CN117486645B - 一种农业用槽式堆肥反应***及其控制方法 - Google Patents

一种农业用槽式堆肥反应***及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种农业用槽式堆肥反应***及其控制方法，该方法根据堆体内部的温度、CO2浓度、碳氮比、以及含水率数据执行数据运算和指令控制，***的下一采样时刻的堆体参数，根据运算结果控制翻堆机或曝气装置进行工作，实现了槽式发酵过程的自动化控制，大大降低了认为判断带来的误判概率，使得发酵过程更加充分，提升基质发酵的生产效率，该***和方法适合在农业槽式堆肥的规模化生产中应用。

Description

一种农业用槽式堆肥反应***及其控制方法
技术领域
本发明涉及槽式好氧堆肥技术领域，特别是涉及一种农业用槽式堆肥反应***及其控制方法。
背景技术
在规模农业生产中为了减少对环境的影响，通常采用材料化、能源化、基质化等方法进行处理如：家禽粪便、秸秆等农业废弃物，上述方案中，基质化处理方式一方面具有较好的无害化处理能力，另一方面也可以为农业生产供给所需的培养基质。目前，我国的基质发酵生产企业多以槽式好氧发酵为主，其具有处理量大，调控、管理成本低的优势，然而在实际生产中，翻堆和曝气作业大多以人工经验为主，缺乏自动化、精准化的作业指导，因此容易导致生产过程中对基质实时发酵情况判断不够精准，错失最佳的管控时间，导致发酵产品的性能下降。
在公开的专利中，CN108752067A对槽结构采用静态曝气发酵加铲车翻槽进行发酵生产，然而其缺乏自动化的控制***，还是以人工判断为主，不能解决人工判断出错的问题，另外上述方案没有考虑曝气温度补偿对；针对上述问题，本发明提供一种农业用槽式堆肥反应***及其控制方法以实现发酵过程的自动控制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种农业用槽式堆肥反应***及其控制方法。
一方面，本发明提供一种农业用槽式堆肥反应***，所述***包括：
发酵槽，翻堆机，以及曝气装置，所述***还包括：堆体内部数据监测模块、环境数据监测模块、无线传输模块、以及运算和控制模块。
所述堆体内部数据监测模块用于间隔固定时长对堆体内部的温度数据、CO2浓度数据、和碳氮比数据、以及含水率数据进行测量，所述环境数据监测模块用于监测发酵槽上方的温度数据、CO2浓度数据。
所述堆体内部数据监测模块和所述环境数据监测模块分别通过所述无线传输模块与所述运算和控制模块连接。
所述运算和控制模块与所述翻堆机和所述曝气装置连接，根据两个监测模块的测量数据执行数据运算和指令控制，控制所述翻堆机或所述曝气装置进行工作：
当所述堆体内部的温度超出第一温度阈值时，所述运算和控制模块发送第一指令控制所述翻堆机进行翻堆作业。
当所述堆体内部的温度低于第二温度阈值时，所述堆体内部的运算和控制模块发送第二指令控制所述曝气装置进行曝气作业。
进一步的，所述曝气装置包括平铺在发酵槽底部的多个喷气孔、气体加热装置、和气体加压泵。
当所述堆体内部的温度低于第二温度阈值进行曝气作业时，首先通过气体加热装置将空气加热至所述第二温度阈值后，再使用气体加压泵将空气通过所述喷气孔对堆体进行曝气作业。
进一步的，所述运算和控制模块在发酵物料进入发酵槽24~48小时后，根据数据运算结果控制所述翻堆机或所述曝气装置进行工作。
所述第一温度阈值的取值范围为65℃~70℃，所述第二温度阈值的取值范围为45℃~55℃；所述间隔固定时长的取值范围为10~30min。
