一种环保型农业废弃物处理系统及方法与流程

本技术涉及农业废弃物处理，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：

1、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。

2、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。

技术实现思路

1、为了克服现有技术存在的一系列缺陷，本技术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。

2、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。

3、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。

4、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。

5、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。

6、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。

7、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。

8、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。

9、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。

10、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。

11、进一步的，边缘计算子模块被配置为实现。

12、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。

13、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。

14、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。

15、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。

16、进一步的，预处理模块的控制量用以下公式表示。

17、u预=∫u(z)μr(z)dz/∫μr(z)dz。

18、μr(z)=min(μa(x),μb(y))。

19、z=if x is a and y is b then u预 is r。

20、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。

21、厌氧发酵模块的控制量用以下公式表示。

22、ẏ=w2σ(w1ẋ+b1)+b2。

23、e=ẏd−ẏ。

24、w2=w2+αeσ′(w1ẋ+b1)ẋt。

25、w1=w1+αew2σ′′(w1ẋ+b1)ẋt。

26、b2=b2+αe。

27、b1=b1+αew2σ′′(w1ẋ+b1)。

28、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。

29、沼气利用模块的控制量用以下公式表示。

30、f(ẍ)=maxj(ẍ)。

31、s.t. h(ẍ)≤0。

32、ẍt+1=ga(ẍt)。

33、f(ẍt+1)≥f(ẍt)。

34、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。

35、沼渣利用模块的控制量用以下公式表示。

36、u=argmin u∑k=0n−1(ẏ(k)−ẏd(k))2+λu(k)2。

37、s.t. ẏ(k+1)=g(ẏ(k),u(k))。

38、ẏ(0)=ẏ0。

39、u(k)∈u。

40、ẏ(k)∈y。

41、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。

42、进一步的，监测控制模块还包括。

43、一个人机交互界面，用于实现可视化监控和操作。

44、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。

45、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。

46、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。

47、本技术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。

48、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。

49、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。

50、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。

51、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。

52、进一步的，破碎子模块的破碎效率ηb用以下公式表示。

53、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。

54、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。

55、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。

56、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。

57、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。

58、厌氧反应器的水力停留时间hrt用以下公式表示：hrt=qv。

59、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。

60、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。

61、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。

62、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。

63、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。

64、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。

65、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。

66、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。

67、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。

68、与现有技术相比，本技术的有益效果为。

69、本技术通过预处理、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。