CN117903913B - 一种环保型农业废弃物处理系统及方法 - Google Patents

一种环保型农业废弃物处理系统及方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种环保型农业废弃物处理系统及方法，属于农业废弃物处理技术领域。该处理系统包括预处理模块、厌氧发酵模块、沼气利用模块、沼渣利用模块和监测控制模块，预处理模块用于对农业废弃物进行预处理；厌氧发酵模块用于对预处理的有机废弃物进行厌氧发酵；沼气利用模块用于对厌氧发酵产生的沼气进行收集、净化、储存和综合利用；沼渣利用模块用于对厌氧发酵产生的沼渣进行进一步处理和利用；监测控制模块用于对各模块的数据进行收集与分析，并根据预设的智能控制模型与算法向各模块发送控制指令，实现过程监控和优化控制。本申请实现了农业废弃物的高效处理和资源化利用，不仅减少了农业废弃物对环境的污染，还能够转化废弃物为资源。

Description

一种环保型农业废弃物处理系统及方法
技术领域
本申请涉及农业废弃物处理技术领域，更具体地说，涉及一种环保型农业废弃物处理系统及方法。
背景技术
传统农业废弃物处理方法存在着诸多问题，包括废弃物无害化处理不彻底、资源化利用程度低、环境污染严重等。目前常见的处理方式主要包括焚烧、填埋和堆肥等，但这些方法存在能源浪费、二氧化碳排放、土壤质量下降等问题，无法满足现代农业可持续发展的需求。因此，迫切需要一种能够高效处理农业废弃物、实现资源化利用并且环保无污染的新型处理系统和方法。
随着环保意识的提升和技术的进步，越来越多的研究关注于开发环保型农业废弃物处理技术。目前已经出现了一些利用生物技术、物理化学技术以及智能控制技术相结合的处理技术，但仍然存在着效率低、控制不精确、资源利用不充分等问题。因此，有必要提出一种更加完善的环保型农业废弃物处理系统及方法，以解决传统方法存在的种种问题，实现农业废弃物的高效处理和资源化利用，促进农业可持续发展，保护生态环境。
发明内容
为了克服现有技术存在的一系列缺陷，本申请的目的在于针对上述问题，提供一种环保型农业废弃物处理系统，包括预处理模块、厌氧发酵模块、沼气利用模块、沼渣利用模块和监测控制模块，预处理模块用于对农业废弃物进行预处理；厌氧发酵模块与预处理模块连接，用于对预处理后的有机废弃物进行厌氧发酵；沼气利用模块与厌氧发酵模块连接，用于对厌氧发酵产生的沼气进行收集、净化、储存和综合利用；沼渣利用模块与厌氧发酵模块连接，用于对厌氧发酵产生的沼渣进行进一步处理和利用；监测控制模块通过无线通信方式与预处理模块、厌氧发酵模块、沼气利用模块和沼渣利用模块连接，用于对各模块的数据进行收集与分析，并根据预设的智能控制模型与算法向各模块发送控制指令，实现过程监控和优化控制。
进一步的，预处理模块包括破碎子模块、分选子模块、脱水子模块和降解改性子模块，破碎子模块用于对农业废弃物进行机械破碎以降低体积和粒度；分选子模块用于将破碎后的农业废弃物按照其成分和特性进行分选，分别送入不同的处理流程；脱水子模块用于将分选后的含水量高的农业废弃物进行脱水处理；降解改性子模块用于将分选后的可降解有机农业废弃物处理为更易于厌氧发酵的物质，同时改善其理化性质。
厌氧发酵模块包括厌氧反应器、搅拌子模块、三相分离子模块和沼液回流子模块，厌氧反应器用于提供适宜的厌氧环境和温度以有效地降解有机农业废弃物；搅拌子模块用于保持厌氧反应器内物料的均匀混合，防止污泥沉积和温度分层以提高反应效率和沼气产量；三相分离子模块用于将厌氧反应器出口的混合物分离为沼气、沼液和沼渣三相；沼液回流子模块用于将沼液回流到厌氧反应器内，以维持厌氧反应器内的水力停留时间和有机负荷，同时补充厌氧反应所需的营养物质和缓冲剂。
沼气利用模块包括沼气收集子模块、沼气净化子模块和沼气储存子模块，沼气收集子模块用于将三相分离子模块出口的沼气输送至沼气净化子模块；沼气净化子模块用于去除沼气中的杂质和有害成分并将沼气输送至沼气储存子模块；沼气储存子模块用于对沼气进行压缩和储存。
沼渣利用模块包括沼渣脱水子模块、沼渣压滤子模块、有机沼渣利用子模块和无机沼渣利用子模块，其中，沼渣脱水子模块用于对三相分离子模块输出的沼渣进行脱水处理；沼渣压滤子模块与沼渣脱水子模块连接，用于将脱水后的沼渣进行压滤处理，并分离出有机沼渣和无机沼渣；有机沼渣利用子模块与沼渣压滤子模块连接，用于收集和利用压滤分离出的有机沼渣；无机沼渣利用子模块与沼渣压滤子模块连接，用于收集和利用压滤分离出的无机沼渣。
监测控制模块包括数据采集子模块、边缘计算子模块和执行控制子模块，其中，数据采集子模块用于收集各模块的运行数据，并将采集到的数据进行数字化处理后发送至边缘计算子模块；边缘计算子模块基于边缘计算平台，用于对数据采集子模块采集到的大量传感器数据和过程数据进行边缘端的临近计算和分析，生成最终的过程优化和控制指令；执行控制子模块根据边缘计算子模块的输出，向各模块下达控制指令，实现过程的自动化闭环控制。
进一步的，降解改性子模块采用微生物或酶作为降解剂；厌氧反应器采用高温热水或蒸汽作为加热介质对反应液进行恒温加热，以保证反应温度的均匀性和稳定性；沼气净化子模块采用物理吸附法对沼气中的硫化氢、二氧化碳、氨气或者其他杂质进行有效去除；分选子模块采用磁选法对农业废弃物进行高精度的分选，实现对不同成分和特性的农业废弃物的有效区分和分类；搅拌子模块采用机械搅拌的方式对反应液进行强化搅拌，增强反应液的传质和传热效果，促进厌氧微生物的生长和活性。
进一步的，预处理模块还包括一个温度控制子模块，用于控制预处理过程的温度，以优化微生物或酶的活性，提高废弃物的降解和改性效率；温度控制子模块的温度控制精度δT用以下公式表示：δT=(Tmax-Tmin)/Tavg，其中，Tmax为预处理过程的最高温度，Tmin为预处理过程的最低温度，Tavg为预处理过程的平均温度。
进一步的，沼渣利用模块还包括沼渣制肥子模块，沼渣制肥子模块用于将有机沼渣利用子模块输出的有机沼渣与微生物菌剂混合，经过发酵、干燥与粉碎制成有机肥料；沼气利用模块还包括沼气制氢子模块，沼气制氢子模块用于将沼气储存子模块输出的沼气经过水蒸气重整反应，产生氢气，并将氢气输送至外部用氢设备。
进一步的，三相分离子模块包括沼气分离单元、沼液分离单元和沼渣分离单元，沼气分离单元用于将厌氧反应器出口的混合物中的沼气分离出来；沼液分离单元用于利用重力沉降将厌氧反应器出口的混合物中的沼液分离出来；沼渣分离单元用于将厌氧反应器出口的混合物中的沼渣分离出来。
进一步的，边缘计算子模块被配置为实现。
利用模糊逻辑方法对预处理模块的各项参数进行模糊化处理，建立模糊规则库和模糊推理机制，根据输入的模糊变量，输出相应的模糊控制量，经过反模糊化处理后，得到预处理模块的控制量。
利用神经网络方法对厌氧发酵模块的各项参数进行非线性拟合和预测，建立神经网络模型和学习机制，根据输入的历史数据和实时数据，输出相应的预测值和误差值，经过反馈调整后，得到厌氧发酵模块的控制量。
利用遗传算法方法对沼气利用模块的各项参数进行优化求解，建立适应度函数，根据输入的目标函数和约束条件，输出相应的最优解和适应度值，经过迭代优化后，得到沼气利用模块的控制量。