进一步的，所述控制所述翻堆机或所述曝气装置进行工作，还包括：当所述堆体内部的当前时刻的温度处于所述第二温度阈值和所述第一温度阈值之间时，先根据预先设定的运算模型预测下一采样时刻的堆体内部温度是否超出第一温度阈值；若计算得出下一采样时刻的堆体内部温度超出第一温度阈值，所述运算和控制模块发送第一指令控制所述翻堆机进行翻堆作业。
进一步的，所述根据两个监测模块的测量数据执行数据运算和指令控制，控制所述翻堆机或所述曝气装置进行工作，还包括：所述运算和控制模块在发酵物料进入发酵槽10~15天后，根据堆体内部的温度数据和水率数据控制所述翻堆机进行工作。
当所述堆体内部的温度数据下降至40~45℃且所述堆体的含水率数据下降至50%以内时，停止曝气作业，并控制所述翻堆机每间隔4~8个小时翻堆一次。
进一步的，当所述堆体的含水率数据下降至40%以内，且所述碳氮比水下降至20:1以内，停止发酵。
进一步的，所述发酵槽为具有固定深度的长方形槽体，所述槽体的宽度与所述翻堆机配套，使得所述翻堆机能够沿槽体的上边缘移动，所述发酵槽的底部还设置有导水槽。
进一步的，所述翻堆机为链板式发酵翻堆机。
另一方面，本发明提供一种农业用槽式堆肥反应***的控制方法，所述方法包括以下步骤：
步骤S1：将碳氮比25~35:1，含水率60%~75%的发酵物料导入发酵槽，利用翻堆机通过翻拌作用使发酵物料充分混匀混合形成堆体。
步骤S2：发酵24~48小时后，开始对堆体内部的温度数据、CO2浓度数据、以及含水率数据和碳氮比数据进行测量。
步骤S3：根据测量数据进行数据运算，基于运算结果控制翻堆机或曝气装置进行工作；
当所述堆体内部的温度超出第一温度阈值时进行翻堆作业。
当所述堆体内部的温度低于第二温度阈值时进行曝气作业。
步骤S4：发酵物料进入发酵槽10~15天后，当所述堆体内部的温度数据下降至40~45℃且所述堆体的含水率数据下降至50%以内时，停止曝气作业，并每间隔4~8个小时翻堆一次。
步骤S5：持续监测堆体的含水量和碳氮比数据，当所述堆体的含水率数据下降至40%以内，且所述碳氮比水下降至20:1以内，停止发酵。
进一步的，所述步骤S3还包括：当所述堆体内部的当前时刻的温度处于所述第二温度阈值和所述第一温度阈值之间时，先根据预先设定的运算模型预测下一采样时刻的堆体内部温度/>是否处于两个阈值之间，再根据预测值控制翻堆机进行工作。
进一步的，所述预先设定的运算模型具体为：
若当前时刻的堆体内部CO2浓度值，当前时刻的环境温度为/>，环境中的CO2浓度值为/>；发酵堆的上表面积为S，发酵堆的总质量为/>，单位：kg；比热容为/>，单位：J/(kg·℃)；发酵物料的单位传热系数为/>，换气率为/>，有机质降解转化系数为/>，发酵物料的单位有机质含量为/>，单位：g/kg；发酵物料的单位有机质降解产生的热量为/>，单位：kJ/g·kg；根据能量守恒定律，堆肥反应***当前的热量值为发酵物料从初始0时刻开始在降解过程中释放的总热量和向发酵堆外界释放的总热量的差值。
设发酵槽的传热面全部发生在上表面，由此得到发酵堆的热量平衡方程的离散表达式：，式中，/>为下一时刻有机质含量，/>为当前时刻有机质含量，/>为采样间隔时长。
通过迭代算法以及有机质降解动力方程得到，。
设下一采样时刻堆体内部CO2浓度值采用前三个时刻的最大值，环境中的CO2浓度值保持不变，则，。
下一时刻堆体内部温度，
当超出第一温度阈值时，所述运算和控制模块发送第一指令控制所述翻堆机进行翻堆作业。
