器插口(201)；搅拌装置(5)，所述搅拌装置(5)设于内部反应器内；曝气装置(6)，所述曝气装置(6)设于内部反应器底部。
2.根据权利要求1所述的微型智能控温堆肥反应器，其特征在于，其特征在于：所述搅拌装置(5)包括设置在桶顶(4)外顶部的装配电机(501)和搅拌轴(502)，所述搅拌轴(502)与装配电机(501)连接延伸至内部反应器内，所述搅拌轴(502)上轴向布设多个搅拌叶(503)。
3.根据权利要求1所述的微型智能控温堆肥反应器，其特征在于：所述曝气装置(6)包括气腔(601)，所述气腔(601)开设进气口(602)，通过曝气通管向腔内充气，所述气腔(601)的其中一面布设多个曝气孔(603)形成曝气面(604)，该曝气面(604)嵌于反应桶(2)内底形成曝气底层。
4.根据权利要求1所述的微型智能控温堆肥反应器，其特征在于：所述顶部感应器插口(401)和侧部感应器插口(201)均插入感应器，对内部反应器进行数据监测，所述顶部感应器插口(401)处设置推杆电机(7)，感应器受推杆电机(7)驱动做上下移动；
其中，感应器包括堆体温度感应器，所述外部水浴箱(1)内设有水体温度感应器，所述堆体温度感应器和水体温度感应器所测数据传输至控制器，控制器通过当前温度值及预设所需温度值，控制外部水浴箱(1)的加热系统，实现对水体温度及堆体温度的控制。
5.根据权利要求1所述的微型智能控温堆肥反应器，其特征在于：所述反应桶(2)和桶顶(4)在接触端通过栓接固定。
6.根据权利要求3所述的微型智能控温堆肥反应器，其特征在于：所述曝气通管采用PVC管，铺设在反应桶(2)内。
7.根据权利要求2所述的微型智能控温堆肥反应器，其特征在于：所述顶部感应器插口(401)与搅拌叶(503)的垂直位置不重合；所述侧部感应器插口(201)与搅拌叶(503)的水平位置不重合。
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