利用模型预测控制方法对沼渣利用模块的各项参数进行动态调节和优化，建立沼渣利用模块的预测模型，根据输入的当前状态和期望状态，输出相应的预测状态和控制量，经过滚动优化后，得到沼渣利用模块的控制量。
进一步的，预处理模块的控制量用以下公式表示。
u预=∫u(z)μR(z)dz/∫μR(z)dz。
μR(z)=min(μA(x),μB(y))。
z=IF x IS A AND y IS B THEN u预 IS R。
其中，u预是预处理模块的控制量，x 和 y 是预处理模块的输入变量，z 是模糊推理的结果，A，B 和 R 是模糊集合，μA，μB和 μR是隶属度函数，u(z) 是单值隶属度函数。
厌氧发酵模块的控制量用以下公式表示。
ẏ=W2σ(W1ẋ+b1)+b2。
e=ẏd−ẏ。
W2=W2+αeσ′(W1ẋ+b1)ẋT。
W1=W1+αeW2σ′′(W1ẋ+b1)ẋT。
b2=b2+αe。
b1=b1+αeW2σ′′(W1ẋ+b1)。
其中，ẏ 是厌氧发酵模块的输出量，ẋ 是厌氧发酵模块的输入量，ẏd是期望输出量，e是误差量，W1 和 W2是神经网络的权重矩阵，b1和 b2是神经网络的偏置向量，σ 是激活函数，σ′ 和 σ′′ 是激活函数的一阶和二阶导数，α 是学习率。
沼气利用模块的控制量用以下公式表示。
f(ẍ)=maxJ(ẍ)。
s.t. h(ẍ)≤0。
ẍt+1=GA(ẍt)。
f(ẍt+1)≥f(ẍt)。
其中，f 是适应度函数，ẍ 是沼气利用模块的控制量，J 是目标函数，h 是约束条件，GA 是遗传算法操作，t 是迭代次数。
沼渣利用模块的控制量用以下公式表示。
u=argmin u∑k=0 n−1(Ẏ(k)−Ẏd(k))2+λu(k)2。
s.t. Ẏ(k+1)=G(Ẏ(k),u(k))。
Ẏ(0)=Ẏ0。
u(k)∈U。
Ẏ(k)∈Y。
其中，u是沼渣利用模块的控制量，Ẏ是沼渣利用模块的输出量，Ẏd是期望输出量，G是沼渣利用模块的预测模型，n是预测步长，λ 是权重系数，U 和 Y 是控制量和输出量的可行域，Ẏ0是当前输出量。
进一步的，监测控制模块还包括。
一个人机交互界面，用于实现可视化监控和操作。
一个数据可视化子模块，用于将边缘计算子模块输出的数据进行图形化和动态化的展示。
一个智能诊断子模块，用于根据边缘计算子模块输出的数据和预设的故障诊断规则，对系统的运行状况进行智能判断和诊断，并给出相应的提示和建议，实现对系统的智能维护和管理。
一个智能优化子模块，用于根据边缘计算子模块输出的数据与预设的优化目标及约束条件，对系统的运行参数进行智能优化和调整，并给出相应的优化结果和方案，实现对系统的智能优化和改进。
本申请的目的还在于提供一种环保型农业废弃物处理方法，包括以下步骤。
步骤1，对农业废弃物进行破碎、分选、脱水和降解改性，使其达到适宜厌氧发酵的条件；同时，实时监测农业废弃物的体积、粒度、质量、水分含量、碳含量和理化性质指标以实现对破碎效率、分选效率、脱水效率以及降解改性效率的智能控制。
步骤2，对预处理后的农业废弃物进行厌氧发酵并分离出沼气、沼液及沼渣三相产物；同时，实时监测厌氧发酵与三相分离过程中的各项参数，以实现对有机负荷、沼液回流比与沼气产量的智能控制。
步骤3，对分离出的沼气进行收集、净化、储存和利用；同时，对沼气压力、流量、温度、湿度和杂质参数进行实时监测，实现对沼气流量的智能控制。
步骤4，对分离出的沼渣进行进一步脱水与压滤，并进行有机利用和无机利用，实现资源化和减量化；同时，实时监测沼渣的含水率、有机物含量、无机物含量和重金属含量，实现对沼渣含水率与沼渣产量的智能控制。
进一步的，破碎子模块的破碎效率ηb用以下公式表示。
ηb=((V1-V2)/V1)×((d1-d2)/d1)，其中，V1为农业废弃物的初始体积，V2为破碎后的体积，d1为初始粒度，d2为破碎后的粒度。
分选子模块的分选效率 η分选用以下公式表示：η分选=(m2+m3)/m1，其中，m1为农业废弃物的初始质量，m2为分选后的可降解有机农业废弃物的质量，m3为分选后的其他农业废弃物的质量。
脱水子模块的脱水效率 ηd用以下公式表示：ηd=(w初−w后)/w初，w初为分选后的含水量高的农业废弃物的初始水分含量，w后为脱水后的水分含量。
降解改性子模块的降解改性效率ηm用以下公式表示：ηm=((C1−C2)/C1)×((P2−P1)/P1)，其中，C1为分选后的可降解有机农业废弃物的初始碳含量，C2为降解改性后的碳含量，P1为初始理化性质指标，P2为降解改性后的理化性质指标。
进一步的，厌氧反应器的有机负荷OLR用以下公式表示：OLR=Q×C/V，其中，Q 是进水流量，C 是进水有机物浓度，V是厌氧反应器有效容积。
厌氧反应器的水力停留时间HRT用以下公式表示：HRT=QV。
三相分离子模块的沼气产量Qg用以下公式计算：Qg=Q×(C−Ce)×B沼气，其中，Ce是出水有机物浓度，B沼气是沼气产率。
三相分离子模块的三相分离效率ηt用以下公式表示：ηt=(ηg+ηl+ηs)/3，其中，ηg是沼气分离效率，ηl是沼液分离效率，ηs是沼渣分离效率；沼气分离效率ηg用以下公式表示：ηg=Qg/Qm×100%，其中，Qm是厌氧反应器出口的混合物流量；沼液分离效率ηl用以下公式表示：ηl=Ql/Qm×100%，其中，Ql是沼液分离单元输出的沼液流量，Qm是厌氧反应器出口的混合物流量；沼渣分离效率ηs用以下公式表示：ηs=Qs/Qm×100%，其中，Qs是沼渣分离单元输出的沼渣流量，Qm是厌氧反应器出口的混合物流量。
沼液回流子模块的回流比R回流用以下公式表示：R回流=Qr/Q，其中，Qr是沼液回流量。
进一步的，沼气净化子模块的沼气纯度P用以下公式表示：P=Cm/(Cm+Ci)×100%，其中，Cm 是沼气中甲烷的浓度，Ci是沼气中杂质的总浓度。
沼气储存子模块的沼气压力Ps用以下公式表示：Ps=Pa+ρgH，其中，Pa是大气压力，ρ是沼气的密度，g 是重力加速度，H是沼气储存器的高度。
进一步的，沼渣脱水子模块的沼渣含水率W用以下公式表示：W=mw/(mw+ms)×100%，其中，mw是沼渣中的水分质量，ms是沼渣中的固体质量。
沼渣压滤子模块的沼渣压滤率R压滤用以下公式表示：R压滤=Qf/Qi×100%，其中，Qf是压滤后的沼渣流量，Qi是压滤前的沼渣流量。
有机沼渣利用子模块的有机沼渣产量Qo用以下公式表示：Qo=Qf×Co，其中，Co是压滤后的沼渣中的有机物含量。
无机沼渣利用子模块的无机沼渣产量Qd用以下公式表示：Qd=Qf×Cd，其中，Cd是压滤后的沼渣中的无机物含量。
与现有技术相比，本申请的有益效果为。
本申请通过预处理、厌氧发酵、沼气利用、沼渣利用和监测控制模块的结合，实现了农业废弃物的高效处理和资源化利用，不仅可以减少农业废弃物对环境的污染，还能够转化废弃物为资源，促进农业可持续发展，具有重要的环境和经济效益。
附图说明
图1为本申请实施例公开的一种环保型农业废弃物处理方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面通过参考附图描述的实施例以及方位性的词语均是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