进一步的，所述步骤S3中，当所述堆体内部的温度超出第一温度阈值时进行翻堆作业时，控制曝气速率为：0.2~0.6 ，单位：L/min·kg，曝气作业时长为：10~30min。
本发明与现有技术相比，其有益效果是：
1、本发明根据堆体内部数据监测模块对堆体内部的温度数据、CO2浓度数据、和碳氮比数据、以及含水率数据进行测量，根据监测模块的测量数据执行数据运算和指令控制，控制所述翻堆机或所述曝气装置进行工作，实现了槽式发酵过程的自动化控制，大大降低了认为判断带来的误判概率，使得发酵过程更加充分，提升基质发酵的生产效率。
2、本发明在进行翻堆控制时，采用根据***的下一采样时刻的堆体参数来进行作业需要判断，避免堆体因温度过高引起的过热腐败的问题；同时，在进行曝气作业时，通过预热通入气体，可以达到加速发酵过程，缩短发酵周期的效果。
附图说明
图1为本发明的一种农业用槽式堆肥反应***的组成示意图。
图2为本发明的一种农业用槽式堆肥反应***的控制方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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作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。
实施例1
如图1所示，本实施例的一种农业用槽式堆肥反应***包括：
发酵槽、翻堆机、曝气装置、堆体内部数据监测模块、环境数据监测模块、无线传输模块、以及运算和控制模块。
堆体内部数据监测模块用于间隔固定时长对堆体内部的温度数据、CO2浓度数据、和碳氮比数据、以及含水率数据进行测量，环境数据监测模块用于监测发酵槽上方的温度数据、CO2浓度数据。
堆体内部数据监测模块和环境数据监测模块分别通过无线传输模块与运算和控制模块连接。
运算和控制模块与翻堆机和曝气装置连接，根据两个监测模块的测量数据执行数据运算和指令控制，控制翻堆机或曝气装置进行工作。
需要说明的是，运算和控制模块在发酵物料进入发酵槽24~48小时后，根据数据运算结果控制翻堆机或曝气装置进行工作。当堆体内部的温度超出第一温度阈值时，运算和控制模块发送第一指令控制翻堆机进行翻堆作业，翻堆机为链板式发酵翻堆机。
需要说明的是，链板式发酵翻堆机，适用于有机肥料。采用链式传动，滚动支撑的链板机构，反抛阻力小，省电节能，适合深槽作业；翻堆机在发酵槽上的行走***采用变频调速，对不同物料适应性好，翻堆平稳效率高，发酵槽为具有固定深度的长方形槽体，槽体的宽度与翻堆机配套，使得翻堆机能够沿槽体的上边缘移动，发酵槽的底部还设置有导水槽。当堆体内部的温度低于第二温度阈值时，堆体内部的运算和控制模块发送第二指令控制曝气装置进行曝气作业；在好氧堆肥的过程中，温度是影响微生物活动的重要因素，堆肥过程会经历从升温阶段到高温阶段再到降温阶段的过程，在堆肥过程中，堆体温度的变化速率会受到通风及堆肥设备等条件的影响，堆肥物料发酵的适宜温度为 55 ~ 60℃，因此，设置第一温度阈值的取值范围为65℃~70℃，第二温度阈值的取值范围为45℃~55℃；间隔固定时长的取值范围为10~30min。
曝气装置包括平铺在发酵槽底部的多个喷气孔、气体加热装置、和气体加压泵。
