一种农业用槽式堆肥反应系统及其控制方法
本发明公开了一种农业用槽式堆肥反应系统及其控制方法，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，提前预测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，该系统和方法适合在农业槽式堆肥的规模化生产中应用。
发明专利
CN202311843968.6
2023-12-29
CN117486645A
2024-02-02
C05F17/993(2020.01)
生态环境部环境规划院
徐志杰;赵云皓;辛璐;卢静;王志凯;罗荣昌;徐文力;杨高玄
100041 北京市石景山区实兴大街15号
成都宏田知识产权代理事务所(普通合伙)
徐鹏
北京;11
1.一种农业用槽式堆肥反应系统，包括发酵槽，翻堆机，以及曝气装置，其特征在于，所述系统还包括：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。 2.根据权利要求1所述的农业用槽式堆肥反应系统，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系统，其特征在于，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。 4.根据权利要求3所述的农业用槽式堆肥反应系统，其特征在于，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。 5.根据权利要求1所述的农业用槽式堆肥反应系统，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。 6.根据权利要求5所述的农业用槽式堆肥反应系统，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。 7.根据权利要求6所述的农业用槽式堆肥反应系统，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。 8.一种根据权利要求1-7任一项所述的农业用槽式堆肥反应系统的控制方法，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。 9.根据权利要求8所述的农业用槽式堆肥反应系统的控制方法，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，堆肥反应系统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。 10.根据权利要求8所述的农业用槽式堆肥反应系统的控制方法，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。