一种环保型农业废弃物处理系统，包括预处理模块、厌氧发酵模块、沼气利用模块、沼渣利用模块和监测控制模块，预处理模块用于对农业废弃物进行预处理；厌氧发酵模块与预处理模块连接，用于对预处理后的有机废弃物进行厌氧发酵；沼气利用模块与厌氧发酵模块连接，用于对厌氧发酵产生的沼气进行收集、净化、储存和综合利用；沼渣利用模块与厌氧发酵模块连接，用于对厌氧发酵产生的沼渣进行进一步处理和利用；监测控制模块通过无线通信方式与预处理模块、厌氧发酵模块、沼气利用模块和沼渣利用模块连接，用于对各模块的数据进行收集与分析，并根据预设的智能控制模型与算法向各模块发送控制指令，实现过程监控和优化控制。
本实施例中，预处理模块用于对农业废弃物进行预处理，包括分选、粉碎、调节水分和 pH 值等步骤，以提高有机废弃物的均匀性和厌氧发酵的效率，可以根据不同类型的农业废弃物，如畜禽粪便、秸秆、果皮等，选择不同的预处理方法和参数，以适应厌氧发酵的要求。
本实施例中，厌氧发酵模块采用高效的厌氧反应器，如 UASB、CSTR、ABR等，可以实现高负荷、高产气、高稳定性的厌氧发酵过程。厌氧发酵模块还可以根据不同的有机废弃物，如含硫、含氮、含酸等，选择不同的厌氧发酵方式和参数，如温度、pH 值、搅拌、缓冲等，以优化沼气的产量和质量。
本实施例中，沼气利用模块采用先进的沼气处理设备，如脱硫、脱水、脱碳、压缩、储罐等，可以去除沼气中的杂质和水分，提高沼气的纯度和压力，便于储存和运输。沼气利用模块还可以根据不同的利用目的，如发电、供暖、烹饪、制氢等，选择不同的沼气利用方式和设备，如发电机、锅炉、灶具、燃料电池等，实现沼气的高效利用。
本实施例中，沼渣利用模块采用有效的沼渣处理设备，如脱水、干燥、造粒、包装等，可以减少沼渣的水分和体积，提高沼渣的质量和价值。沼渣利用模块还可以根据不同的利用目的，如肥料、饲料、建材等，选择不同的沼渣利用方式和设备，如施肥机、饲料机、砖机等，实现沼渣的多元化利用。
本实施例中，监测控制模块采用先进的传感器、无线模块、云平台、人工智能等技术，可以实时监测各模块的运行状态、参数、效果等数据，通过云平台进行数据存储、分析、展示等功能，通过人工智能进行数据挖掘、优化、预测等功能，通过无线模块向各模块发送控制信号，调节各模块的运行模式、参数、设备等，实现系统的自动化、智能化、远程化管理。
进一步的，预处理模块包括破碎子模块、分选子模块、脱水子模块和降解改性子模块，破碎子模块用于对农业废弃物进行机械破碎以降低体积和粒度；分选子模块用于将破碎后的农业废弃物按照其成分和特性进行分选，分别送入不同的处理流程；脱水子模块用于将分选后的含水量高的农业废弃物进行脱水处理；降解改性子模块用于将分选后的可降解有机农业废弃物处理为更易于厌氧发酵的物质，同时改善其理化性质。破碎子模块可以采用不同类型的破碎设备，如切割机、粉碎机、撕碎机等，根据农业废弃物的硬度、韧性、形状等特性，选择合适的破碎方式和参数，将农业废弃物破碎为一定大小的碎片或粉末。分选子模块可以采用不同类型的分选设备，如筛分机、风选机、磁选机等，根据农业废弃物的密度、颗粒度、磁性等特性，选择合适的分选方式和参数，将农业废弃物分为不同的类别，如有机物、无机物、金属、非金属等。脱水子模块采用不同类型的脱水设备，如压榨机、离心机、干燥机等，根据农业废弃物的水分含量、粘度、温度等特性，选择合适的脱水方式和参数，将农业废弃物的水分分离出来，收集利用或排放处理。降解改性子模块采用不同类型的降解改性设备，如酸化罐、预处理罐、酶解罐等，根据农业废弃物的碳氮比、pH值、抗酸能力等特性，选择合适的降解改性方式和参数，将农业废弃物中的复杂有机物分解为简单有机物，如糖类、酸类、醇类等，同时调节其理化性质，如水分、pH值、碱度等，使其更适合厌氧发酵。
厌氧发酵模块包括厌氧反应器、搅拌子模块、三相分离子模块和沼液回流子模块，厌氧反应器用于提供适宜的厌氧环境和温度以有效地降解有机农业废弃物；搅拌子模块用于保持厌氧反应器内物料的均匀混合，防止污泥沉积和温度分层以提高反应效率和沼气产量；三相分离子模块用于将厌氧反应器出口的混合物分离为沼气、沼液和沼渣三相；沼液回流子模块用于将沼液回流到厌氧反应器内，以维持厌氧反应器内的水力停留时间和有机负荷，同时补充厌氧反应所需的营养物质和缓冲剂。厌氧反应器的类型和结构根据不同的农业废弃物和厌氧发酵条件进行选择和设计，常见的有 UASB、CSTR、ABR、EGSB 等，厌氧反应器的温度控制在一定的范围内，一般分为 35°C 左右的中温发酵和 55°C 左右的高温发酵，不同的温度对应不同的微生物群落和沼气产率。搅拌子模块的方式和强度根据不同的厌氧反应器和物料特性进行选择和调节，常见的有机械搅拌、气体搅拌、液体循环搅拌等，搅拌子模块的目的是使物料与微生物充分接触，促进有机物的降解，同时避免过度搅拌造成微生物的破碎和能量的浪费。三相分离子模块的原理和设备根据不同的厌氧反应器和分离要求进行选择和配置，常见的有气液分离器、沉淀池、过滤器、脱水机等。三相分离子模块的目的是尽可能地回收沼气和沼渣，减少有机物的损失，同时减少沼液的污染负荷，便于后续的处理和排放。沼液回流子模块的比例和频率根据不同的厌氧反应器和沼液特性进行选择和调节，常见的有定量回流、比例回流、间歇回流等，沼液回流子模块的目的是使厌氧反应器内的物料保持一定的浓度和流动性，同时提高沼液中残留有机物的利用率，增加沼气的产量和质量。
沼气利用模块包括沼气收集子模块、沼气净化子模块和沼气储存子模块，沼气收集子模块用于将三相分离子模块出口的沼气输送至沼气净化子模块；沼气净化子模块用于去除沼气中的杂质和有害成分并将沼气输送至沼气储存子模块；沼气储存子模块用于对沼气进行压缩和储存。沼气收集子模块采用不同类型的沼气收集设备，如管道、阀门、泵、压力表等，根据沼气的流量、压力、温度等特性，选择合适的沼气收集方式和参数，将沼气从厌氧反应器中安全、可靠地输送出来。沼气净化子模块采用不同类型的沼气净化设备，如脱硫器、脱水器、脱碳器、吸附器等，根据沼气的成分、纯度、用途等特性，选择合适的沼气净化方式和参数，将沼气中的硫化氢、水分、二氧化碳、氧气等杂质和有害成分去除，提高沼气的热值和质量。沼气储存子模块采用不同类型的沼气储存设备，如压缩机、储罐、气囊等，根据沼气的量、压力、安全等特性，选择合适的沼气储存方式和参数，将沼气压缩到一定的压力，并储存在适当的容器中，防止沼气的泄漏和损失。
沼渣利用模块包括沼渣脱水子模块、沼渣压滤子模块、有机沼渣利用子模块和无机沼渣利用子模块，其中，沼渣脱水子模块用于对三相分离子模块输出的沼渣进行脱水处理；沼渣压滤子模块与沼渣脱水子模块连接，用于将脱水后的沼渣进行压滤处理，并分离出有机沼渣和无机沼渣；有机沼渣利用子模块与沼渣压滤子模块连接，用于收集和利用压滤分离出的有机沼渣；无机沼渣利用子模块与沼渣压滤子模块连接，用于收集和利用压滤分离出的无机沼渣。沼渣脱水子模块采用不同类型的脱水设备，如螺旋挤压机、板框压滤机、离心脱水机等，根据沼渣的水分含量、固体含量、粘度等特性，选择合适的脱水方式和参数，将沼渣中的水分挤出或分离出来。沼渣压滤子模块采用不同类型的压滤设备，如膜式压滤机、真空压滤机、压滤干燥机等，根据沼渣的成分、纯度、用途等特性，选择合适的压滤方式和参数，将沼渣中的有机物和无机物分离，得到有机沼渣和无机沼渣。有机沼渣利用子模块采用不同类型的利用设备，如造粒机、包装机、施肥机等，根据有机沼渣的特性和需求，选择合适的利用方式和参数，将有机沼渣加工成不同形式的产品，如有机肥、有机饲料、有机建材等，实现有机沼渣的高值化利用。无机沼渣利用子模块采用不同类型的利用设备，如破碎机、磨粉机、砖机等，根据无机沼渣的特性和需求，选择合适的利用方式和参数，将无机沼渣加工成不同形式的产品，如无机肥、无机填料、无机建材等，实现无机沼渣的资源化利用。