需要说明的是，微好氧发酵的目的是使物料中的挥发性物质降低，臭气减少，杀灭寄生虫卵和病原微生物，达到无害化目的。另外，通过高温发酵处理使有机物料含水率降低，有机物得到分解和矿化释放N、P、K等养分，同时使有机物料的性质变得疏松、分散，首先，一方面利用翻堆机通过翻拌作用使发酵物料充分混匀，水分快速挥发，同时发生物料的位移；另一方面通过安装在发酵槽底部的曝气***采取强制通风方式供给氧气，给分解微生物创造良好的分解条件，同时释放水分和分解气体。本发明中，当堆体内部的温度低于第二温度阈值进行曝气作业时，首先通过气体加热装置将空气加热至第二温度阈值后，再使用气体加压泵将空气通过喷气孔对堆体进行曝气作业，对通入的气体进行提前加热，能够达到加速发酵过程，缩短发酵周期的效果。
控制翻堆机或曝气装置进行工作，还包括：当堆体内部的当前时刻的温度处于第二温度阈值和第一温度阈值之间时，先根据预先设定的运算模型预测下一采样时刻的堆体内部温度是否超出第一温度阈值；若计算得出下一采样时刻的堆体内部温度超出第一温度阈值，运算和控制模块发送第一指令控制翻堆机进行翻堆作业。
需要说明的是，下一采样时刻的堆体内部温度采用的运算模型是：根据能量守恒定律，堆肥反应***当前的热量值为发酵物料从初始0时刻开始在降解过程中释放的总热量和向发酵堆外界释放的总热量的差值。 设发酵槽的传热面全部发生在上表面，由此得到发酵堆的热量平衡方程的离散表达式，通过迭代算法以及有机质降解动力方程得到下一采样时刻的堆体内部温度表达式；设下一采样时刻堆体内部CO2浓度值采用前三个时刻的最大值，环境中的CO2浓度值保持不变，则可以得出下一时刻堆体内部温度的计算公式，当下一时刻堆体内部温度超出第一温度阈值时，运算和控制模块发送第一指令控制翻堆机进行翻堆作业。
根据两个监测模块的测量数据执行数据运算和指令控制，控制翻堆机或曝气装置进行工作，还包括：运算和控制模块在发酵物料进入发酵槽10~15天后，根据堆体内部的温度数据和水率数据控制翻堆机进行工作。
当堆体内部的温度数据下降至40~45℃且堆体的含水率数据下降至50%以内时，停止曝气作业，并控制翻堆机每间隔4~8个小时翻堆一次。
当堆体的含水率数据下降至40%以内，且碳氮比水下降至20:1以内，停止发酵。
实施例2
另一方面，本发明提供一种农业用槽式堆肥反应***的控制方法，方法包括以下步骤：
步骤S1：将碳氮比25~35:1，含水率60%~75%的发酵物料导入发酵槽，利用翻堆机通过翻拌作用使发酵物料充分混匀混合形成堆体。
步骤S2：发酵24~48小时后，开始对堆体内部的温度数据、CO2浓度数据、以及含水率数据和碳氮比数据进行测量。
步骤S3：根据测量数据进行数据运算，基于运算结果控制翻堆机或曝气装置进行工作。
当堆体内部的温度超出第一温度阈值时进行翻堆作业。
当堆体内部的温度低于第二温度阈值时进行曝气作业。
步骤S4：发酵物料进入发酵槽10~15天后，当堆体内部的温度数据下降至40~45℃且堆体的含水率数据下降至50%以内时，停止曝气作业，并每间隔4~8个小时翻堆一次。
步骤S5：持续监测堆体的含水量和碳氮比数据，当堆体的含水率数据下降至40%以内，且碳氮比水下降至20:1以内，停止发酵。
需要说明的是，当堆体内部的当前时刻的温度处于第二温度阈值和第一温度阈值之间时，先根据预先设定的运算模型预测下一采样时刻的堆体内部温度/>是否处于两个阈值之间，再根据预测值控制翻堆机进行工作。
需要说明的是，预先设定的运算模型具体为：
若当前时刻的堆体内部CO2浓度值，当前时刻的环境温度为/>，环境中的CO2浓度值为/>；发酵堆的上表面积为S，发酵堆的总质量为/>，单位：kg；比热容为/>，单位：J/(kg·℃)；发酵物料的单位传热系数为/>，换气率为/>，有机质降解转化系数为/>，发酵物料的单位有机质含量为/>，单位：g/kg；发酵物料的单位有机质降解产生的热量为/>，单位：kJ/g·kg；根据能量守恒定律，堆肥反应***当前的热量值为发酵物料从初始0时刻开始在降解过程中释放的总热量和向发酵堆外界释放的总热量的差值。