监测控制模块包括数据采集子模块、边缘计算子模块和执行控制子模块，其中，数据采集子模块用于收集各模块的运行数据，并将采集到的数据进行数字化处理后发送至边缘计算子模块；边缘计算子模块基于边缘计算平台，用于对数据采集子模块采集到的大量传感器数据和过程数据进行边缘端的临近计算和分析，生成最终的过程优化和控制指令；执行控制子模块根据边缘计算子模块的输出，向各模块下达控制指令，实现过程的自动化闭环控制。数据采集子模块采用不同类型的传感器、仪表、通信模块等，根据各模块的运行参数、状态、效果等特性，选择合适的数据采集方式和频率，将数据转换为数字信号，并通过无线或有线方式传输至边缘计算子模块。边缘计算子模块采用边缘计算设备，如边缘服务器、边缘网关、边缘节点等，根据数据的规模、复杂度、实时性等特性，选择合适的边缘计算架构和算法，将数据在边缘端进行存储、处理、分析、优化等功能，减少数据的传输延迟和网络负载，提高数据的安全性和可靠性。执行控制子模块采用不同类型的执行器、控制器、通信模块等，根据各模块的控制需求、响应速度、精度等特性，选择合适的执行控制方式和参数，将边缘计算子模块生成的控制指令通过无线或有线方式传输至各模块，调节各模块的运行模式、参数、设备等，实现系统的自适应、智能、协同控制。
进一步的，降解改性子模块采用微生物或酶作为降解剂；厌氧反应器采用高温热水或蒸汽作为加热介质对反应液进行恒温加热，以保证反应温度的均匀性和稳定性；沼气净化子模块采用物理吸附法对沼气中的硫化氢、二氧化碳、氨气或者其他杂质进行有效去除；分选子模块采用磁选法对农业废弃物进行高精度的分选，实现对不同成分和特性的农业废弃物的有效区分和分类；搅拌子模块采用机械搅拌的方式对反应液进行强化搅拌，增强反应液的传质和传热效果，促进厌氧微生物的生长和活性。
本实施例中，降解改性子模块采用微生物或酶作为降解剂，对分选后的可降解有机农业废弃物进行生物降解或酶解，将其分解为更易于厌氧发酵的物质，如糖类、酸类、醇类等。降解改性子模块的类型和参数根据农业废弃物的碳氮比、pH值、抗酸能力等特性进行选择和调节，常见的有酸化罐、预处理罐、酶解罐等。降解改性子模块的目的是提高农业废弃物的可生化性和沼气产率，同时改善其理化性质，如水分、pH值、碱度等，使其更适合厌氧发酵。
本实施例中，厌氧反应器采用高温热水或蒸汽作为加热介质对反应液进行恒温加热，以保证反应温度的均匀性和稳定性。厌氧反应器的温度控制在一定的范围内，一般分为35°C 左右的中温发酵和 55°C 左右的高温发酵，不同的温度对应不同的微生物群落和沼气产率。厌氧反应器的加热方式和设备根据反应器的类型、结构、规模等特性进行选择和设计，常见的有外部换热器、内部换热器、太阳能加热器等。厌氧反应器的加热目的是提供适宜的厌氧环境和温度以有效地降解有机农业废弃物，将其转化为沼气和沼渣。
本实施例中，沼气净化子模块采用物理吸附法对沼气中的硫化氢、二氧化碳、氨气或者其他杂质进行有效去除，提高沼气的热值和质量。沼气净化子模块的原理和设备根据沼气的成分、纯度、用途等特性进行选择和配置，常见的有活性炭吸附器、分子筛吸附器、水洗塔、膜分离器等 。沼气净化子模块的目的是去除沼气中的杂质和有害成分，减少沼气的污染和腐蚀，增加沼气的利用价值和安全性。
本实施例中，分选子模块采用磁选法对农业废弃物进行高精度的分选，实现对不同成分和特性的农业废弃物的有效区分和分类。分选子模块的原理和设备根据农业废弃物的密度、颗粒度、磁性等特性进行选择和配置，常见的有磁选机、电磁选机、永磁选机等 。分选子模块的目的是将农业废弃物中的金属、非金属、有机物、无机物等不同类别的物质分离，以便后续的处理和利用。
本实施例中，搅拌子模块采用机械搅拌的方式对反应液进行强化搅拌，增强反应液的传质和传热效果，促进厌氧微生物的生长和活性。搅拌子模块的方式和强度根据反应器的类型、物料的特性、反应的需求等进行选择和调节，常见的有机械搅拌、气体搅拌、液体循环搅拌等 。搅拌子模块的目的是使反应液与微生物充分接触，促进有机物的降解，同时避免过度搅拌造成微生物的破碎和能量的浪费。
进一步的，预处理模块还包括一个温度控制子模块，用于控制预处理过程的温度，以优化微生物或酶的活性，提高废弃物的降解和改性效率；温度控制子模块的温度控制精度δT用以下公式表示：δT=(Tmax-Tmin)/Tavg，其中，Tmax为预处理过程的最高温度，Tmin为预处理过程的最低温度，Tavg为预处理过程的平均温度。
本实施例中，温度控制子模块采用不同类型的温度传感器、控制器、加热器等，根据预处理过程的温度要求和变化情况，选择合适的温度控制方式和参数，对预处理过程的温度进行实时监测和调节。
本实施例中，温度控制精度反映了预处理过程的温度均匀性和稳定性，温度控制精度越高，预处理过程的温度越接近设定值，微生物或酶的活性越高，废弃物的降解和改性效率越高。
本实施例中，温度控制子模块的温度控制范围和设定值根据不同的预处理方式和目的进行选择和调节，一般分为低温预处理、中温预处理和高温预处理。低温预处理的温度范围为 10°C至40°C，主要用于促进微生物的生长和繁殖，增加废弃物的可生化性；中温预处理的温度范围为 40°C至80°C，主要用于促进酶的活化和水解，增加废弃物的可溶性；高温预处理的温度范围为 80°C至200°C，主要用于促进废弃物的热解和氧化，增加废弃物的可降解性。
进一步的，沼渣利用模块还包括沼渣制肥子模块，沼渣制肥子模块用于将有机沼渣利用子模块输出的有机沼渣与微生物菌剂混合，经过发酵、干燥与粉碎制成有机肥料；沼气利用模块还包括沼气制氢子模块，沼气制氢子模块用于将沼气储存子模块输出的沼气经过水蒸气重整反应，产生氢气，并将氢气输送至外部用氢设备。
本实施例中，沼渣制肥子模块采用不同类型的微生物菌剂，如光合细菌、放线菌、硝化细菌等，根据有机沼渣的成分、pH值、水分等特性，选择合适的微生物菌剂种类和用量，将其与有机沼渣混合，形成发酵物。沼渣制肥子模块采用不同类型的发酵设备，如发酵罐、发酵槽、发酵箱等，根据发酵物的量、温度、氧气等特性，选择合适的发酵方式和参数，对发酵物进行恒温、通气、搅拌等操作，促进微生物的生长和代谢，将有机沼渣中的有机物转化为无机物和有机酸，同时产生一定量的热量和气体。沼渣制肥子模块采用不同类型的干燥设备，如热风干燥机、喷雾干燥机、真空干燥机等，根据发酵物的水分含量、粘度、热敏性等特性，选择合适的干燥方式和参数，对发酵物进行干燥处理，降低发酵物的水分含量，提高发酵物的稳定性和保存性。沼渣制肥子模块采用不同类型的粉碎设备，如锤式粉碎机、刀片式粉碎机、球磨机等，根据发酵物的硬度、颗粒度、均匀性等特性，选择合适的粉碎方式和参数，对发酵物进行粉碎处理，将发酵物破碎成细小的颗粒，提高发酵物的表面积和施肥效果。沼渣制肥子模块的目的是将有机沼渣转化为有机肥料，提高有机沼渣的利用价值和农业效益，同时减少有机沼渣的排放和污染，实现有机沼渣的循环利用和资源化利用。
本实施例中，沼气制氢子模块采用水蒸气重整反应，即将沼气与水蒸气在高温高压的条件下，通过催化剂的作用，生成氢气和一氧化碳反应的化学方程式为：CH4+H2O→CO+3H2。沼气制氢子模块采用不同类型的重整反应器，如固定床反应器、流化床反应器、膜反应器等，根据沼气的流量、纯度、压力等特性，选择合适的重整反应器类型和结构，对沼气和水蒸气进行混合、加热、压缩、催化等操作，实现沼气的重整转化。沼气制氢子模块采用不同类型的气体分离设备，如压力摆动吸附器、膜分离器、低温分离器等，根据氢气的纯度、用途、成本等特性，选择合适的气体分离方式和参数，对重整反应产生的气体进行分离，将氢气与一氧化碳、甲烷、水蒸气等杂质分离，得到高纯度的氢气。沼气制氢子模块采用不同类型的气体输送设备，如管道、阀门、泵、压力表等，根据氢气的量、压力、安全等特性，选择合适的气体输送方式和参数，将氢气从重整反应器中安全、可靠地输送出来，并输送至外部用氢设备，如燃料电池、氢能汽车等。沼气制氢子模块的目的是将沼气转化为氢气，提高沼气的利用价值和能源效率，同时减少沼气的排放和温室效应，实现沼气的清洁利用和氢能的发展利用。
进一步的，三相分离子模块包括沼气分离单元、沼液分离单元和沼渣分离单元，沼气分离单元用于将厌氧反应器出口的混合物中的沼气分离出来；沼液分离单元用于利用重力沉降将厌氧反应器出口的混合物中的沼液分离出来；沼渣分离单元用于将厌氧反应器出口的混合物中的沼渣分离出来。
本实施例中，沼气分离单元用于将厌氧反应器出口的混合物中的沼气分离出来，提高沼气的纯度和质量。沼气分离单元采用不同类型的分离设备，如气液分离器、气固分离器、膜分离器等，根据沼气的压力、流量、成分等特性，选择合适的分离方式和参数，将沼气中的水分、固体、杂质等分离，得到干净的沼气。沼液分离单元用于利用重力沉降将厌氧反应器出口的混合物中的沼液分离出来，提高沼液的利用价值和处理效率。沼液分离单元采用不同类型的沉降设备，如沉降池、沉降塔、沉降离心机等，根据沼液的密度、粘度、浓度等特性，选择合适的沉降方式和参数，将沼液中的悬浮物、胶体、油脂等分离，得到清澈的沼液。沼渣分离单元用于将厌氧反应器出口的混合物中的沼渣分离出来，提高沼渣的利用价值和处理效率。沼渣分离单元采用不同类型的分离设备，如压滤机、螺旋挤压机、干燥机等，根据沼渣的水分含量、固体含量、粒度等特性，选择合适的分离方式和参数，将沼渣中的水分、气体、杂质等分离，得到干燥的沼渣。
进一步的，边缘计算子模块被配置为实现。
利用模糊逻辑方法对预处理模块的各项参数进行模糊化处理，建立模糊规则库和模糊推理机制，根据输入的模糊变量，输出相应的模糊控制量，经过反模糊化处理后，得到预处理模块的控制量。这种功能的目的是根据预处理过程的不确定性和非线性，采用模糊逻辑方法进行智能控制，提高预处理模块的降解和改性效率。例如，根据预处理过程的温度、pH值、水分等参数，利用模糊逻辑方法确定微生物或酶的种类和用量，以优化预处理过程的效果。
利用神经网络方法对厌氧发酵模块的各项参数进行非线性拟合和预测，建立神经网络模型和学习机制，根据输入的历史数据和实时数据，输出相应的预测值和误差值，经过反馈调整后，得到厌氧发酵模块的控制量。这种功能的目的是根据厌氧发酵过程的复杂性和动态性，采用神经网络方法进行数据分析和预测，提高厌氧发酵模块的沼气产率。例如，根据厌氧发酵过程的温度、压力、pH值、沼气成分等参数，利用神经网络方法预测沼气的产量和质量，以优化厌氧发酵过程的效果。
利用遗传算法方法对沼气利用模块的各项参数进行优化求解，建立适应度函数，根据输入的目标函数和约束条件，输出相应的最优解和适应度值，经过迭代优化后，得到沼气利用模块的控制量。这种功能的目的是根据沼气利用过程的多目标和多约束，采用遗传算法方法进行优化求解，提高沼气利用模块的能源效率。例如，根据沼气利用过程的沼气纯度、热值、用途等参数，利用遗传算法方法确定沼气净化、储存、转化等过程的最优参数，以优化沼气利用过程的效果。
利用模型预测控制方法对沼渣利用模块的各项参数进行动态调节和优化，建立沼渣利用模块的预测模型，根据输入的当前状态和期望状态，输出相应的预测状态和控制量，经过滚动优化后，得到沼渣利用模块的控制量。这种功能的目的是根据沼渣利用过程的非线性和时变性，采用模型预测控制方法进行动态调节和优化，提高沼渣利用模块的农业效益 。例如，根据沼渣利用过程的沼渣水分、固体、有机物等参数，利用模型预测控制方法确定沼渣制肥、沼渣堆肥、沼渣发酵等过程的最优参数，以优化沼渣利用过程的效果。
进一步的，预处理模块的控制量用以下公式表示。
u预=∫u(z)μR(z)dz/∫μR(z)dz。
μR(z)=min(μA(x),μB(y))。
z=IF x IS A AND y IS B THEN u预 IS R。
其中，u预是预处理模块的控制量，x 和 y 是预处理模块的输入变量，z 是模糊推理的结果，A，B 和 R 是模糊集合，μA，μB和 μR是隶属度函数，u(z) 是单值隶属度函数。
厌氧发酵模块的控制量用以下公式表示。
ẏ=W2σ(W1ẋ+b1)+b2。
e=ẏd−ẏ。
W2=W2+αeσ′(W1ẋ+b1)ẋT。
W1=W1+αeW2σ′′(W1ẋ+b1)ẋT。
b2=b2+αe。
b1=b1+αeW2σ′′(W1ẋ+b1)。
其中，ẏ 是厌氧发酵模块的输出量，ẋ 是厌氧发酵模块的输入量，ẏd是期望输出量，e是误差量，W1 和 W2是神经网络的权重矩阵，b1和 b2是神经网络的偏置向量，σ 是激活函数，σ′ 和 σ′′ 是激活函数的一阶和二阶导数，α 是学习率。
沼气利用模块的控制量用以下公式表示。
f(ẍ)=maxJ(ẍ)。
s.t. h(ẍ)≤0。
ẍt+1=GA(ẍt)。
f(ẍt+1)≥f(ẍt)。
其中，f 是适应度函数，ẍ 是沼气利用模块的控制量，J 是目标函数，h 是约束条件，GA 是遗传算法操作，t 是迭代次数。
沼渣利用模块的控制量用以下公式表示。
u=argmin u∑k=0 n−1(Ẏ(k)−Ẏd(k))2+λu(k)2。
s.t. Ẏ(k+1)=G(Ẏ(k),u(k))。
Ẏ(0)=Ẏ0。
u(k)∈U。
Ẏ(k)∈Y。
其中，u是沼渣利用模块的控制量，Ẏ是沼渣利用模块的输出量，Ẏd是期望输出量，G是沼渣利用模块的预测模型，n是预测步长，λ 是权重系数，U 和 Y 是控制量和输出量的可行域，Ẏ0是当前输出量。
进一步的，监测控制模块还包括。
一个人机交互界面，用于实现可视化监控和操作。人机交互界面是监测控制模块与用户之间的沟通桥梁，可以通过触摸屏、键盘、鼠标等设备，实现对系统的监测和控制。人机交互界面的设计应遵循易用性、美观性、安全性等原则，提供友好的用户体验。例如，人机交互界面可以显示系统的运行状态、参数、曲线、报警等信息，同时提供启动、停止、调节、复位等操作功能。