设发酵槽的传热面全部发生在上表面，由此得到发酵堆的热量平衡方程的离散表达式：，式中，/>为下一时刻有机质含量，/>为当前时刻有机质含量，/>为采样间隔时长。
通过迭代算法以及有机质降解动力方程得到，。
设下一采样时刻堆体内部CO2浓度值采用前三个时刻的最大值，环境中的CO2浓度值保持不变，则，。
下一时刻堆体内部温度，
当超出第一温度阈值时，运算和控制模块发送第一指令控制翻堆机进行翻堆作业。
需要说明的是，当堆体内部的温度超出第一温度阈值时进行翻堆作业时，控制曝气速率为：0.2~0.6 ，单位：L/min·kg，曝气作业时长为：10~30min。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种农业用槽式堆肥反应***，包括发酵槽，翻堆机，以及曝气装置，其特征在于，所述***还包括：堆体内部数据监测模块、环境数据监测模块、无线传输模块、以及运算和控制模块；
所述堆体内部数据监测模块用于间隔固定时长对堆体内部的温度数据、CO2浓度数据、和碳氮比数据、以及含水率数据进行测量，所述环境数据监测模块用于监测发酵槽上方的温度数据、CO2浓度数据；
所述堆体内部数据监测模块和所述环境数据监测模块分别通过所述无线传输模块与所述运算和控制模块连接；
所述运算和控制模块与所述翻堆机和所述曝气装置连接，根据两个监测模块的测量数据执行数据运算和指令控制，控制所述翻堆机或所述曝气装置进行工作：
当所述堆体内部的温度超出第一温度阈值时，所述运算和控制模块发送第一指令控制所述翻堆机进行翻堆作业；
当所述堆体内部的温度低于第二温度阈值时，所述堆体内部的运算和控制模块发送第二指令控制所述曝气装置进行曝气作业；
所述控制所述翻堆机或所述曝气装置进行工作，还包括：当所述堆体内部的当前时刻的温度处于所述第二温度阈值和所述第一温度阈值之间时，先根据预先设定的运算模型预测下一采样时刻的堆体内部温度是否超出第一温度阈值；若计算得出下一采样时刻的堆体内部温度超出第一温度阈值，所述运算和控制模块发送第一指令控制所述翻堆机进行翻堆作业；
所述运算和控制模块在发酵物料进入发酵槽24~48小时后，根据数据运算结果控制所述翻堆机或所述曝气装置进行工作；
所述第一温度阈值的取值范围为65℃~70℃，所述第二温度阈值的取值范围为45℃~55℃；所述间隔固定时长的取值范围为10~30min；
所述下一采样时刻的堆体内部温度采用的运算模型是：根据能量守恒定律，堆肥反应***当前的热量值为发酵物料从初始0时刻开始在降解过程中释放的总热量和向发酵堆外界释放的总热量的差值；设发酵槽的传热面全部发生在上表面，由此得到发酵堆的热量平衡方程的离散表达式，通过迭代算法以及有机质降解动力方程得到下一采样时刻的堆体内部温度表达式。
2.根据权利要求1所述的农业用槽式堆肥反应***，其特征在于，所述曝气装置包括平铺在发酵槽底部的多个喷气孔、气体加热装置、和气体加压泵；
当所述堆体内部的温度低于第二温度阈值进行曝气作业时，首先通过气体加热装置将空气加热至所述第二温度阈值后，再使用气体加压泵将空气通过所述喷气孔对堆体进行曝气作业。
3.根据权利要求1所述的农业用槽式堆肥反应***，其特征在于，所述根据两个监测模块的测量数据执行数据运算和指令控制，控制所述翻堆机或所述曝气装置进行工作，还包括：所述运算和控制模块在发酵物料进入发酵槽10~15天后，根据堆体内部的温度数据和水率数据控制所述翻堆机进行工作；