一个数据可视化子模块，用于将边缘计算子模块输出的数据进行图形化和动态化的展示。数据可视化子模块是监测控制模块的数据分析和展示工具，可以通过图表、图像、动画等方式，将边缘计算子模块输出的数据进行直观和生动的展示，帮助用户更好地理解和利用数据。例如，数据可视化子模块可以根据数据的类型、特征、关系等，选择合适的可视化方法和参数，如折线图、柱状图、饼图、散点图、地图等，将数据的变化趋势、分布情况、相关性等进行可视化展示。
一个智能诊断子模块，用于根据边缘计算子模块输出的数据和预设的故障诊断规则，对系统的运行状况进行智能判断和诊断，并给出相应的提示和建议，实现对系统的智能维护和管理。智能诊断子模块是监测控制模块的故障检测和处理工具，可以通过人工智能、机器学习、专家系统等技术，对边缘计算子模块输出的数据进行分析和推理，识别系统的异常情况，定位故障原因，提供故障解决方案。例如，智能诊断子模块可以根据数据的正常范围、阈值、模式等，检测数据的偏离程度，判断系统是否存在故障，如温度过高、压力过低、流量异常等，同时根据故障诊断规则，推断故障的可能来源，如传感器故障、阀门卡死、管道堵塞等，以及给出相应的修复建议，如更换传感器、清洗阀门、疏通管道等。
一个智能优化子模块，用于根据边缘计算子模块输出的数据与预设的优化目标及约束条件，对系统的运行参数进行智能优化和调整，并给出相应的优化结果和方案，实现对系统的智能优化和改进。智能优化子模块是监测控制模块的参数优化和调节工具，可以通过优化算法、控制算法、模型预测等技术，对边缘计算子模块输出的数据进行评估和比较，寻找系统的最优运行状态，调节系统的运行参数，提高系统的性能和效率 。例如，智能优化子模块可以根据优化目标，如最大化沼气产量、最小化能耗、最优化沼渣质量等，以及约束条件，如温度范围、压力范围、pH值范围等，利用优化算法，如遗传算法、模拟退火算法、粒子群算法等，求解系统的最优运行参数，如温度设定值、压力设定值、pH值设定值等，同时利用控制算法，如PID控制、模糊控制、神经网络控制等，对系统的运行参数进行实时调节，使系统达到最优运行状态。
如图1所示，本实施例还提供一种环保型农业废弃物处理方法，包括以下步骤。
步骤1，对农业废弃物进行破碎、分选、脱水和降解改性，使其达到适宜厌氧发酵的条件；同时，实时监测农业废弃物的体积、粒度、质量、水分含量、碳含量和理化性质指标以实现对破碎效率、分选效率、脱水效率以及降解改性效率的智能控制。这一步的目的是将农业废弃物转化为易于厌氧发酵的有机物，提高厌氧发酵的效率和效果。
步骤2，对预处理后的农业废弃物进行厌氧发酵并分离出沼气、沼液及沼渣三相产物；同时，实时监测厌氧发酵与三相分离过程中的各项参数，以实现对有机负荷、沼液回流比与沼气产量的智能控制。这一步的目的是将预处理后的农业废弃物转化为沼气、沼液和沼渣三种有价值的产物，实现农业废弃物的资源化利用。
步骤3，对分离出的沼气进行收集、净化、储存和利用；同时，对沼气压力、流量、温度、湿度和杂质参数进行实时监测，实现对沼气流量的智能控制。这一步的目的是将预处理后的农业废弃物转化为沼气、沼液和沼渣三种有价值的产物，实现农业废弃物的资源化利用。
步骤4，对分离出的沼渣进行进一步脱水与压滤，并进行有机利用和无机利用，实现资源化和减量化；同时，实时监测沼渣的含水率、有机物含量、无机物含量和重金属含量，实现对沼渣含水率与沼渣产量的智能控制。这一步的目的是将分离出的沼渣转化为高效的有机肥料和无机材料，实现沼渣的农业化和工业化利用。
进一步的，破碎子模块的破碎效率ηb用以下公式表示。
ηb=((V1-V2)/V1)×((d1-d2)/d1)，其中，V1为农业废弃物的初始体积，V2为破碎后的体积，d1为初始粒度，d2为破碎后的粒度。这个公式反映了破碎过程中农业废弃物的体积和粒度的变化程度，体积和粒度越小，破碎效率越高。破碎效率的取值范围是0到1，0表示没有破碎，1表示完全破碎。
分选子模块的分选效率 η分选用以下公式表示：η分选=(m2+m3)/m1，其中，m1为农业废弃物的初始质量，m2为分选后的可降解有机农业废弃物的质量，m3为分选后的其他农业废弃物的质量。这个公式反映了分选过程中农业废弃物的质量分配情况，可降解有机农业废弃物和其他农业废弃物的质量越大，分选效率越高。分选效率的取值范围是0到1，0表示没有分选，1表示完全分选。
脱水子模块的脱水效率 ηd用以下公式表示：ηd=(w初−w后)/w初，w初为分选后的含水量高的农业废弃物的初始水分含量，w后为脱水后的水分含量。这个公式反映了脱水过程中农业废弃物的水分减少程度，水分越少，脱水效率越高。脱水效率的取值范围是0到1，0表示没有脱水，1表示完全脱水。
降解改性子模块的降解改性效率ηm用以下公式表示：ηm=((C1−C2)/C1)×((P2−P1)/P1)，其中，C1为分选后的可降解有机农业废弃物的初始碳含量，C2为降解改性后的碳含量，P1为初始理化性质指标，P2为降解改性后的理化性质指标。这个公式反映了降解改性过程中农业废弃物的碳含量和理化性质的变化程度，碳含量越小，理化性质越好，降解改性效率越高。降解改性效率的取值范围是0到1，0表示没有降解改性，1表示完全降解改性。
进一步的，厌氧反应器的有机负荷OLR用以下公式表示：OLR=Q×C/V，其中，Q 是进水流量，C 是进水有机物浓度，V是厌氧反应器有效容积。这个公式反映了厌氧反应器中每单位时间内进入的有机物的质量，有机负荷越高，厌氧反应器的负荷越大，厌氧发酵的速度越快，但也可能导致厌氧反应器的酸化或堵塞。
厌氧反应器的水力停留时间HRT用以下公式表示：HRT=QV。这个公式反映了厌氧反应器中的水分在反应器内的平均停留时间，水力停留时间越长，厌氧反应器的效率越高，但也可能导致厌氧反应器的积水或溢流。
三相分离子模块的沼气产量Qg用以下公式计算：Qg=Q×(C−Ce)×B沼气，其中，Ce是出水有机物浓度，B沼气是沼气产率。这个公式反映了厌氧反应器中每单位时间内产生的沼气的体积，沼气产量越大，厌氧反应器的效果越好，但也可能导致沼气的泄漏或爆炸。
三相分离子模块的三相分离效率ηt用以下公式表示：ηt=(ηg+ηl+ηs)/3，其中，ηg是沼气分离效率，ηl是沼液分离效率，ηs是沼渣分离效率；沼气分离效率ηg用以下公式表示：ηg=Qg/Qm×100%，其中，Qm是厌氧反应器出口的混合物流量；沼液分离效率ηl用以下公式表示：ηl=Ql/Qm×100%，其中，Ql是沼液分离单元输出的沼液流量，Qm是厌氧反应器出口的混合物流量；沼渣分离效率ηs用以下公式表示：ηs=Qs/Qm×100%，其中，Qs是沼渣分离单元输出的沼渣流量，Qm是厌氧反应器出口的混合物流量。这些公式反映了三相分离过程中沼气、沼液和沼渣的分离程度，三相分离效率越高，三相分离过程的效果越好，但也可能导致三相分离过程的能耗或成本增加。
沼液回流子模块的回流比R回流用以下公式表示：R回流=Qr/Q，其中，Qr是沼液回流量。这个公式反映了沼液回流过程中回流沼液与进水的比例，回流比越大，沼液回流过程的效果越好，但也可能导致沼液回流过程的复杂度或风险增加。
进一步的，沼气净化子模块的沼气纯度P用以下公式表示：P=Cm/(Cm+Ci)×100%，其中，Cm 是沼气中甲烷的浓度，Ci是沼气中杂质的总浓度。这个公式反映了沼气中甲烷的比例，甲烷是沼气的主要成分，也是沼气的主要燃料，沼气纯度越高，沼气的热值和可燃性越高，沼气的利用效率和安全性越高。沼气纯度的取值范围是0到100%，0表示没有甲烷，100%表示纯甲烷。
沼气储存子模块的沼气压力Ps用以下公式表示：Ps=Pa+ρgH，其中，Pa是大气压力，ρ是沼气的密度，g 是重力加速度，H是沼气储存器的高度。这个公式反映了沼气储存器内的沼气压力，沼气压力由大气压力和沼气的重力产生，沼气压力越高，沼气的密度和流动性越高，沼气的储存和输送效率越高。沼气压力的取值范围是大于或等于大气压力的正数，一般在0.1到0.5 MPa之间。
进一步的，沼渣脱水子模块的沼渣含水率W用以下公式表示：W=mw/(mw+ms)×100%，其中，mw是沼渣中的水分质量，ms是沼渣中的固体质量。这个公式反映了沼渣中水分占总质量的比例，沼渣含水率越低，沼渣的干物质含量越高，沼渣的利用价值越高。沼渣含水率的取值范围是0到100%，0表示没有水分，100%表示纯水分。
沼渣压滤子模块的沼渣压滤率R压滤用以下公式表示：R压滤=Qf/Qi×100%，其中，Qf是压滤后的沼渣流量，Qi是压滤前的沼渣流量。这个公式反映了压滤过程中沼渣的流量变化程度，沼渣压滤率越高，压滤过程的效果越好，但也可能导致压滤过程的能耗或成本增加。沼渣压滤率的取值范围是0到100%，0表示没有压滤，100%表示完全压滤。
有机沼渣利用子模块的有机沼渣产量Qo用以下公式表示：Qo=Qf×Co，其中，Co是压滤后的沼渣中的有机物含量。这个公式反映了沼渣中有机物的质量，有机沼渣产量越大，沼渣的有机肥料价值越高，沼渣的农业化利用越好。有机沼渣产量的取值范围是0到Qf之间，0表示没有有机物，Qf表示全部是有机物。
无机沼渣利用子模块的无机沼渣产量Qd用以下公式表示：Qd=Qf×Cd，其中，Cd是压滤后的沼渣中的无机物含量。这个公式反映了沼渣中无机物的质量，无机沼渣产量越大，沼渣的无机材料价值越高，沼渣的工业化利用越好。无机沼渣产量的取值范围是0到Qf之间，0表示没有无机物，Qf表示全部是无机物。

Claims (7)

1.一种环保型农业废弃物处理系统，包括预处理模块、厌氧发酵模块、沼气利用模块、沼渣利用模块和监测控制模块，其特征在于，所述预处理模块用于对农业废弃物进行预处理；所述厌氧发酵模块与所述预处理模块连接，用于对预处理后的有机废弃物进行厌氧发酵；所述沼气利用模块与所述厌氧发酵模块连接，用于对厌氧发酵产生的沼气进行收集、净化、储存和综合利用；所述沼渣利用模块与所述厌氧发酵模块连接，用于对厌氧发酵产生的沼渣进行进一步处理和利用；所述监测控制模块通过无线通信方式与预处理模块、厌氧发酵模块、沼气利用模块和沼渣利用模块连接，用于对各模块的数据进行收集与分析，并根据预设的智能控制模型与算法向各模块发送控制指令，实现过程监控和优化控制；
所述预处理模块包括破碎子模块、分选子模块、脱水子模块和降解改性子模块，所述破碎子模块用于对农业废弃物进行机械破碎以降低体积和粒度；所述分选子模块用于将破碎后的农业废弃物按照其成分和特性进行分选，分别送入不同的处理流程；所述脱水子模块用于将分选后的含水量高的农业废弃物进行脱水处理；所述降解改性子模块用于将分选后的可降解有机农业废弃物处理为易于厌氧发酵的物质；
所述厌氧发酵模块包括厌氧反应器、搅拌子模块、三相分离子模块和沼液回流子模块，所述厌氧反应器用于提供适宜的厌氧环境和温度以有效地降解有机农业废弃物；所述搅拌子模块用于保持厌氧反应器内物料的均匀混合，防止污泥沉积和温度分层以提高反应效率和沼气产量；所述三相分离子模块用于将厌氧反应器出口的混合物分离为沼气、沼液和沼渣三相；所述沼液回流子模块用于将沼液回流到厌氧反应器内，以维持厌氧反应器内的水力停留时间和有机负荷，同时补充厌氧反应所需的营养物质和缓冲剂；
所述沼气利用模块包括沼气收集子模块、沼气净化子模块和沼气储存子模块，所述沼气收集子模块用于将三相分离子模块出口的沼气输送至沼气净化子模块；所述沼气净化子模块用于去除沼气中的杂质和有害成分并将沼气输送至沼气储存子模块；所述沼气储存子模块用于对沼气进行压缩和储存；
所述沼渣利用模块包括沼渣脱水子模块、沼渣压滤子模块、有机沼渣利用子模块和无机沼渣利用子模块，其中，所述沼渣脱水子模块用于对三相分离子模块输出的沼渣进行脱水处理；所述沼渣压滤子模块与所述沼渣脱水子模块连接，用于对脱水后的沼渣进行压滤处理，并分离出有机沼渣和无机沼渣；所述有机沼渣利用子模块与所述沼渣压滤子模块连接，用于收集和利用压滤分离出的有机沼渣；所述无机沼渣利用子模块与所述沼渣压滤子模块连接，用于收集和利用压滤分离出的无机沼渣；
所述监测控制模块包括数据采集子模块、边缘计算子模块和执行控制子模块，数据采集子模块用于收集各模块的运行数据，并将采集到的数据进行数字化处理后发送至边缘计算子模块；所述边缘计算子模块基于边缘计算平台，用于对数据采集子模块采集到的大量传感器数据和过程数据进行边缘端的临近计算和分析，生成最终的过程优化和控制指令；所述执行控制子模块根据边缘计算子模块的输出，向各模块下达控制指令，实现过程的自动化闭环控制；
所述降解改性子模块采用微生物或酶作为降解剂；所述厌氧反应器采用高温热水或蒸汽作为加热介质对反应液进行恒温加热；所述沼气净化子模块采用物理吸附法对沼气中的硫化氢、二氧化碳、氨气或者其他杂质进行去除；所述分选子模块采用磁选法对农业废弃物进行高精度的分选，实现对不同成分和特性的农业废弃物的有效区分和分类；所述搅拌子模块采用机械搅拌的方式对反应液进行强化搅拌；
所述预处理模块还包括一个温度控制子模块，用于控制预处理过程的温度，以优化微生物或酶的活性，提高废弃物的降解和改性效率；所述温度控制子模块的温度控制精度δT用以下公式表示：δT=(Tmax-Tmin)/Tavg，其中，Tmax为预处理过程的最高温度，Tmin为预处理过程的最低温度，Tavg为预处理过程的平均温度；
所述沼渣利用模块还包括沼渣制肥子模块，所述沼渣制肥子模块用于将有机沼渣利用子模块输出的有机沼渣与微生物菌剂混合，经过发酵、干燥与粉碎制成有机肥料；所述沼气利用模块还包括沼气制氢子模块，所述沼气制氢子模块用于将沼气储存子模块输出的沼气经过水蒸气重整反应产生氢气，并将氢气输送至外部用氢设备；
所述三相分离子模块包括沼气分离单元、沼液分离单元和沼渣分离单元，所述沼气分离单元用于将厌氧反应器出口的混合物中的沼气分离出来；所述沼液分离单元利用重力沉降将厌氧反应器出口的混合物中的沼液分离出来；所述沼渣分离单元用于将厌氧反应器出口的混合物中的沼渣分离出来；
所述边缘计算子模块被配置为实现：
利用模糊逻辑方法对预处理模块的各项参数进行模糊化处理，建立模糊规则库和模糊推理机制，根据输入的模糊变量，输出相应的模糊控制量，经过反模糊化处理后，得到预处理模块的控制量；
利用神经网络方法对厌氧发酵模块的各项参数进行非线性拟合和预测，建立神经网络模型和学习机制，根据输入的历史数据和实时数据，输出相应的预测值和误差值，经过反馈调整后，得到厌氧发酵模块的控制量；
利用遗传算法方法对沼气利用模块的各项参数进行优化求解，建立适应度函数，根据输入的目标函数和约束条件，输出相应的最优解和适应度值，经过迭代优化后，得到沼气利用模块的控制量；