当所述堆体内部的温度数据下降至40~45℃且所述堆体的含水率数据下降至50%以内时，停止曝气作业，并控制所述翻堆机每间隔4~8个小时翻堆一次。
4.根据权利要求3所述的农业用槽式堆肥反应***，其特征在于，当所述堆体的含水率数据下降至40%以内，且所述碳氮比水下降至20:1以内，停止发酵。
5.根据权利要求4所述的农业用槽式堆肥反应***，其特征在于，所述发酵槽为具有固定深度的长方形槽体，所述槽体的宽度与所述翻堆机配套，使得所述翻堆机能够沿槽体的上边缘移动，所述发酵槽的底部还设置有导水槽；
所述翻堆机为链板式发酵翻堆机。
6.一种根据权利要求1-5任一项所述的农业用槽式堆肥反应***的控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤S1：将碳氮比25~35:1，含水率60%~75%的发酵物料导入发酵槽，利用翻堆机通过翻拌作用使发酵物料充分混匀混合形成堆体；
步骤S2：发酵24~48小时后，开始对堆体内部的温度数据、CO2浓度数据、以及含水率数据和碳氮比数据进行测量；
步骤S3：根据测量数据进行数据运算，基于运算结果控制翻堆机或曝气装置进行工作；
当所述堆体内部的温度超出第一温度阈值时进行翻堆作业；
当所述堆体内部的温度低于第二温度阈值时进行曝气作业；
步骤S4：发酵物料进入发酵槽10~15天后，当所述堆体内部的温度数据下降至40~45℃且所述堆体的含水率数据下降至50%以内时，停止曝气作业，并每间隔4~8个小时翻堆一次；
步骤S5：持续监测堆体的含水量和碳氮比数据，当所述堆体的含水率数据下降至40%以内，且所述碳氮比水下降至20:1以内，停止发酵。
7.根据权利要求6所述的农业用槽式堆肥反应***的控制方法，其特征在于，所述步骤S3还包括：当所述堆体内部的当前时刻的温度处于所述第二温度阈值和所述第一温度阈值之间时，先根据预先设定的运算模型预测下一采样时刻的堆体内部温度/>是否处于两个阈值之间，再根据预测值控制翻堆机进行工作；
所述预先设定的运算模型具体为：
若当前时刻的堆体内部CO2浓度值，当前时刻的环境温度为/>，环境中的CO2浓度值为/>；发酵堆的上表面积为/>，发酵堆的总质量为/>，单位：kg；比热容为/>，单位：J/(kg·℃)；发酵物料的单位传热系数为/>，换气率为/>，有机质降解转化系数为/>，发酵物料的单位有机质含量为/>，单位：g/kg；发酵物料的单位有机质降解产生的热量为/>，单位：kJ/g·kg；根据能量守恒定律，堆肥反应***当前的热量值为发酵物料从初始0时刻开始在降解过程中释放的总热量和向发酵堆外界释放的总热量的差值；
设发酵槽的传热面全部发生在上表面，由此得到发酵堆的热量平衡方程的离散表达式：，式中，/>为下一时刻有机质含量，/>为当前时刻有机质含量，/>为采样间隔时长；
通过迭代算法以及有机质降解动力方程得到，;
设下一采样时刻堆体内部CO2浓度值采用前三个时刻的最大值，环境中的CO2浓度值保持不变，则，；
下一时刻堆体内部温度，
；
当超出第一温度阈值时，所述运算和控制模块发送第一指令控制所述翻堆机进行翻堆作业。
8.根据权利要求7所述的农业用槽式堆肥反应***的控制方法，其特征在于，所述步骤S3中，当所述堆体内部的温度超出第一温度阈值时进行翻堆作业时，控制曝气速率为：0.2~0.6 ，单位：L/min·kg，曝气作业时长为：10~30min。
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