利用模型预测控制方法对沼渣利用模块的各项参数进行动态调节和优化，建立沼渣利用模块的预测模型，根据输入的当前状态和期望状态，输出相应的预测状态和控制量，经过滚动优化后，得到沼渣利用模块的控制量；
预处理模块的控制量用以下公式表示：
u预=∫u(z)μR(z)dz/∫μR(z)dz
μR(z)=min(μA(x),μB(y))
z=IF x IS A AND y IS B THEN u预 IS R
其中，u预是预处理模块的控制量，x 和 y 是预处理模块的输入变量，z 是模糊推理的结果，A，B 和 R 是模糊集合，μA，μB和 μR是隶属度函数，u(z) 是单值隶属度函数；
厌氧发酵模块的控制量用以下公式表示：
ẏ=W2σ(W1ẋ+b1)+b2
e=ẏd−ẏ
W2=W2+αeσ′(W1ẋ+b1)ẋT
W1=W1+αeW2σ′′(W1ẋ+b1)ẋT
b2=b2+αe
b1=b1+αeW2σ′′(W1ẋ+b1)
其中，ẏ 是厌氧发酵模块的输出量，ẋ 是厌氧发酵模块的输入量，ẏd是期望输出量，e是误差量，W1 和 W2是神经网络的权重矩阵，b1和 b2是神经网络的偏置向量，σ 是激活函数，σ′ 和 σ′′是激活函数的一阶和二阶导数，α是学习率；
沼气利用模块的控制量用以下公式表示：
f(ẍ)=maxJ(ẍ)
s.t. h(ẍ)≤0
ẍt+1=GA(ẍt)
f(ẍt+1)≥f(ẍt)
其中，f 是适应度函数，ẍ 是沼气利用模块的控制量，J 是目标函数，h 是约束条件，GA 是遗传算法操作，t 是迭代次数；
沼渣利用模块的控制量用以下公式表示：
u=argmin u∑k=0 n−1(Ẏ(k)−Ẏd(k))2+λu(k)2
s.t. Ẏ(k+1)=G(Ẏ(k),u(k))
Ẏ(0)=Ẏ0
u(k)∈U
Ẏ(k)∈Y
其中，u是沼渣利用模块的控制量，Ẏ是沼渣利用模块的输出量，Ẏd是期望输出量，G是沼渣利用模块的预测模型，n是预测步长，λ 是权重系数，U 和 Y 是控制量和输出量的可行域，Ẏ0是当前输出量。
2.根据权利要求1所述的一种环保型农业废弃物处理系统，其特征在于，所述监测控制模块还包括：
一个人机交互界面，用于实现可视化监控和操作；
一个数据可视化子模块，用于将边缘计算子模块输出的数据进行图形化和动态化的展示；
一个智能诊断子模块，用于根据边缘计算子模块输出的数据和预设的故障诊断规则，对系统的运行状况进行智能判断和诊断，并给出相应的提示和建议，实现对系统的智能维护和管理；
一个智能优化子模块，用于根据边缘计算子模块输出的数据与预设的优化目标及约束条件，对系统的运行参数进行智能优化和调整，并给出相应的优化结果和方案，实现对系统的智能优化和改进。
3.一种环保型农业废弃物处理方法，基于权利要求1所述的环保型农业废弃物处理系统实现，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，对农业废弃物进行破碎、分选、脱水和降解改性，使其达到适宜厌氧发酵的条件；同时，实时监测农业废弃物的体积、粒度、质量、水分含量、碳含量和理化性质指标以实现对破碎效率、分选效率、脱水效率以及降解改性效率的智能控制；
步骤2，对预处理后的农业废弃物进行厌氧发酵并分离出沼气、沼液及沼渣三相产物；同时，实时监测厌氧发酵与三相分离过程中的各项参数，以实现对有机负荷、沼液回流比与沼气产量的智能控制；
步骤3，对分离出的沼气进行收集、净化、储存和利用；同时，对沼气压力、流量、温度、湿度和杂质参数进行实时监测，实现对沼气流量的智能控制；
步骤4，对分离出的沼渣进行进一步脱水与压滤，并进行有机利用和无机利用，实现资源化和减量化；同时，实时监测沼渣的含水率、有机物含量、无机物含量和重金属含量，实现对沼渣含水率与沼渣产量的智能控制。
4.根据权利要求3所述的一种环保型农业废弃物处理方法，其特征在于，破碎子模块的破碎效率ηb用以下公式表示：
ηb=((V1-V2)/V1)×((d1-d2)/d1)，其中，V1为农业废弃物的初始体积，V2为破碎后的体积，d1为初始粒度，d2为破碎后的粒度；
分选子模块的分选效率 η分选用以下公式表示：η分选=(m2+m3)/m1，其中，m1为农业废弃物的初始质量，m2为分选后的可降解有机农业废弃物的质量，m3为分选后的其他农业废弃物的质量；
脱水子模块的脱水效率 ηd用以下公式表示：ηd=(w初−w后)/w初，w初为分选后的含水量高的农业废弃物的初始水分含量，w后为脱水后的水分含量；
降解改性子模块的降解改性效率ηm用以下公式表示：ηm=((C1−C2)/C1)×((P2−P1)/P1)，其中，C1为分选后的可降解有机农业废弃物的初始碳含量，C2为降解改性后的碳含量，P1为初始理化性质指标，P2为降解改性后的理化性质指标。
5.根据权利要求3所述的一种环保型农业废弃物处理方法，其特征在于，厌氧反应器的有机负荷OLR用以下公式表示：OLR=Q×C/V，其中，Q 是进水流量，C 是进水有机物浓度，V是厌氧反应器有效容积；
厌氧反应器的水力停留时间HRT用以下公式表示：HRT=QV;
三相分离子模块的沼气产量Qg用以下公式计算：Qg=Q×(C−Ce)×B沼气，其中，Ce是出水有机物浓度，B沼气是沼气产率；
三相分离子模块的三相分离效率ηt用以下公式表示：ηt=(ηg+ηl+ηs)/3，其中，ηg是沼气分离效率，ηl是沼液分离效率，ηs是沼渣分离效率；沼气分离效率ηg用以下公式表示：ηg=Qg/Qm×100%，其中，Qm是厌氧反应器出口的混合物流量；沼液分离效率ηl用以下公式表示：ηl=Ql/Qm×100%，其中，Ql是沼液分离单元输出的沼液流量，Qm是厌氧反应器出口的混合物流量；沼渣分离效率ηs用以下公式表示：ηs=Qs/Qm×100%，其中，Qs是沼渣分离单元输出的沼渣流量，Qm是厌氧反应器出口的混合物流量；
沼液回流子模块的回流比R回流用以下公式表示：R回流=Qr/Q，其中，Qr是沼液回流量。
6.根据权利要求3所述的一种环保型农业废弃物处理方法，其特征在于，沼气净化子模块的沼气纯度P用以下公式表示：P=Cm/(Cm+Ci)×100%，其中，Cm 是沼气中甲烷的浓度，Ci是沼气中杂质的总浓度；
沼气储存子模块的沼气压力Ps用以下公式表示：Ps=Pa+ρgH，其中，Pa是大气压力，ρ 是沼气的密度，g 是重力加速度，H是沼气储存器的高度。
7.根据权利要求3所述的一种环保型农业废弃物处理方法，其特征在于，沼渣脱水子模块的沼渣含水率W用以下公式表示：W=mw/(mw+ms)×100%，其中，mw是沼渣中的水分质量，ms是沼渣中的固体质量；
沼渣压滤子模块的沼渣压滤率R压滤用以下公式表示：R压滤=Qf/Qi×100%，其中，Qf是压滤后的沼渣流量，Qi是压滤前的沼渣流量；
有机沼渣利用子模块的有机沼渣产量Qo用以下公式表示：Qo=Qf×Co，其中，Co是压滤后的沼渣中的有机物含量；
无机沼渣利用子模块的无机沼渣产量Qd用以下公式表示：Qd=Qf×Cd，其中，Cd是压滤后的沼渣中的无机物含量。
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